爆炸冲击波作用下管道穿墙板防护密闭性破坏研究.pdf

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1、第2 3 卷第 3 期 2 0 0 6年 9月 爆破 BLAS TI NG V0 1 2 3 No 3 S e p 2 0 0 6 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 7 X ( 2 0 0 6 ) 0 3 0 0 1 3 0 5 爆炸冲击波作用下管道穿墙板 防护 密 闭性破坏研究 都 的 箭 ， 杨 文 贵 ， 刘 志 杰 ( 1 空军工程设计研究局 ， 北京 1 0 0 0 6 8 ； 2 解放军理工大学- 1 - 程兵工程学院， 南京 2 1 0 0 0 7 ) 摘要： 爆炸冲击波作用下人防工程各种管道穿墙板构造部位防护密闭性是否受到破坏， 是一个值得深入 研究的问题。对爆炸冲击波作用

2、下穿墙板管道进行了受力分析与计算， 并对管道 穿墙板的构造部位进行了 爆炸冲击波模拟实验。试验结果表明人防工程在各抗力等级爆炸冲击波作用下， 管道穿墙板做法可采用刚 性防水套管做法替代刚性密闭套管做法， 且穿墙板管道直径可以达到 1 0 0 m m 以上， 同时， 试验结果与提 出 的模型计算结论是相一致的， 表明该模型的建立是合理的。 关键词： 人防工程； 爆炸冲击波； 穿墙板管道； 防护密闭性 中图分类号 ： T U 7 6 1 1 4 文献标识码： A Re s e a r c h o f t he De f e n d i n g Ob t u r a t i o n o f Pi p

3、e l i n e s t h r o ug h W a l l s a nd Fl o o r s u n d e r Ex p l o s i o n S ho c k W a v e s DU D e - j i a n ， Y A NG W e n g u i ， L I U Z h i - j i e ( 1 A i r F o r c e E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 6 8 ，C h i n a ； 2 E n g

4、i n e e r i n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g C o r p s - P L A U n i v o f S c i &T e c h， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d e s t r u c t i o n o f t h e d e f e n d i n g o b t u r a t i o n o f a l l k i n d s o f p i p e l i n e s t h r o u g h w a i

5、l s a n d fl o o r s i n c i v i l a i r d e f e n s e e n g i n e e rin g u n d e r e x p l o s i o n s h o c k w a v e s i s c u r r e n t l y f o c u s e d o n I n t h i s p a p e r ，t h e f o r c e s o n t h e p i p e l i n e s t h r o u g h wa l l s a n d fl o o m u n d e r e x p l o s i o n s

6、h o c k wa v e s i s a n aly z e d a n d c o mp u t e d，a n d t h e e x p e ri me n t o n s i mu l a - t i v e e x p l o s i o n s h o c k wa v e s h a s b e e n d o n e t o t e s t t h e d e f e n d i n g o b t u r a t i o n o f p i p e l i n e s t h r o u g h w a U s a n d fl o o r s T h e e x p e

7、 ri me n t al r e s u l t s s h o w t h a t t h e ri gi d i t y w a t e r p r o o f s l e e v e p i p e c a n s u b s t i t u t e f o r t h e ri gi d i t y s e al e d s l e e v e p i p e t o e n s u r e t h e d e f e n d i n g o b t u r a t i o n o f p i p e li n e s t h r o u g h w a l l s a n d fl

8、 o o r s u n d e r a l l s e ri e s o f c i v i l d e f e n s e p r e s s u r e o f e x p l o s i o n s h o c k w a v e s -a n d t h e d i a me t e r o f t h e p i p e l i n e s t h r o u g h wall s a n d fl o o m c a n b e mo r e t h a n 1 0 0 mm- f u r t h e r mo r e ，t h e e x p e rime n t a l r

9、e s u l t s a r e i n a g r e e me n t w i t h t h e mo d e l an aly t i c al r e s u l t s t h a t a r e e s t a b l i s h e d i n t h i s p a p e r - w h i c h s h o w t h a t i t i s l o gic a l fo r t h e t h i s mode l t o e s t i ma t e t h e d e f e n din g o b t u r a t i o n o f p i p e l i

