CN114487339B - 一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置及试验方法，试验装置包括嵌设在土层内的爆坑、密封钢板、气体输送装置、储粉盒、气体/粉尘浓度检测装置以及引爆装置，在爆坑的开口端可移动安装密封钢板，密封钢板表面通过约束装置覆设待试验的试件；所述爆坑的坑壁包括两层，由内至外分别为防爆钢板层和防爆牺牲层，防爆钢板层、防爆牺牲层以及土层形成能量耗散体系；气体输送装置通过气体管道与爆坑连通；本发明可以实现密闭条件下结构受气体或者粉尘爆炸的试验条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置及试验方法，属于试件模拟气体或粉尘爆炸试验领域。
背景技术
近年来，居民楼燃气爆炸、工厂粉尘爆炸等安全事故频发，严重威胁着相关人员的生命财产安全。相较于一般的爆炸事故，这些事故常发生于工业厂房和居民公寓等相对密闭的条件下，爆炸产生的冲击力对于结构及附属设施的破坏会更为严重。而一般民用建筑在设计之初通常不会进行结构防爆设计，一旦发生爆炸事故极易产生严重的后果。由于试验条件的限制，现有气体或粉尘爆炸下结构力学性能研究多集中于数值模拟领域，试验研究较为缺乏。
传统的结构抗爆试验大多为空旷场地上的自由场爆炸试验，试验所用爆炸物为凝聚相固体炸药，这与气体爆炸的物理化学过程有着显著的差别。也有学者现场浇筑一个封闭的建筑结构进行燃气爆炸试验研究，但该试验方案安全性差，成本较高、工期过长，一旦装置损坏难以进行循环使用。
发明内容
本发明提供一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置及试验方法，可以实现密闭条件下结构受气体或者粉尘爆炸的试验条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，包括嵌设在土层内的爆坑、试件、密封钢板、约束装置、气体输送装置、储粉盒、气体/粉尘浓度检测装置以及引爆装置，
在爆坑的开口端放置待试验的试件，试件固定在约束装置上，试件底面与爆坑空隙由可移动的密封钢板密封；
所述爆坑的坑壁包括两层，由内至外分别为防爆钢板层和防爆牺牲层，防爆钢板层、防爆牺牲层以及土层形成能量耗散体系；
气体输送装置通过气体管道与爆坑连通；
储粉盒以及气体/粉尘浓度检测装置均安装在爆坑内，储粉盒用于向爆坑内散布粉尘进行粉尘爆炸试验；气体/粉尘浓度检测装置，用于监测爆坑内气体或者粉尘的浓度；
引爆装置安装在爆坑内壁；
作为本发明的进一步优选，所述约束装置包括支座，支座焊接固定在爆坑开口端，且支座通过垂直插设的螺柱与试件连接；
作为本发明的进一步优选，在爆坑壁上开设进气口，气体管道的一端与进气口连通，气体管道的另一端与气体输送装置连通，且在气体管道靠近气体输送装置的另一端安装气阀；
在开设进气口的爆坑壁位置安装储粉盒；
作为本发明的进一步优选，在爆坑壁上开设换气口，换气口通过管道连接排气扇；
还包括气体/粉尘浓度调控终端，其与气阀、气体/粉尘浓度检测装置以及排气扇电联；
作为本发明的进一步优选，还包括远程引爆终端，其与引爆装置电联；
作为本发明的进一步优选，所述防爆钢板层的钢板接缝和防爆牺牲层各部分接缝采用焊接或环氧树脂粘接进行弱连接；
所述的防爆钢板层厚度≥2cm；
所述的防爆牺牲层采用泡沫铝制作；
作为本发明的进一步优选，所述密封钢板厚度≥5mm；
作为本发明的进一步优选，在密封钢板的四周贴设密封条；
在密封钢板底面与爆坑接触部分安装滑动装置，实现在爆坑开口处的滑动；
一种用于模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将试件固定在支座上，试件与支座间通过螺柱连接固定；
步骤S2：根据试件尺寸，移动密封钢板贴合试件，在密封钢板四周贴上密封条；
步骤S3：判断试验前提，若只需实现气体爆炸，根据设定的试验所需气体，气体/粉尘浓度调控终端控制气阀发送开启指令，气体输送装置通过气体管道向爆坑内输送气体，使得爆坑内气体浓度升高；若气体浓度过高，则气体/粉尘浓度调控终端向排气扇发送启动指令，将爆坑内气体浓度降低；直至爆坑内气体/粉尘浓度检测装置显示达到预设值；
