用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法

摘要

本发明公开了一种用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法，将废旧爆炸物置于特定的爆炸销毁装置中，所述特定的爆炸销毁装置包括设置在地基结构(5)上的主体结构(1)，主体结构(1)和地基结构(5)均采用钢筋混凝土制成，所述主体结构(1)内部的地基结构(5)上设置有沙土防护层(6)，主体结构(1)的内壁设置有内衬结构(7)。本发明通过结构设计可有效吸收并消减爆炸物产生的冲击波，控制破片的破坏效应，防止爆炸碎片飞出，并通过更换内衬来延长设施的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于排爆领域，尤其涉及一种废旧爆炸物爆炸销毁装置的结构设计方法。

背景技术

在废旧爆炸物爆炸销毁工作中，由于炸药在销毁设施内地面上爆炸，会对整个结构设施造成破坏荷载。作用在空气方向的部分会以爆炸冲击波和爆炸产物的形式对周围的目标进行破坏，作用在地面方向的部分会以地震波的形式进行能量传播和破坏作用。这两种破坏荷载对整个设施的结构有主要的破坏作用，所以如何减弱冲击波地震波和去、卸去爆炸产物以保证设施安全是结构设施的重点所在。同时爆炸产物的作用会使装药壳体和周围的砂石以很高的初速向四周飞射，对设施的内壁进行破坏，故对销毁设备的设计提出了较高的要求。同时飞石的破坏半径很大，在开辟卸载冲击波的开口时，要避免飞石飞出设施，对周围进行破坏，也是设施实施的关键。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种废旧爆炸物爆炸销毁装置的结构设计方法，在安全防护的同时可有效吸收并消减爆炸物产生的冲击波，控制破片的破坏效应，防止爆炸碎片飞出，延长设施的使用寿命。

本发明的技术方案如下：

用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法，其特征在于，将废旧爆炸物置于特定的爆炸销毁装置中，所述特定的爆炸销毁装置包括设置在地基结构上的主体结构，主体结构和地基结构均采用钢筋混凝土制成，所述主体结构内部的地基结构上设置有沙土防护层，主体结构的内壁设置有内衬结构。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，主体结构参数按照公式设计，其中r为主体结构墙体与爆炸物之间的安全距离A_h、E_h、f_cd、ρ_h分别是钢筋混凝土混凝土的全部纵向截面积、弹性系数、轴心抗压强度设计值、密度；A_s、E_s、f'_sd、ρ_s分别是钢筋全部纵向截面积、弹性系数、纵向钢筋抗压强度值、密度；为结构轴心受压稳定系数；C为装药质量；B为炸药相关系数，对于TNT来说B＝250；ρ为结构材料的密度，σ为结构材料强度极限，h为结构厚度。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，沙土防护层参数按照设计，其中K_α为介质材料的压缩系数，C为装药质量，r_α为沙土防护层与爆炸物爆心的最小距离。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，沙土防护层为双层介质，其参数按照设计，其中e为炸药爆心距地面高度，h₁、K_z1分别为第一层介质厚度和震塌系数；h₂、K_z2分别第二层介质厚度、震塌系数。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，内衬结构为钢板，内衬结构的厚度根据废旧爆炸物爆炸后形成尺度分布概率最大的碎片对内衬结构的侵彻深度计算而得；其中碎片对内衬结构的侵彻速度为破片的初速度，β为装药量C与金属壳体质量M的比值，D为炸药爆速，m_f为破片质量、S为迎风面积、C_D为气动阻力系数，ρ为空气密度，x为破片距离爆心的位置。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，计算中取碎片尺度为长10mm、宽10mm、高10mm，采用有限元的方法，计算得到碎片对内衬结构的侵彻深度。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，内衬结构为可拆卸更换的12mm厚的钢板。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，主体结构包括球冠结构的顶墙和圆柱面结构的侧墙，侧墙上设置有若干进出入口，正对进出入口的位置处设置有外防护墙。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中顶墙上设置有若干排气孔。