10、 n e t h r o u g h w a l l s a n d fl o o r s un d e r e x p l o s i o n s h ock w a v e s Ke y wo r d s ： c i v i l a i r d e f e n s e e n gin e e ri n g ； e x p l o s i o n s h ock W a v e s ； p i p e l i n e s t h r o u g h w a l l s and fl o o rs； d e f e n d i n g o b t u r a t i 0 n 战时核、 常规武器

11、爆炸冲击波作用下， 人防工程 各种管线( 给排水管线、 通风管线及供电、 照明电缆线 套管等) 穿墙板( 临空墙、 楼板) 处为工程防护密闭较 收稿日 期： 2 0 0 6 0 3 0 8 作者简介： 都的箭( 1 9 7 6 一) ， 男； 北京： 空军工程设计研究局工程师 为薄弱的部位， 这些部位若防护密闭不当遭到破坏， 则会导致爆炸冲击波及各种放射性物质、 化学毒剂、 生物战剂进入工程 内部造成人员伤亡及设备损 坏 引。管道穿墙板工程做法有刚性防水套管做法和 刚性密闭套管做法 引。 防空地下室给排水设计 维普资讯 http:/ 1 4 爆破 2 0 0 6年9月 规定采用刚性密闭套管做法

12、， 其做法虽然安全但比较 复杂、 成本较高 J 。规范规定不合理原因主要是缺少 必要的理论依据和相关的实验验证， 对冲击波破坏程 度了解不够。对爆炸冲击波作用下管道穿墙板构造 部位进行了受力分析与计算， 并通过爆炸冲击波模拟 实验分析了刚性防水套管做法替代刚性密闭套管做 法在管道穿墙板工程中防护密闭的安全性。 1 管道穿墙板受力分析 1 1 管道与填料之间粘结作用 为达到防护密闭要求， 人防工程管道穿墙板的 工程做法是在管道与墙板之间的空隙采用填料填 塞。管道外表面与填料之间的粘结强度是抵抗冲击 波压力的关键。管道与填料之间的粘结作用类似于 光圆钢筋与混凝土之间的粘结作用 7。 ， 主要有 3

13、 部分组成： 填料中的胶体与管道外表面的化学胶结 力、 管道外表面与填料接触面上的摩擦阻力和由于 管道表面粗糙不平所产生的机械咬合力。另外填料 剪切粘结强度对管道与填料之间的粘结强度是有很 大影响的， 表 1 是几种常用填料的剪切粘结强度值。 管道穿混凝土墙板的粘结结构作用示意图如图1 所 示 。 表 1 几种常用填料的剪切粘结强度值 Ta b l e 1 T h e c u t f e l t i n g i n t e n s i o n f o r s o me s t u f fin g i n c o mmo n u s e 图1 管道穿混凝土墙板粘结结构示意图 F i g 1 T

14、h e f e l t i n g s t r u c t u r e s k e t c h ma p f o r p i p e l i n e s t h r o u g h c o n c r e t e w a l l s a n d fl o o r s 1 2 穿墙板管道受力分析模型 管道穿墙板的刚性防水套管做法及其力学分析 模型如图2所示。受力分析时假定 ： 1 ) 同一截面上 的钢管应力和混凝土应力分布均匀以及同一截面四 周的粘结应力分布均匀； 2 ) 受力过程中， 不考虑混 凝土和钢管变形的非线性和塑性性质。 根据上述穿墙板管道受力分析模型， 计算管道 穿墙板工程构造部位的

15、抗冲击波安全性可按下式计 算结果进行判别： SJR ( 1 ) 式中， S为荷载效应设计值； R为结构抗力设计值 ( 即管道与填料之间的粘结力) 。 荷载效应 S 按下式计算： S=y , S k ( 2 ) 式中， y 为荷载分项系数， 活荷载可取 1 4 ； S 为荷 载效应的标准值。若荷载 s 是冲击波超压作用在符 道穿墙构造处的压力， 则可参考 人民防空地下室 设计规范 公式 S=y P A ( 3 ) 式中， P为冲击波作用在管道穿墙板构造处的等效 静压； A为套管或穿墙管截面积， A= 1 T d 4 ， 其中d 为套管或穿墙管的外径。冲击波作用在管道穿墙板 构造处的等效静压 P可