步骤S4：远程引爆终端向引爆装置发送指令，爆坑内的气体或者粉尘或者气体粉尘起爆，记录力学性能变化数据，判断试件抗爆能力；
步骤S5：撕开密封条，打开密封钢板，控制气体/粉尘浓度调控终端向排气扇发送启动指令，将爆坑内残余气体/粉尘排空，随后从支座上拆下试件，完成本次试验。
作为本发明的进一步优选，若在步骤S3时判断试验前提需实现粉尘参与的爆炸试验情况，将储粉盒安置在进气口位置，储粉盒内放置试验预定粉末，气体/粉尘浓度调控终端控制气阀调整进气速率，使得气体带起粉末散布于爆坑，接着继续步骤S3中气体/粉尘浓度调控终端进行的气体/粉尘浓度调控步骤，直至气体/粉尘浓度检测装置显示达到预设值。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的试验装置在试验时，通过改变密封钢板相对爆坑的开合程度，可以实现不同尺寸不同类型构件的试验要求；
2、本发明提供的试验装置中，爆坑嵌设在土层内、钢板-防爆牺牲层-土层构成的能量耗散体系以及防爆钢板层和防爆牺牲层不同部分的弱连接，可以实现爆坑内部爆炸荷载的逐步耗散，一方面保证了试验的安全性和准确性，另一方面也保证了试验装置的重复使用性；
3、本发明提供的试验装置中，爆坑内的气体以及粉尘浓度，起爆装置均可实现远距离操控，进一步保证了试验的安全性；
4、本发明提供的试验装置中，爆坑的防爆牺牲层可以进行更换以及回填土方，实现试验装置的循环使用；
5、本发明提供的试验装置，零部件多数为规则几何体，制造加工成本较低，使用方法简单易懂。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的正视图；
图2是本发明提供的优选实施例的俯视图；
图3是本发明提供的优选实施例的侧视图。
图中：1为防爆钢板，2为防爆牺牲层，3为密封钢板，31为密封条，4为螺柱，5为试件，6为支座，7为气体管道，8为气体输送装置，9为气阀，10为进气口，11为储粉盒，12为引爆装置，13为远程引爆终端，14为气体/粉尘浓度检测装置，15为换气口，16为排气扇，17为气体/粉尘浓度调控终端。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如背景技术中指出的一般民用建筑在设计之初通常不会进行结构防爆设计，因此对于未知的风险并无预警能力，即使后期建造者们试图想要进行爆炸试验，但是制定的试验方案成本较高，且难以循环使用。
基于此本申请提供了一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，在解决试验成本较高的前提下，更加接近实际事故状况，还原真实爆炸状态。
本申请在试验之前做了充分调研以及预估，首先本申请基于的模拟状态应该是一个封闭结构，因为通常发生气体和粉尘爆炸事故的地方常常是在工业厂房或者居民公寓等相对密闭的条件下，因此本申请进行试验的空间为一个爆坑，由于在试验时，爆炸引起的能量爆发非常大，为了保证试验的安全性，将爆坑嵌设在土层内，本申请的一个重要创新点在于爆坑的坑壁包括两层，由内至外分别为防爆钢板1层和防爆牺牲层2，防爆钢板层、防爆牺牲层以及土层形成合理的能量耗散体系；爆坑内部爆炸荷载通过防爆钢板层、防爆牺牲层以及土层逐渐耗散，将爆炸集中于地下保证了试验的安全性。同时，防爆牺牲层可以更换以及回填土方，可以实现试验装置的循环利用。
在试验时，由于用于模拟民用建筑的试件5大小尺寸不同，因此在针对不同试件进行爆炸试验时，需要承受的荷载也应该是不同的，本申请为了解决这个问题，在爆坑的开口端放置待试验的试件5，试件固定在约束装置上，试件底面与爆坑空隙由可移动的密封钢板3密封；通过改变密封钢板相对爆坑的开合程度，匹配不同尺寸不同类型的试件试验要求。
图1-图3所示，本申请给出的试验装置还包括密封钢板、气体输送装置8、储粉盒11、气体/粉尘浓度检测装置14以及引爆装置12，气体输送装置通过气体管道7与爆坑连通，气体输送装置向爆坑内输入可燃气体或一定速度的空气；储粉盒以及气体/粉尘浓度检测装置均安装在爆坑内，储粉盒用于向爆坑内散布粉尘进行粉尘爆炸试验；气体/粉尘浓度检测装置，用于监测爆坑内气体或者粉尘的浓度；引爆装置安装在爆坑内壁，引爆引爆装置，实现气体或粉尘的爆炸试验。