上述用于废旧爆炸物爆炸销毁的安全防护方法中，排气孔的轴线方向与排气孔与顶墙曲率中心的连线方向呈倾斜夹角。

本发明的有益效果是：

(1)本发明首先根据销毁炸药装置的炸药当量计算得到了销毁设施的主要参数，并由此设计了销毁设施的结构；接着根据爆炸对地基的直接冲击破坏确定了采用沙土防护层进行防护的方案，并确定了沙土防护层的厚度及其距离爆心的位置，最后根据爆炸作用中空气冲击波的特点，设计了设施的内衬结构，从而实现了爆炸销毁过程中的安全防护。

(2)本发明主体结构设计为两个部分，顶墙为曲面的钢筋混凝土顶盖，可以保证均匀承受负载，侧墙结构设计为圆柱面，可以稳定的支撑上部结构，并且承载整个设施受到的作用。

(3)主体结构内壁上装上内衬部分，可以保护内壁不受破坏，确保承载整个设施，并且内衬可以及时进行更换，可以保证设施的使用寿命。

(4)地基结构上层设置沙土防护层，沙土颗粒之间有一定的空隙，可以吸收一定的冲击波能量，同时增加爆炸中心与钢筋混凝土结构的距离，能够保证混凝土地基的结构安全。

(5)本发明的排气孔的方向与爆炸产物的方向成一定的夹角，所以当爆炸产物推动气体运动到排气孔时，气体由于其流体特性可以转向，经过排气孔排除，而飞石会碰在孔壁上反弹回设施内，防止破片飞出造成破坏。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本发明的主体结构截面示意图；

图3是常见排气孔结构示意图；

图4是本发明的排气孔结构示意图；

图5是本发明内衬结构设置示意图。

附图中，1-主体结构；2-排气孔；3-外防护墙；4-进出入口；5-地基结构；6-沙土防护层；7-内衬结构；11-顶墙；12-侧墙。

具体实施方式

1、根据爆炸冲击波对设施结构设计和参数选取：

当装药在空气中爆炸时，由于爆炸产物的巨大压力，爆炸产物迅速向外膨胀。膨胀着的爆炸产物就如同一个加速推进的活塞一样压缩周围的空气。由于爆炸产物最初以极高的速度压缩周围的空气介质，使其压力、密度和温度突跃升高，形成了压力很高的初始冲击波(约为10⁸帕的数量级)。随着爆炸产物的不断膨胀，便有沿着爆炸产物向内传播的稀疏波。当稀疏波阵面传播到爆心时，爆心处的压力便开始下降。

对于不同距离，目标所承受的作用也不同。在距离爆心最近的距离内，目标所承受的主要是爆炸产物的作用：在装药与目标相距的距离小于(10～20)r0时，其中r0为装药半径，目标受到爆炸产物和冲击波的共同作用；而相距更远时，目标只受到空气冲击波的破坏作用。

众所周知，装药在空中爆炸时，冲击波和爆炸产物会以球面的形式逐渐向外扩大传播，所以球型的建筑能够均匀的承载爆炸冲击波的作用，但是如果整个设施设计成半球形，从材料力学上分析整个设施受到的弯矩会很大，稳定性难以保证。所以将设施地面上的部分设计为两个分块，顶部为曲面的钢筋混凝土顶盖，可以保证均匀承受负载。下部结构设计为圆柱形，可以稳定的支撑上部结构，并且承载整个设施受到的作用。

各种目标在爆炸冲击波作用下的破坏是一个极为复杂的问题，它不仅与装药的药量大小C、装药的形状有关；也取决于装药与目标的相对位置、距离r；而且与目标的形状、结构、材料的物理力学性能因素有关。对于装药量C的TNT炸药爆炸对厚度h、密度ρ、弹性模量E和强度极限为σ的钢筋混凝土的安全距离计算公式为：

$r=\sqrt{\frac{250C}{\sigma h}}\sqrt[4]{\frac{3E}{\rho }}$

所采取的钢筋混凝土混凝土的全部纵向截面积为A_h，弹性系数E_h、轴心抗压强度设计值f_cd、密度ρ_h；h为结构厚度；钢筋全部纵向截面积为A_s、弹性系数E_s、纵向钢筋抗压强度值f'_sd、密度ρ_s；结构轴心受压稳定系数钢筋配比率则整个钢筋混凝土的材料的弹性模量E、强度极限σ和密度ρ的计算公式如下：