16、按下式计算： P =K f K d P ( 4 ) 式中， 为冲击波超压反射系数， 可取 3 0 ； K d 为动 力系数， 可取 1 0 5 ； A P 为地面冲击波超压， 按不同 的防护工程抗力等级来取值。 P P 1 i l i l l l I l l l l I I t ， ，t - - 、 _ I 穿墙管 I t ， f ， 十 十 、 一 墙 板 混 凝 套 管 壁 注 ： P 为冲击波压力：r 为填料与钢套管界面的粘结力f r ， 为 填料与穿墙钢管界面间的粘结力：F 为穿墙板管挡圈 对混凝土 的推力 ( 可以不考虑 )； 为墙板厚度。 图2 穿墙板管道力学分析模型 F i g

17、2 T h e me c h a n i c a l ana l y s i s mo d e l f o r p i p e l i n e s t h r o u g h c o n c r e t e wa l l s and fl o o r s 维普资讯 http:/ 第 2 3 卷第3 期 都的箭等爆炸冲击波作用下管道穿墙板防护密闭性破坏研究 1 5 结构抗力 R按下式计算： R = s ( 5 ) 式中， 为钢管与填料间的粘结力； 为钢管与填料 的平均粘结强度， 按表 1 选取； s 为钢管与填料的粘 结面积， s = 4 ,r rd h 3 ( 粘结面积扣除了外墙或楼板中 间

18、1 3 厚度所填油麻部分) ， 其中d为套管内径或穿 墙管外径， 为外墙或楼板厚度。 1 3 管道穿墙板构造受力计算 采用图2所示的刚性防水套管受力分析模型， 可计算出不同管径在不同抗力等级下管道穿墙板刚 性防水套管构造部位所受到的冲击波压力如表 2 所 示， 套管或穿墙管与填料间的粘结力计算结果如表 3 所示。在计算中外墙或楼板厚度 h= 2 0 0 m m， 填 料采用石棉水泥填塞。 表 2 管道穿墙板构造处的冲击波压力值( ) T a b l e 2 T h e s h o c k w a v e s p r e s s u r e o n t h e s t r u c t ure o

19、 f p i p e l i n e s t h r o u g h c o n c r e t e wa l l s a n d f l o o r s ( N) 注： P 为相应抗力等级地面冲击波超压 ； 括号外数值为作用在穿墙管截面内的冲击波压力值； 括号内数 值为作用在套管截面内的冲击波压力。 表3 套管或穿墙板管与填料间的粘结力( ) T a b l e 3 T h e f e l t i n g i n t e n s i o n b e t w e e n t h e s t u ffin g a n d s l e e v e p i p e o r p i p e l i n

20、 e s t h r o u gh c o n c r e t e w a l l s a n d fl o o r s( ) 注： 括号外数值为穿墙管外侧与填料间的粘结力； 括号内数值为套管内侧与填料间的粘结力。 由表 2 和表 3计算结果可知， 套管或穿墙管与 填料问的粘结力比冲击波荷载要大的多， 因此钢管 与填料间构造部位不发生强度破坏， 可认为刚性防 水套管做法在人民防空工程各抗力等级的冲击波超 压作用下是能达到防护密闭作用的。 2 爆炸冲击波模拟实验 ( a ) 试件平面布置尺寸 图 ( a ) T h e p l a n e l a y o u t d i me n s i o n

21、 o f t h e e x p e r i me n t a l mo d e l 2 1 试件及做法 试验台板上均匀设置 D N S 0刚性防水套管做 法、 D N 1 0 0刚性防水套管做法和 D N 1 5 0刚性密闭做 法 3 个试件， 如图3所示。台板为钢筋混凝土板， 厚 度按 2 0 0 m m， 混凝土强度按 C 3 0 ， 根据荷载大小配 置钢筋。 ( b ) 浇 注 好 的 试 件 图 ( b ) T h e f u l l s c a l e e x p e r i me n t a l mo d e l 图3 试件图 F i g 3 T h e e x p e r i

