本發(fā)明屬于排爆領(lǐng)域，尤其涉及一種廢舊爆炸物爆炸銷毀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在廢舊爆炸物爆炸銷毀工作中，由于炸藥在銷毀設(shè)施內(nèi)地面上爆炸，會對整個結(jié)構(gòu)設(shè)施造成破壞荷載。作用在空氣方向的部分會以爆炸沖擊波和爆炸產(chǎn)物的形式對周圍的目標(biāo)進(jìn)行破壞，作用在地面方向的部分會以地震波的形式進(jìn)行能量傳播和破壞作用。這兩種破壞荷載對整個設(shè)施的結(jié)構(gòu)有主要的破壞作用，所以如何減弱沖擊波地震波和去、卸去爆炸產(chǎn)物以保證設(shè)施安全是結(jié)構(gòu)設(shè)施的重點所在。同時爆炸產(chǎn)物的作用會使裝藥殼體和周圍的砂石以很高的初速向四周飛射，對設(shè)施的內(nèi)壁進(jìn)行破壞，故對銷毀設(shè)備的設(shè)計提出了較高的要求。同時飛石的破壞半徑很大，在開辟卸載沖擊波的開口時，要避免飛石飛出設(shè)施，對周圍進(jìn)行破壞，也是設(shè)施實施的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種廢舊爆炸物爆炸銷毀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在安全防護(hù)的同時可有效吸收并消減爆炸物產(chǎn)生的沖擊波，控制破片的破壞效應(yīng)，防止爆炸碎片飛出，延長設(shè)施的使用壽命。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法，其特征在于，將廢舊爆炸物置于特定的爆炸銷毀裝置中，所述特定的爆炸銷毀裝置包括設(shè)置在地基結(jié)構(gòu)上的主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土制成，所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的地基結(jié)構(gòu)上設(shè)置有沙土防護(hù)層，主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁設(shè)置有內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，主體結(jié)構(gòu)參數(shù)按照公式設(shè)計，其中r為主體結(jié)構(gòu)墻體與爆炸物之間的安全距離A_h、E_h、f_cd、ρ_h分別是鋼筋混凝土混凝土的全部縱向截面積、彈性系數(shù)、軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值、密度；A_s、E_s、f'_sd、ρ_s分別是鋼筋全部縱向截面積、彈性系數(shù)、縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度值、密度；為結(jié)構(gòu)軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)；C為裝藥質(zhì)量；B為炸藥相關(guān)系數(shù)，對于TNT來說B＝250；ρ為結(jié)構(gòu)材料的密度，σ為結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度極限，h為結(jié)構(gòu)厚度。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，沙土防護(hù)層參數(shù)按照設(shè)計，其中K_α為介質(zhì)材料的壓縮系數(shù)，C為裝藥質(zhì)量，r_α為沙土防護(hù)層與爆炸物爆心的最小距離。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，沙土防護(hù)層為雙層介質(zhì)，其參數(shù)按照設(shè)計，其中e為炸藥爆心距地面高度，h₁、K_z1分別為第一層介質(zhì)厚度和震塌系數(shù)；h₂、K_z2分別第二層介質(zhì)厚度、震塌系數(shù)。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)為鋼板，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的厚度根據(jù)廢舊爆炸物爆炸后形成尺度分布概率最大的碎片對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的侵徹深度計算而得；其中碎片對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的侵徹速度為破片的初速度，β為裝藥量C與金屬殼體質(zhì)量M的比值，D為炸藥爆速，m_f為破片質(zhì)量、S為迎風(fēng)面積、C_D為氣動阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，x為破片距離爆心的位置。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，計算中取碎片尺度為長10mm、寬10mm、高10mm，采用有限元的方法，計算得到碎片對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的侵徹深度。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)為可拆卸更換的12mm厚的鋼板。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，主體結(jié)構(gòu)包括球冠結(jié)構(gòu)的頂墻和圓柱面結(jié)構(gòu)的側(cè)墻，側(cè)墻上設(shè)置有若干進(jìn)出入口，正對進(jìn)出入口的位置處設(shè)置有外防護(hù)墻。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中頂墻上設(shè)置有若干排氣孔。

