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防爆墙综述

发表时间：2021/5/10 来源：《建筑科技》2021年2月下作者：张晓聪

[导读] 爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内迅速释放或急骤转化的现象，爆炸冲击波、爆炸飞散物和火灾是对建筑物构成的主要危害。随着恐怖活动和工业问题的频繁发生，严重威胁着人民的生活生产，加强建筑物的抗爆性能成为土木工程研究的重要研究领域。

广州大学土木工程学院张晓聪 510006

摘要：爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内迅速释放或急骤转化的现象，爆炸冲击波、爆炸飞散物和火灾是对建筑物构成的主要危害。随着恐怖活动和工业问题的频繁发生，严重威胁着人民的生活生产，加强建筑物的抗爆性能成为土木工程研究的重要研究领域。当前大部分结构都是钢筋混凝土结构，因此开展钢筋混凝土的抗爆性能研究有着重要的意义，减小爆炸对建筑物造成的危害，保护国家财产和人民的生命安全，保障遭受恐怖爆炸袭击后的应急救援工作顺利实施。
        0引言
        对于民用建筑而言，爆炸发生存在不确定性，对发生爆炸后炸药炸弹的量级、炸药距离建筑物的方位无法估量，因此常规的民用建筑抵抗爆炸冲击波荷载非常困难，再者爆炸冲击波荷载比风荷载、地震荷载大很多，假如按照在爆炸冲击波荷载作用下建筑物中每个构件都不发生破坏进行设计的话，将会造成建筑材料的巨大浪费，这是很不经济的。而飞机、汽车撞击导致建筑倒塌或损害；爆炸冲击波作用导致建筑的倒塌或损害；爆炸后引发的火灾等次生灾害导致建筑的倒塌或损害；在撞击和爆炸冲击波作用下，混凝土、玻璃这些脆性材料因破裂而产生的抛片，将会对人体造成无法估计的损害，上述恐怖主义袭击造成的破坏均以动态形式发生，如果用准静态思维去设计难免会降低建筑物的抗爆炸能力
        1建筑结构抗爆设计原则
        建筑物的概念性抗爆炸设计有以下几个注意的方面:首先对于结构体系而言，应采用对结构有利的体系，采用延性好的结构，整个建筑结构必须有多余的抵抗能力，有好的防止结构连续性倒塌的能力，砌体结构应该采用配筋砌体结构，即便建筑物局部或部分发生破坏，但其它部分仍然能够维持，这就为人员的安全疏散争取了足够时间。爆炸冲击波荷载作用将会导致建筑物部分构件的应力反向，因此建筑物部分构件(梁、柱、板以及基础，节点)要考虑两个方向的外力作用，对钢筋混凝土结构应考虑其对称配筋；其次对于非结构性构件（比如门、窗、玻璃等）应该采用抗爆性能好的玻璃（如分层玻璃）以及抗震性能好的门窗框架，这样就可以减少爆炸发生后玻璃以及门窗产生的爆炸碎片。另外，应在建筑物的外围做好防护，做好对周围不明车辆的检查和监控，防止汽车炸弹爆炸的发生。
        2爆炸冲击波的传播规律研究
        穆朝民等采用试验的方法，主要对爆炸冲击波作用于防爆墙体的绕射以及反射规律进行了研究。通过对墙后不同位置处的压力变化得出了反射压力比绕射压力大一个数量级，对其马赫反射的发生位置进行了研究，同时对冲击波的时程曲线分析得出炸药药量以及比例爆距对防爆墙体抗爆性能影响。张千里等对钢筋混凝土墙体进行了研究，探讨了其在爆炸冲击荷载的作用下墙体的动态响应，得到了墙体前后不同位置处的压力变化。年鑫哲等对爆炸冲击波作用于柔性墙体的绕射以及反射进行了研究，通过分析超压变化得出了柔性墙体受到爆炸破坏的不同之处，为墙体的结构形式变化做出了尝试。赵凯对防爆挡墙抵挡爆炸冲击波进行了研究，其通过不同的挡墙尺寸分析了对爆炸冲击波的影响，并对比经验公式，对实际工程应用提供了参考。洪武等采用经验方法计算的方式对迎爆面的荷载进行了计算，研究了不同的墙体布置方式，影响迎爆面抵抗冲击波的墙体倾斜角度，研究表明，虽然墙后的压力变化区别不是很大，但是墙体受到的荷载方面具有不同的表现方式。宗瑞卿等介绍了一种新型护栏型防爆墙，在结构上进行了创新，将传统的墙面式防爆墙转变为护栏型。通过杆柱结构对冲击波进行干扰和相互影响以减弱冲击波的力量，对冲击波的作用进行了消减，同时改变了传统防爆墙体的表现形式。
        3防爆墙材料研究
        在防爆墙的研究过程中，随着各种新型材料的不断发展，防爆墙体的材料类型和结构类型也随着材料的变化而进步。