22、me n t a l mo d e l 图3 ( a ) 中， d 1 5 9 为刚性防水套管d l 0 0 ； d 1 4 0为 刚性防水套管 d 8 0 ； d 2 1 9为刚性密闭套管 d 1 5 0 。 “ 刚性防水套管做法” 系指按国家建筑标准设计 防 水套管 刚性防水套管( A型) 安装 图( O 2 S 4 0 4 维普资讯 http:/ 1 6 爆破 2 0 0 6年9月 1 6 ) 做法； “ 刚性密闭做法” 系指按国家建筑标准设 计 防空地下室给排水设计 刚性密闭套管安装图 ( 0 4 F S 0 2 -1 6 ) 做法。 2 2 试验内容 1 ) 加载试验 压力峰值： P

23、= 0 3 6 M P a ； 升压时间： 1 0 m s； 正压作用时间： 1 5 0 ms ； 一 炮 ， 压力误差 5 。 ( a ) 试 件 上 部充 水 ( a ) T h e t o p o f t h e e x p e r i me n t a l mo d e l i s wa t e r l o g g e d 2 ) 防护密闭性试验 爆前、 爆后均作渗水试验； 渗水方法是在台板上 灌水 5 0 m m， 上部充水后搁置 2 4 h ， 观察套管及地漏 周围的渗水情况。 2 3 试验结果 1 ) 爆前渗水结果 从图4中可看出试件上部充满水， 但底部干燥， 无漏水痕迹， 说明

24、试件加工合格， 满足防水要求。 ( b ) 试 件 底 部无 渗 透水 ( b ) No o s mo t i c wa t e r i n t h e b o t t o m o f t h e e x p e r i me n t a l mo d e l 图4 爆前防护密闭性试验 F i g 4 T h e d e f e n d i n g o b t u r a t i o n e x a mi n a t i o n b e f o r e e x p l o s i o n 2 ) 抗爆及爆后渗水结果 引爆后根据传感器采集的数据作出冲击波压力 随时间的变化曲线如图5 所示， 从图

25、5中可以看出， 作用在试件表面的冲击波升压时间为 8 2 m s ， 超压 作用时间为 1 5 3 m s ， 实际作用在试件表面的最大超 压为 0 4 1 MP a 。 图5 爆炸冲击波波形曲线图 F i g 5 T h e e x p l o s i o n s h o c k w a v e s g r a p h 抗爆后的试件破坏状况如图6 所示 ， 从图6中 可以看出， 管道穿墙构造部位均完好， 无任何破坏现 象， 渗水试验也合格。将试验中试件表面的最大超 压为0 4 1 M P a代人建立的模型公式 ( 1 )一 式( 5 ) 中， 可计算得出管道穿墙板的刚性防水套管做法是 能达到

26、防护密闭作用的结论， 本次试验结果验证了 上述模型的计算结果， 表明建立的爆炸冲击波作用 下穿墙板管道受力分析与计算模型是合理的， 可为 不同爆炸冲击波超压下管道穿墙板设计、 施工及加 固措施提供理论依据。 3 结 论 a 试验表明管道穿墙板做法中的刚性防水套管 做法与刚性密闭套管做法在人防工程 4 6级抗力 6 5 4 3 2 l 0 l 0 0 0 0 0 0 0 日 亩 维普资讯 http:/ 第 2 3 卷第 3 期 都的箭等爆炸冲击波作用下管道穿墙板防护密闭性破坏研究 1 7 ( a ) 爆后试件无破坏 ( 上部 已灌水 ) ( b ) 试件底 部无渗透水 ( a ) No b r

27、e a k a g e f o r t h e e x p e r i me n t a l mo d e l a f t e r e x p l o s i o n ( b ) No o s mo t i c wa t e r i n t h e b o t t o m o f ( T h e t o p o f t h e e x p e r i me n t a l mo d e l i s wa t e r l o g g e d)t h e e x p e r i me n t a l mo d e l 图6 爆后试件图 F i g 6 T h e e x p e ri me n t