试件在试验时由于爆炸冲击较大，因此需要对其做一个固定，本申请提供的优选实施例为约束装置，所述约束装置包括支座6，支座焊接固定在爆坑开口端，且支座通过垂直插设的螺柱4与试件连接。将约束装置用作试件的边界固定，结合密封钢板的开合程度，满足对不同类型试件试验需求的匹配。
在爆坑壁上开设进气口10，气体管道的一端与进气口连通，气体管道的另一端与气体输送装置连通，且在气体管道靠近气体输送装置的另一端安装气阀9，通过控制气阀的启闭，实现爆坑内可燃气体或者空气输送量的控制；在开设进气口的爆坑壁位置安装储粉盒，当爆坑内需要营造粉尘环境时，可结合进气口处的储粉盒向爆坑内散布粉尘。在爆坑壁上开设换气口15，换气口通过管道连接排气扇16，排气扇向换气口内施加风力，调节爆坑内气体/粉尘浓度；气阀、气体/粉尘浓度检测装置以及排气扇的启闭需要终端控制，因此还包括气体/粉尘浓度调控终端17，其与气阀、气体/粉尘浓度检测装置以及排气扇电联。
远程引爆终端13与引爆装置电联，用于实现引爆装置的远程控制。
在本申请中，所述防爆钢板层的钢板接缝和防爆牺牲层各部分接缝可采用焊接、环氧树脂粘接等弱连接形式，保证密闭性同时也便于爆炸时各部分间失效耗能；在这里还需要做一个阐述，一般的也可以将防爆钢板层以及防爆牺牲层采用一体成型的结构，但是一体成型的结构对爆坑的损伤较大，因此采用了拼接形式，不同部分的弱连接对爆坑损伤较小，可以重复利用爆坑。防爆钢板层厚度≥2cm；防爆牺牲层采用泡沫铝等缓冲吸能材料制作；密封钢板厚度≥5mm；同时在密封钢板的四周贴设密封条31，进一步保证爆坑的密封性，接近实际爆炸状况。
由于密封钢板需要相对爆坑进行开合程度控制，因此在密封钢板底面与爆坑接触部分安装滑动装置，实现在爆坑开口处的滑动。实现滑动的滑动装置很多，这里仅提一个作为参考，即采用滑槽与滑块的匹配模式。
最后提供一种用于模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将试件固定在支座上，试件与支座间通过螺柱连接固定；
步骤S2：根据试件尺寸，移动密封钢板贴合试件，在密封钢板四周贴上密封条；
步骤S3：判断试验前提，若只需实现气体爆炸，根据设定的试验所需气体，气体/粉尘浓度调控终端控制气阀发送开启指令，气体输送装置通过气体管道向爆坑内输送气体，使得爆坑内气体浓度升高；若气体浓度过高，则气体/粉尘浓度调控终端向排气扇发送启动指令，将爆坑内气体浓度降低；直至爆坑内气体/粉尘浓度检测装置显示达到预设值；
步骤S4：远程引爆终端向引爆装置发送指令，爆坑内的气体或者粉尘或者气体粉尘起爆，记录力学性能变化数据，判断试件抗爆能力；
步骤S5：撕开密封条，打开密封钢板，控制气体/粉尘浓度调控终端向排气扇发送启动指令，将爆坑内残余气体/粉尘排空，随后从支座上拆下试件，完成本次试验。
这里需要注明的是，若在步骤S3时判断试验前提需实现粉尘参与的爆炸试验情况，将储粉盒安置在进气口位置，储粉盒内放置试验预定粉末，气体/粉尘浓度调控终端控制气阀调整进气速率，使得气体带起粉末散布于爆坑，接着继续步骤S3中气体/粉尘浓度调控终端进行的气体/粉尘浓度调控步骤，直至气体/粉尘浓度检测装置显示达到预设值。
通过上述试验装置以及试验方法，以较低的制造成本实现密闭条件下结构受气体或粉尘爆炸的试验条件。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：包括嵌设在土层内的爆坑、试件（5）、密封钢板（3）、约束装置、气体输送装置（8）、储粉盒（11）、气体/粉尘浓度检测装置（14）以及引爆装置（12），
在爆坑的开口端放置待试验的试件（5），试件（5）固定在约束装置上，试件（5）底面与爆坑空隙由可移动的密封钢板（3）密封；
所述爆坑的坑壁包括两层，由内至外分别为防爆钢板（1）层和防爆牺牲层（2），防爆钢板（1）层、防爆牺牲层（2）以及土层形成能量耗散体系；
气体输送装置（8）通过气体管道（7）与爆坑连通；
储粉盒（11）以及气体/粉尘浓度检测装置（14）均安装在爆坑内，储粉盒（11）用于向爆坑内散布粉尘进行粉尘爆炸试验；气体/粉尘浓度检测装置（14），用于监测爆坑内气体或者粉尘的浓度；