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虎龙等通过钢结构骨架的布设，利用弹道冲击试验为理论依据，对新型的芳纶材质防爆墙体进行了研究，得出了不同层次的芳纶层对防爆墙体抗爆性能的影响。王嘉冰对几种不同材料的防爆墙体进行了分析，对于不同爆炸情景，被爆炸建筑物，不同材料墙体下的应力、超压以及破坏状况进行了对比，得到其变化规律，对仓库，工厂等建筑物的抗爆设计提供相关研究基础。彭佳对复合柔性结构进行了研究，讨论了多种复合材料和混合液组成的便携式、可快速组装防爆墙体在抵抗消减爆炸冲击波方面的能力，同时对墙体抗爆炸碎片侵彻能力也进行了分析，得到其对墙后保护人员和建筑物的防护等级。
        4钢筋混凝土结构抗爆研究
        4.1钢筋混凝土结构抗爆国外研究现状
        墙体作为建筑外围护构件，对确保人们生命财产安全有着至关重要的作用。Dennis、Eamon等对爆炸荷载作用下的砌块墙体进行有限元数值模拟分析，与试验研究结果进行对比，提出砌块墙体避免脆性破坏的加固措施。Kratthammer和Lin等对爆炸荷载作用下易发生破坏的门窗和玻璃进行研究分析，对其破坏特点进行总结，并提出抗爆加固方法。Autrusson和Milcent等对内部遭受爆炸荷载冲击的烟囱墙体进行有限元模拟，分析其动力响应和破坏形态。Nash和Vallabhan等为了研究相邻空气中带外壳或未带外壳的炸药爆炸时对混凝土防爆墙的作用，建立数值模型，防止防爆墙的爆炸破坏。Varma和Tomar等进行砖石防爆墙的试验研究，对爆炸荷载作用下的墙体破坏形态进行分析。Fatt 和Ouyang等建立混凝土砖墙的单自由度模型，分析砖墙外层加入聚亚胺酯后墙体在远距离爆炸荷载作用下的动力响应。Makovicka对爆炸荷载作用下薄石墙进行研究，分析了墙体的动力反应特性。
        4.2钢筋混凝土结构抗爆国内研究现状
        国内外研究者对构件的抗爆性能开展一些研究，但是并不充分，所见报道还较少。方秦等为了研究钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态，提出一种基于 Timoshenko 梁理论的非线性分层梁有限元方法，并发现分析结构与现场试验结果相一致。东南大学卢康道和孙伟研究了钢纤维混凝土的抗爆性能，钢筋与钢纤维复合抗爆试件在爆炸过程中，综合发挥了钢纤维的增韧阻裂效应和钢筋的增强锚固效应，是理想的抗爆材料。石少卿对箱型钢板—钢筋混凝土组合结构和普通钢筋混凝土结构在爆炸荷载下的响应进行了数值分析。贺虎成对不同配筋率和不同加固层数的外贴碳纤维布钢筋混凝土模型进行了抗爆冲击波试验研究，分析了碳纤维布加固技术的抗爆性能及其影响因素。雷鸣使用通用非线性动力学数值计算程序 LS-DYNA和自编的多相流程序，计算了封闭空间中沙墙对爆炸冲击波的消波吸能作用。
        5总结
        炸药爆炸产生的爆炸冲击波会对建筑物和重要设备造成损坏，为防止破坏的发生在受害面建立的墙称为防爆墙，也称之为抗爆墙。防爆墙防爆墙具有很大的发展前景，可以阻止爆炸气体对建筑或者重要设备的冲击，可以降低爆炸冲击波在建筑物表面产生的压力，从而对建筑物进行保护，因此防爆墙在设计时应考虑满足爆炸荷载的承受力，将防爆墙设置在有足够阻挡效果的地方。防爆墙另一优点就是具有的抗火性，爆炸发生后结构容易发生火灾，防爆墙可以阻止火灾的蔓延，降低建筑物的损伤程度。
参考文献
[1]杨科之杨秀敏,董军等抗内爆炸结构的等效荷载设计法.工程力学增刊,2003
[2]陈俊,张青松.高层建筑玻璃幕墙的抗爆炸设计.山东建筑大学学报,2007,22(5):387-390
[3]洪武,范华林,徐迎,金丰年,夏志成.防爆墙迎爆面反射压力系数计算方法研究[J].振动与冲击,2012,31(19):109-112+117.
[4]张千里,张耀,年鑫哲.混凝土防爆墙对爆炸冲击波传播的影响[J].振动与冲击,2013,32(24):192-197.
[5]年鑫哲，张耀，孙传怀等.空气冲击波作用于柔性防爆墙的透射和绕射效应分析[J].工程力学.2015,32(03) 241-248