28、 a l mo d e l a f t e r e x p l o s i o n 等级爆炸冲击波作用下是安全的。刚性密闭套管做 法虽然偏于安全， 但相对刚性防水套管做法而言， 制 作过程较繁琐， 浪费材料和人工 ， 因此可用刚性防水 套管做法替代。 b 人防规范中规定穿墙板管道的公称直径不得 大于7 5 m m， 试验表明D N 1 0 0刚性防水套管做法可 以抵抗0 4 1 M P a 的超压， 完好无损， 说明人防工程 穿墙板管道直径可以达到 1 0 0 m m以上。 c 建立的管道穿墙板构造受力分析模型计算结 果表明， 刚性防水套管的粘结力比冲击波压力值要 大得多， 理论分析显示此种工

29、程做法是安全的， 试验 结果也验证了该计算结果是可信的。 参考文献 1 刘倩 浅谈我国城市人防工程建设的发展趋势 J 城市 ， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 2 8 - 2 9 2 吴政宏， 王胜利。 高技术条件下人民防空 M 北京 ： 军事科学出版社， 2 0 0 0 。 3 杨文贵 人防工程管道防护研究 D 南京： 中国人 民 解放军理工大学， 2 0 0 5 4 中国建筑标准设计研究院 防水套管( 0 2 S 4 0 4 ) S 2O O2 1 5 l 7 5 国家人民防空办公室 人民防空工程大样图集 给水 排水工程 ( 2 o o 2 R s G O 3 o 4 ) 【 s 6

30、中国建筑标准设计研究院 防空地下室给排水设计 ( F S o 1 2 ) S 2 0 0 4 3 4 - 7 7 7 李红 型钢与混凝土粘结性能的试验研究 D 西 安： 西安建筑科技大学 ， 1 9 9 5 8 郑山锁 型钢混凝土粘结滑移力学性能研究及基本问 题 J 力学进展， 2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 2 1 - 2 4 9 B r y s o n J 0 M a t h e y R G S u rf a c e C o n d i t i o n D e f e c t o n B o n d S t r e n g t h o f S t e e l B e a m s i n

31、 C o n c r e t e J ， J o f A C I ， 2 0 0 3 ， 5 9 ( 3 ) ： 3 9 7 - 4 0 6 1 0 V i r d i K S ， D o w l i n g P J B o n d S t r e n g t h i n C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e s A A B S E P r o c e e d i n g P - 3 3 8 0 c 1 2 5 1 3 9 1 1 T o m i i M， Y o s h i m u r a K ， M o fi s t a Y A M e

32、 t h o d o f I m p r o - v i n g B o n d S t r e n gth i n B e t we e n S t e e l a n d C o n c r e t e C o r e Ca s t i n S q u a r e a n d Oc t a g o n a l S t e e l T u b u l a r C o l u mn s J T r a n s a c t i o n s o f J a p a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 8 0 ， ( 2 ) ： 3 2 7 - 3 3

33、 4 1 2 国家人 民防空 办公室 人民防空地下室设计规范 S 2 0 0 3 。 i 专利介绍( 一) 笺 专利名称： 末敏弹 药和 飞行器 用的 气 动十 字旋 翼和 环形 尾 翼 申 请人： 姜淑 君 蔓 专利申请号： 0 3 1 0 3 9 9 3 6 公开号： C N 1 5 2 3 3 1 8 申请E 1 ： 2 0 0 3 0 2 1 9 公开 E 1 ： 2 0 0 4 0 8 2 5 一 种用于现代武器系统的末敏弹药、 炸弹、 炮弹和飞行器的气动十字旋翼和环形尾翼是在弹体或 机体上设有环形可滚转的安装架， 增距小型火箭发动机和尾锥部加尾锥装整流尾锥罩， 内置 自动控制 装置。 是一种结构简单空气动力特性良 好的增距末敏弹药和飞行器的有效升力装置。 2 。 ： ； ； 仝： 仓： 仝0 舍： 含! 仓： 仝： 全： 仝： 仝： 仝! ： ! 仝： 仝! 含： 仝! ! ! 舍： ： ： 含! 仝! 仝： 仝： ! 仝! 仝! 仝! 仝! 舍! 仝： ! ! 全! ， 维普资讯 http:/