引爆装置（12）安装在爆坑内壁；
所述约束装置包括支座（6），支座（6）焊接固定在爆坑开口端，且支座（6）通过垂直插设的螺柱（4）与试件（5）连接；
在爆坑的开口端放置待试验的试件，试件固定在约束装置上，试件底面与爆坑空隙由可移动的密封钢板密封；通过改变密封钢板相对爆坑的开合程度，匹配不同尺寸不同类型的试件试验要求。
2.根据权利要求1所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：在爆坑壁上开设进气口（10），气体管道（7）的一端与进气口（10）连通，气体管道（7）的另一端与气体输送装置（8）连通，且在气体管道（7）靠近气体输送装置（8）的另一端安装气阀（9）；
在开设进气口（10）的爆坑壁位置安装储粉盒（11）。
3.根据权利要求2所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：在爆坑壁上开设换气口（15），换气口（15）通过管道连接排气扇（16）；
还包括气体/粉尘浓度调控终端（17），其与气阀（9）、气体/粉尘浓度检测装置（14）以及排气扇（16）电联。
4.根据权利要求1所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：还包括远程引爆终端（13），其与引爆装置（12）电联。
5.根据权利要求1所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：所述防爆钢板（1）层的钢板接缝和防爆牺牲层（2）各部分接缝采用焊接或环氧树脂粘接进行弱连接；
所述的防爆钢板（1）层厚度≥2cm；
所述的防爆牺牲层（2）采用泡沫铝制作。
6.根据权利要求1所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：所述密封钢板（3）厚度≥5mm。
7.根据权利要求1所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置，其特征在于：在密封钢板（3）的四周贴设密封条（31）；
在密封钢板（3）底面与爆坑接触部分安装滑动装置，实现在爆坑开口处的滑动。
8.基于权利要求3或4或5或6或7所述一种用于模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：将试件（5）固定在支座（6）上，试件与支座间通过螺柱（4）连接固定；
步骤S2：根据试件（5）尺寸，移动密封钢板（3）贴合试件（5），在密封钢板四周贴上密封条（31）；
步骤S3：判断试验前提，若只需实现气体爆炸，根据设定的试验所需气体，气体/粉尘浓度调控终端（17）控制气阀（9）发送开启指令，气体输送装置（8）通过气体管道（7）向爆坑内输送气体，使得爆坑内气体浓度升高；若气体浓度过高，则气体/粉尘浓度调控终端（17）向排气扇（16）发送启动指令，将爆坑内气体浓度降低；直至爆坑内气体/粉尘浓度检测装置（14）显示达到预设值；
步骤S4：远程引爆终端（13）向引爆装置（12）发送指令，爆坑内的气体或者粉尘或者气体粉尘起爆，记录力学性能变化数据，判断试件（5）抗爆能力；
步骤S5：撕开密封条（31），打开密封钢板（3），控制气体/粉尘浓度调控终端（17）向排气扇（16）发送启动指令，将爆坑内残余气体/粉尘排空，随后从支座（6）上拆下试件（5），完成本次试验。
9.根据权利要求8所述的模拟结构受气体或粉尘爆炸的试验装置的试验方法，其特征在于：若在步骤S3时判断试验前提需实现粉尘参与的爆炸试验情况，将储粉盒（11）安置在进气口（10）位置，储粉盒（11）内放置试验预定粉末，气体/粉尘浓度调控终端（17）控制气阀（9）调整进气速率，使得气体带起粉末散布于爆坑，接着继续步骤S3中气体/粉尘浓度调控终端（17）进行的气体/粉尘浓度调控步骤，直至气体/粉尘浓度检测装置（14）显示达到预设值。
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2022
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