$E=E_h\times \frac{A_h}{A_h+A_s}+E_s\times \frac{A_s}{A_h+A_s}$

$\rho ={\rho }_h\times \frac{A_h}{A_h+A_s}+{\rho }_s\times \frac{A_s}{A_h+A_s}$

查阅材料参数表格数据，根据公式可以计算出销毁20kgTNT当药量的废旧弹药保证设施内径小于5m时的材料参数(为确保安全的前提，将参数选择尽量扩大)。

参照图1和图2所示，本发明的废旧爆炸物爆炸销毁装置包括设置在地基结构5上的主体结构1和外防护墙3，主体结构1包括曲面结构的顶墙11和圆柱面结构的侧墙12，其中顶墙11采用球冠结构为最优选，侧墙12上设置有若干进出入口4，外防护墙3设置在主体结构1的外部正对进出入口4的位置处。为保证爆炸冲击波对设施不会造成破坏作用，设施主体下部结构的内径必须大于5m，墙壁材料为厚度80cmC80强度级别钢筋混凝土配比3％的HRB400或RRB400(KL400)钢筋，上部钢筋混凝土盖的厚度为50cm，材料与上述相同，并在顶墙11上设置有若干排气孔2，用于进行爆炸产物的卸载。

设施地面上的部分主体结构1设计为两个分块，顶墙11为曲面的钢筋混凝土顶盖，可以保证均匀承受负载。侧墙12结构设计为圆柱形，可以稳定的支撑上部结构，并且承载整个设施受到的作用。进出入口4设置在主体结构1的侧墙12上，外防护墙3设置在主体结构1的外部，外防护墙3与进出入口4对应设置，沙土防护层6设置在地基结构5上层。

爆炸产物会以高速推动周围的气体向四周运动，如果是密闭的设施，直接承受所有的荷载作用受到的破坏会很强，所以必须要有排气孔减弱爆炸产物的作用。传统的排气孔与爆炸产物的飞出方向一致，排气孔可以让爆炸产物顺孔向排出，但是爆炸产生的破片跟飞石都会从排气孔飞出，与安全设计的原理相悖。

如图3和图4所示，本发明中顶墙11上设置有排气孔2，排气孔2偏向设置，排气孔2的方向与爆炸产物的方向成一定的夹角，也就是说排气孔2的轴线方向与排气孔2与顶墙11曲率中心的连线方向呈倾斜夹角。当爆炸产物推动气体运动到排气孔2时，气体由于其流体特性可以转向，经过排气孔2排除，而飞石会碰在孔壁上反弹回设施内，防止破片飞出造成破坏。而图3中常规排气孔结构则容易造成爆炸物碎片飞出装置，造成安全隐患。排气孔的尺寸为半径为40cm～60cm，具体大小与距离爆心的距离有关，以保证破片从爆心以任何方向射出都会被顶盖挡住。

为了正常进出入设施内部展开作业，根据所搬运的器材设施和被销毁物品大小，设计的门框为高2.5m宽2m的拱形门，同时为了卸载传向下部结构的爆炸冲击波，打开了4个门框。同时了设计外防护墙，防止从门框飞出的破片对外造成损伤。设计的外防护墙高4m，宽5m厚度为50cm的钢筋混凝土，材料与主体结构相同。外防护墙的内壁距离主体结构的外壁1.5m。

2、防护爆炸对地基的直接冲击破坏进行结构和尺寸设计

如图1和图2所示，地基结构5采用大体积设计以保证承载的稳定性，同时可保证地震波对混凝土地基的荷载作用是比较均匀的。由于爆炸冲击对地下结构的直接作用很强，爆炸中心最初产生的冲击波能达到10¹⁰帕级别，故普通材料也不能直接承受爆炸冲击的直接作用。本发明在主体结构1内部的地基结构5上设置有沙土防护层6，沙土防护层6为中心较厚周边较薄的饼状结构。沙土颗粒之间有一定的空隙，可以吸收一定的冲击波能量，同时增加爆炸中心与钢筋混凝土结构的距离，能够保证混凝土地基的结构安全。沙土防护层的厚度能够保证地基结构不会直接被破坏，炸药在固体介质中爆炸，爆炸产物的直接作用会对周围压缩半径r_α区域的介质进行直接破坏。对于不同介质的压缩系数K_α和装药量C的压缩半径计算公式为：