上述用于廢舊爆炸物爆炸銷毀的安全防護(hù)方法中，排氣孔的軸線方向與排氣孔與頂墻曲率中心的連線方向呈傾斜夾角。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明首先根據(jù)銷毀炸藥裝置的炸藥當(dāng)量計算得到了銷毀設(shè)施的主要參數(shù)，并由此設(shè)計了銷毀設(shè)施的結(jié)構(gòu)；接著根據(jù)爆炸對地基的直接沖擊破壞確定了采用沙土防護(hù)層進(jìn)行防護(hù)的方案，并確定了沙土防護(hù)層的厚度及其距離爆心的位置，最后根據(jù)爆炸作用中空氣沖擊波的特點，設(shè)計了設(shè)施的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了爆炸銷毀過程中的安全防護(hù)。

(2)本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩個部分，頂墻為曲面的鋼筋混凝土頂蓋，可以保證均勻承受負(fù)載，側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱面，可以穩(wěn)定的支撐上部結(jié)構(gòu)，并且承載整個設(shè)施受到的作用。

(3)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上裝上內(nèi)襯部分，可以保護(hù)內(nèi)壁不受破壞，確保承載整個設(shè)施，并且內(nèi)襯可以及時進(jìn)行更換，可以保證設(shè)施的使用壽命。

(4)地基結(jié)構(gòu)上層設(shè)置沙土防護(hù)層，沙土顆粒之間有一定的空隙，可以吸收一定的沖擊波能量，同時增加爆炸中心與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的距離，能夠保證混凝土地基的結(jié)構(gòu)安全。

(5)本發(fā)明的排氣孔的方向與爆炸產(chǎn)物的方向成一定的夾角，所以當(dāng)爆炸產(chǎn)物推動氣體運動到排氣孔時，氣體由于其流體特性可以轉(zhuǎn)向，經(jīng)過排氣孔排除，而飛石會碰在孔壁上反彈回設(shè)施內(nèi)，防止破片飛出造成破壞。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)截面示意圖；

圖3是常見排氣孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的排氣孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)置示意圖。

附圖中，1-主體結(jié)構(gòu)；2-排氣孔；3-外防護(hù)墻；4-進(jìn)出入口；5-地基結(jié)構(gòu)；6-沙土防護(hù)層；7-內(nèi)襯結(jié)構(gòu)；11-頂墻；12-側(cè)墻。

具體實施方式

1、根據(jù)爆炸沖擊波對設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)選?。?/p>

當(dāng)裝藥在空氣中爆炸時，由于爆炸產(chǎn)物的巨大壓力，爆炸產(chǎn)物迅速向外膨脹。膨脹著的爆炸產(chǎn)物就如同一個加速推進(jìn)的活塞一樣壓縮周圍的空氣。由于爆炸產(chǎn)物最初以極高的速度壓縮周圍的空氣介質(zhì)，使其壓力、密度和溫度突躍升高，形成了壓力很高的初始沖擊波(約為10⁸帕的數(shù)量級)。隨著爆炸產(chǎn)物的不斷膨脹，便有沿著爆炸產(chǎn)物向內(nèi)傳播的稀疏波。當(dāng)稀疏波陣面?zhèn)鞑サ奖臅r，爆心處的壓力便開始下降。

對于不同距離，目標(biāo)所承受的作用也不同。在距離爆心最近的距離內(nèi)，目標(biāo)所承受的主要是爆炸產(chǎn)物的作用：在裝藥與目標(biāo)相距的距離小于(10～20)r0時，其中r0為裝藥半徑，目標(biāo)受到爆炸產(chǎn)物和沖擊波的共同作用；而相距更遠(yuǎn)時，目標(biāo)只受到空氣沖擊波的破壞作用。

眾所周知，裝藥在空中爆炸時，沖擊波和爆炸產(chǎn)物會以球面的形式逐漸向外擴(kuò)大傳播，所以球型的建筑能夠均勻的承載爆炸沖擊波的作用，但是如果整個設(shè)施設(shè)計成半球形，從材料力學(xué)上分析整個設(shè)施受到的彎矩會很大，穩(wěn)定性難以保證。所以將設(shè)施地面上的部分設(shè)計為兩個分塊，頂部為曲面的鋼筋混凝土頂蓋，可以保證均勻承受負(fù)載。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱形，可以穩(wěn)定的支撐上部結(jié)構(gòu)，并且承載整個設(shè)施受到的作用。

各種目標(biāo)在爆炸沖擊波作用下的破壞是一個極為復(fù)雜的問題，它不僅與裝藥的藥量大小C、裝藥的形狀有關(guān)；也取決于裝藥與目標(biāo)的相對位置、距離r；而且與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、材料的物理力學(xué)性能因素有關(guān)。對于裝藥量C的TNT炸藥爆炸對厚度h、密度ρ、彈性模量E和強(qiáng)度極限為σ的鋼筋混凝土的安全距離計算公式為：

