爆炸冲击波的简化计算方法概述.pdf

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第36卷第21期2010年7月山西建筑SHANXIARCHITE（11EVoI_36No21Ju1201069文章编号：

100968252010）21006902爆炸冲击波的简化计算方法概述冯海龙摘要：

根据结构内部发生爆炸时，结构物要承受冲击波和准静态气体压力的双重荷载作用，讨论结构内部爆炸荷载计算方法，并给出了结构内部爆炸荷载的计算公式，为建筑结构抗爆设计提供设计依据。

关键词：

爆炸冲击波，冲击波荷载，超压值中图分类号：

TU3114文献标识码：

A1概述爆炸属于物理化学变化过程，爆炸的主要特征表现为：

反应过程的放热性、反应过程的高速性和生成大量的气体产物。

由于炸药爆炸前是固体或液体物质，爆炸燃烧后却形成高温高压的气体，从而爆炸现象有其独特的状态方程，理论分析的准确性很大程度上决定于该状态方程的精确度。

并且由于爆炸时形成的高压气体向外扩散，与周围环境存在极大的压力差，形成传播面的强间断，与一般的流体力学又有很大差别。

爆炸问题的研究类型主要包括炸药（或爆炸）内部问题、炸药（或爆炸）外部问题和相互作用问题。

炸药（或爆炸）内部问题是研究在释放能量的物质（炸药）中发生的过程，通常把炸药的爆轰（爆炸）过程看作爆轰波的传播过程来进行研究，主要研究爆轰波面上的波速、质点速度、压力等物理量。

外部问题是研究炸药爆炸后在药包周围的介质（空气、水、土、金属等）中发生的过程，通常在炸药周围的介质中产生很高的压力波，该压力波以应力波（或空气冲击波）的形式在介质中传播，从而对介质造成影响和损坏。

相互作用问题分为两方面的内容：

一方面是研究炸药爆炸后形成的爆轰波与炸药周围介质（水、土、金属、空气）等之间的相互作用；另一方面是研究在介质中传播的应力波或空气冲击波与所遇到的物体之间的相互作用问题。

对于空气冲击波超压随距离的衰减、超压持续时间、冲量等物理量，许多研究人员根据试验数据，利用相似定律得出了许多不同的函数形式，但是由于各种函数的精确度和使用范围都有很大局限，所以实际应用时往往采用试验测出的图表来确定空气冲击波基本特性。

出辋鲻柑量图1爆炸冲击波超压随距离衰减2爆炸冲击波的简化计算爆炸瞬间，核心区域产生高温高压气体并迅速向周围膨胀，在空气中形成强烈的冲击波，称为爆炸波或爆轰波。

当冲击波从波源向外运行时，波阵面后的压力也下降，在某一距离处，波阵面后的压力下降到比周围的大气压力低，形成冲击波的负压区，该处的冲击波不是被挤开而是被吸入。

在负压区的尾部，压力又回升到与周围相同，通常最大负压约为一03x10Pa。

图1，图2为冲击波压力随距离和时间变化情况。

对于空间中某一固定点，由于阻尼等各种复杂原因，空气冲击波侧向超压值随时间很快衰减，典型的衰减曲线如图2所示。

P。

P正冲量I厂负冲量J正压作用负压作用时l司T时l回1图2爆炸冲击波超压随时间衰减图2中，P0为周围环境压力；在爆炸后时刻，这个地方的压力突然升到超压峰值尸，超过环境压力，然后压力又经历T衰减到P0，接着达到负压峰值P，最后又返回到P0。

超过周围大气压力的瞬间压力叫作超压，是最重要的空气冲击波效应之一；爆炸冲击波的主要破坏效应通常就是超压引起的。

对于空气冲击波超压来说，主要的物理参量为：

空气冲击波超压随距离和时间衰减关系、超压峰值P和正压作用时间T等。

冲击波超压随时间的衰减函数关系可以按Baker提出的指数型函数表示为：

P（t）=LXP（1一）eT。

其中，a为超压随时间t衰减系数。

正压冲量由正压力对时间的积分得到：

j+：

f盯。

P+dP+T+上一a（a-。

）

（1）Ya“uHenrychJ用实验的方法提出了无限域空气中炸药爆炸峰值压力经验计算公式：

P=14072Z1+0554Z一200357Z一3+0000625Z一（014Z03）。

Ap=0619Z一0033Z一+0213Z0（03Z1）；uP=0066Z十0405Z一+0329Z一0（14Z10）。

其中，Z为比例距离，Z，W为炸药的TNT当量，R为观测点距离爆炸中心距离，m。

美国根据试验结果绘出了爆炸冲击波各参数之间的关系曲线以供设计使用。

在实际工程应用中，为了简化计算，常将指数型的空气冲击波压力衰减曲线简化为线性下降三角形冲击波压力衰减曲线，如图3所示。

等效冲击波公式可以表示为：

P（t）=LkP（1一）

（2）收稿日期：

20100321作者简介：

冯海龙（1966一），男，工程师，唐山理工建设工程项目管理有限公司，河北唐山063000第36卷第21期702010年7月山西建筑SHANXIARCHITEC兀瓜IVl0136No21Ju12010文章编号：