$r_{\alpha }=K_{\alpha }\sqrt[3]{C}$

根据所选的沙土设计厚度距爆心最小的距离不小于66cm。钢筋混凝土结构的厚度是保证整个设施的在爆炸下稳定性的，

震塌半径r_z即构件内表面不震塌的临界厚度值，对于震塌系数为K_z的单层介质材料，震塌半径为：

$r_z=K_z\sqrt[3]{C}$

对于第一层介质厚度h₁、震塌系数K_z1；第二层介质厚度h₂、震塌系数K_z2；炸药爆心距地面高度为e的双层结构，震塌半径为

$r_z={\mathrm{mK}}_z\sqrt[3]{C}=e+h_1\frac{K_{z2}}{K_{z1}}+h_2$

第一层厚度选择介质的压缩半径，设计第二层最小厚度不小于54cm。

3、对于爆炸飞石破坏机理的结构与材料设计

在爆炸过程中，爆炸破片是在装药爆炸产生爆轰产物作用下，壳体膨胀、断裂破碎而成。破片的大小不均匀，形状被规则，在空气中飞行时速度衰减很快。飞石、破片在爆轰产物的作用下在空气中向四周飞散，撞击销毁设施的内壁，长期如此会造成设施内壁混凝土碎裂、脱落，破坏设施承载的结构稳定。为了控制破片的破坏效应，如图5所示，本发明设施内壁上装上内衬部分，可以保护内壁不受破坏，确保承载整个设施，并且内衬可以及时进行更换，可以保证设施的使用寿命。

此外选取具有弹性的内衬材料除了可以防止破片、飞石的破坏，还具有削减冲击波的作用。这是因为对于一般炸药爆炸，当目标距离装药有一定距离时，起爆炸作用主要应考虑空气冲击波的作用。描述空气冲击波的参数有三个：峰值超压、正压作用时间和冲量。冲击波峰值超压表示冲击波瞬间作用的量，而冲量表示在正压作用时间范围内超压的持续作用量。

钢材料具有良好的塑性，冲击波传播到内衬上式，能量会一部份传递到钢材料上被吸收后使得钢材料发生弹性形变或塑性形变，冲击波也会被削弱一部份，同时也保护了设施的内壁。

破片的形成与销毁目标的结构有关。装药量C与金属壳体质量M的比值为β，炸药爆速为D的销毁目标的破片初速为：

$v_0=\frac{D}{2}\sqrt{\frac{\beta }{2+\beta }}$

质量m_f、迎风面积S、气动阻力系数C_D的破片在密度ρ的空气中距离爆心x的位置速度衰减为：

$v_x=v_o{e}^{-\frac{C_D\rho S}{2m_f}x}$

以废旧爆炸物爆炸后形成尺度分布概率最大的碎片为例，取v_x为侵彻速度，采用有限元分析的方法，计算碎片对内衬结构的侵彻深度，从而得到内衬结构的厚度。

实际中取碎片的长取10mm、宽取10mm、高取10mm，内衬材料为钢板，根据上面速度衰减公式计算得到v_x＝1640m/s，即为侵彻速度，采用ANSYS计算得到厚度为8mm钢板被侵彻穿透；厚度为10mm的钢板被侵彻穿透的同时，破片的动能也基本消耗殆尽；厚度为12mm的钢板在受到破片的侵彻时并没有被穿透，故设计的内衬结构为12mm厚的钢板可以完全防护后面的钢筋混凝土材料。内衬结构一方面可以保护内壁不受破坏，确保承载整个设施，另一方面内衬可以及时进行更换，延长设施的使用寿命。