$r=\sqrt{\frac{250C}{\mathrm{\σ}h}}\sqrt[4]{\frac{3E}{\mathrm{\ρ}}}$

所采取的鋼筋混凝土混凝土的全部縱向截面積為A_h，彈性系數(shù)E_h、軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值f_cd、密度ρ_h；h為結(jié)構(gòu)厚度；鋼筋全部縱向截面積為A_s、彈性系數(shù)E_s、縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度值f'_sd、密度ρ_s；結(jié)構(gòu)軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)鋼筋配比率則整個鋼筋混凝土的材料的彈性模量E、強(qiáng)度極限σ和密度ρ的計算公式如下：

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

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_h\×\frac{A_h}{A_h+A_s}+{\mathrm{\ρ}}_s\×\frac{A_s}{A_h+A_s}$

查閱材料參數(shù)表格數(shù)據(jù)，根據(jù)公式可以計算出銷毀20kgTNT當(dāng)藥量的廢舊彈藥保證設(shè)施內(nèi)徑小于5m時的材料參數(shù)(為確保安全的前提，將參數(shù)選擇盡量擴(kuò)大)。

參照圖1和圖2所示，本發(fā)明的廢舊爆炸物爆炸銷毀裝置包括設(shè)置在地基結(jié)構(gòu)5上的主體結(jié)構(gòu)1和外防護(hù)墻3，主體結(jié)構(gòu)1包括曲面結(jié)構(gòu)的頂墻11和圓柱面結(jié)構(gòu)的側(cè)墻12，其中頂墻11采用球冠結(jié)構(gòu)為最優(yōu)選，側(cè)墻12上設(shè)置有若干進(jìn)出入口4，外防護(hù)墻3設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)1的外部正對進(jìn)出入口4的位置處。為保證爆炸沖擊波對設(shè)施不會造成破壞作用，設(shè)施主體下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑必須大于5m，墻壁材料為厚度80cmC80強(qiáng)度級別鋼筋混凝土配比3％的HRB400或RRB400(KL400)鋼筋，上部鋼筋混凝土蓋的厚度為50cm，材料與上述相同，并在頂墻11上設(shè)置有若干排氣孔2，用于進(jìn)行爆炸產(chǎn)物的卸載。

設(shè)施地面上的部分主體結(jié)構(gòu)1設(shè)計為兩個分塊，頂墻11為曲面的鋼筋混凝土頂蓋，可以保證均勻承受負(fù)載。側(cè)墻12結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱形，可以穩(wěn)定的支撐上部結(jié)構(gòu)，并且承載整個設(shè)施受到的作用。進(jìn)出入口4設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)1的側(cè)墻12上，外防護(hù)墻3設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)1的外部，外防護(hù)墻3與進(jìn)出入口4對應(yīng)設(shè)置，沙土防護(hù)層6設(shè)置在地基結(jié)構(gòu)5上層。

爆炸產(chǎn)物會以高速推動周圍的氣體向四周運動，如果是密閉的設(shè)施，直接承受所有的荷載作用受到的破壞會很強(qiáng)，所以必須要有排氣孔減弱爆炸產(chǎn)物的作用。傳統(tǒng)的排氣孔與爆炸產(chǎn)物的飛出方向一致，排氣孔可以讓爆炸產(chǎn)物順孔向排出，但是爆炸產(chǎn)生的破片跟飛石都會從排氣孔飛出，與安全設(shè)計的原理相悖。

如圖3和圖4所示，本發(fā)明中頂墻11上設(shè)置有排氣孔2，排氣孔2偏向設(shè)置，排氣孔2的方向與爆炸產(chǎn)物的方向成一定的夾角，也就是說排氣孔2的軸線方向與排氣孔2與頂墻11曲率中心的連線方向呈傾斜夾角。當(dāng)爆炸產(chǎn)物推動氣體運動到排氣孔2時，氣體由于其流體特性可以轉(zhuǎn)向，經(jīng)過排氣孔2排除，而飛石會碰在孔壁上反彈回設(shè)施內(nèi)，防止破片飛出造成破壞。而圖3中常規(guī)排氣孔結(jié)構(gòu)則容易造成爆炸物碎片飛出裝置，造成安全隱患。排氣孔的尺寸為半徑為40cm～60cm，具體大小與距離爆心的距離有關(guān)，以保證破片從爆心以任何方向射出都會被頂蓋擋住。