100968252010）21007003石结构的抗震性能分析及减灾对策邱政和摘要：

研究了一些典型的石结构建筑，根据石结构的震害调查及抗震性能的分析结果，探讨了提高石结构抗震能力、减少其地震灾害的有关途径及相应对策，对合理地评估石结构震害程度、及时地制定抗震设计及加固对策具有一定指导意义。

关键词：

石结构，抗震性能，减灾对策中图分类号：

lJ363文献标识码：

A0引言石砌体结构是以天然花岗岩石材为基材，经人工加工后形成条形料石，以砌筑砂浆为粘结材料，由建筑工人按一定的组砌方式砌筑而成的结构。

由于灰缝的存在以及料石与砂浆之间物理力学性能的差异，所以石砌体结构貌似“网状结构”1。

石砌体结构是砌体结构的重要组成部分。

它以其独具一格的建筑特色而深受人们的喜爱，并在中外建筑史上拥有不可忽视的一席之地。

由于石材是古老的建筑材料，因而石结构具有悠久的历史。

早在5000年前，我国就已用石材建造石砌祭坛和石砌围墙；在公元前约3000年，埃及在吉萨采用块石建成三座宏伟的金字塔，工程十分浩大；在公元75年80年，罗马采用石结构建其中，P为等效冲击波侧向峰值超压；为等效冲击波作用时间。

图3爆炸空气冲击波荷载等效图在空气冲击波的等效线性化时，要保持最大峰值超压与实验数据一致，然后根据研究的类型，可以采用以下两种简化方法：

1）如果构件的最大响应发生在时程曲线的早期，则等效三角形脉冲的斜率正切于超压一时间曲线，求出一种保证压力的初始衰减（初始斜率）与实验数据一致的等效作用时间，如图3所示AP（f），该方法常用于有较长时间动荷载作用。

2）如果结构或构件的最大响应发生在超压已经衰减到零之后，则要保证压力的正冲量与实验数据一致，等效作用时间为，如图3所示P2（t），该方法常用于短时动荷载作用（脉冲荷载）。

在常用高级炸药的爆炸过程中，因为冲击波超压作用时间往往很短，一般仅数毫秒或数十毫秒，往往小于结构发生最大响应时间，且其升压成罗马大角斗场，至今仍供世界各国游人参观和欣赏。

在公元595年问-605年间，我国隋代李春建造的河北赵县安济桥（简称为赵州桥）|2J，是世界上最早建造的空腹式单孔圆孤石拱桥并保留至今。

在我国，广大的产石地区尤其是福建省，花岗岩自古以来就是当地的主要建筑材料，历代在开采花岗岩石材建筑各类石结构建筑中，积累了许多具有地方传统特色的料石加工工艺和砌筑施工技术。

1石砌体结构的主要特点1）就地取材、经济实惠。

石砌体的主要材料料石与砂浆，均为天然花岗石材料或经稍微加工即可取得。

显然取材方便、时间极短。

因此在结构计算时，可按等冲量原则将常规爆炸冲击波简化为无升压时间的线性下降三角形荷载，其中峰值超压P及等效作用时间，可按下列公式计算确定：

AP+=1316（）3+0369（）=4010一（ae）。

（4）当用计算机进行数值计算时，可以采用实际的指数型衰减曲线进行更为精确的分析。

3结语本文提供了结构内部爆炸冲击波的计算方法，根据爆炸波参数的计算方法计算爆炸波前参数，通过将爆炸冲击波荷载和准静态气体压力曲线简化成三角形来计算爆炸冲击波荷载，并计算出准确的叠加得到结构内部爆炸荷载。

参考文献：

1BulsonPSExplosiveLoadingofEngineeringStructuresMLondon：

E&FNSpon，19972熊建国爆炸动力学及其应用M北京：

科学出版社，19873张守中爆炸与冲击动力学M】北京：

兵器工业出版社，1993SimplecomputationalmethodofblastshockwavesFENGHai-longAbstract：

Wh即theexplosionisoccurredinstructure，thestructureshouldbebeartheshockwaveandthedualquasistaticgaspressureloadsThecalculationmethodofblastloadinthestructureisdiscussed，andthestructuralformulaoftheinternalblastloadingisgivenThedesignbasis,areprovidedforthestructuraldesignofblast-resistantKeywords：

blastshockWSVes，blastload，overpressure收稿日期：

20100329作者简介：

邱政和（1982），男，华侨大学土木工程学院结构工程专业硕士研究生，福建泉州362021