為了正常進(jìn)出入設(shè)施內(nèi)部展開作業(yè)，根據(jù)所搬運的器材設(shè)施和被銷毀物品大小，設(shè)計的門框為高2.5m寬2m的拱形門，同時為了卸載傳向下部結(jié)構(gòu)的爆炸沖擊波，打開了4個門框。同時了設(shè)計外防護(hù)墻，防止從門框飛出的破片對外造成損傷。設(shè)計的外防護(hù)墻高4m，寬5m厚度為50cm的鋼筋混凝土，材料與主體結(jié)構(gòu)相同。外防護(hù)墻的內(nèi)壁距離主體結(jié)構(gòu)的外壁1.5m。

2、防護(hù)爆炸對地基的直接沖擊破壞進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計

如圖1和圖2所示，地基結(jié)構(gòu)5采用大體積設(shè)計以保證承載的穩(wěn)定性，同時可保證地震波對混凝土地基的荷載作用是比較均勻的。由于爆炸沖擊對地下結(jié)構(gòu)的直接作用很強(qiáng)，爆炸中心最初產(chǎn)生的沖擊波能達(dá)到10¹⁰帕級別，故普通材料也不能直接承受爆炸沖擊的直接作用。本發(fā)明在主體結(jié)構(gòu)1內(nèi)部的地基結(jié)構(gòu)5上設(shè)置有沙土防護(hù)層6，沙土防護(hù)層6為中心較厚周邊較薄的餅狀結(jié)構(gòu)。沙土顆粒之間有一定的空隙，可以吸收一定的沖擊波能量，同時增加爆炸中心與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的距離，能夠保證混凝土地基的結(jié)構(gòu)安全。沙土防護(hù)層的厚度能夠保證地基結(jié)構(gòu)不會直接被破壞，炸藥在固體介質(zhì)中爆炸，爆炸產(chǎn)物的直接作用會對周圍壓縮半徑r_α區(qū)域的介質(zhì)進(jìn)行直接破壞。對于不同介質(zhì)的壓縮系數(shù)K_α和裝藥量C的壓縮半徑計算公式為：

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

根據(jù)所選的沙土設(shè)計厚度距爆心最小的距離不小于66cm。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的厚度是保證整個設(shè)施的在爆炸下穩(wěn)定性的，

震塌半徑r_z即構(gòu)件內(nèi)表面不震塌的臨界厚度值，對于震塌系數(shù)為K_z的單層介質(zhì)材料，震塌半徑為：

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

對于第一層介質(zhì)厚度h₁、震塌系數(shù)K_z1；第二層介質(zhì)厚度h₂、震塌系數(shù)K_z2；炸藥爆心距地面高度為e的雙層結(jié)構(gòu)，震塌半徑為

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

第一層厚度選擇介質(zhì)的壓縮半徑，設(shè)計第二層最小厚度不小于54cm。

3、對于爆炸飛石破壞機(jī)理的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計

在爆炸過程中，爆炸破片是在裝藥爆炸產(chǎn)生爆轟產(chǎn)物作用下，殼體膨脹、斷裂破碎而成。破片的大小不均勻，形狀被規(guī)則，在空氣中飛行時速度衰減很快。飛石、破片在爆轟產(chǎn)物的作用下在空氣中向四周飛散，撞擊銷毀設(shè)施的內(nèi)壁，長期如此會造成設(shè)施內(nèi)壁混凝土碎裂、脫落，破壞設(shè)施承載的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。為了控制破片的破壞效應(yīng)，如圖5所示，本發(fā)明設(shè)施內(nèi)壁上裝上內(nèi)襯部分，可以保護(hù)內(nèi)壁不受破壞，確保承載整個設(shè)施，并且內(nèi)襯可以及時進(jìn)行更換，可以保證設(shè)施的使用壽命。

此外選取具有彈性的內(nèi)襯材料除了可以防止破片、飛石的破壞，還具有削減沖擊波的作用。這是因為對于一般炸藥爆炸，當(dāng)目標(biāo)距離裝藥有一定距離時，起爆炸作用主要應(yīng)考慮空氣沖擊波的作用。描述空氣沖擊波的參數(shù)有三個：峰值超壓、正壓作用時間和沖量。沖擊波峰值超壓表示沖擊波瞬間作用的量，而沖量表示在正壓作用時間范圍內(nèi)超壓的持續(xù)作用量。

鋼材料具有良好的塑性，沖擊波傳播到內(nèi)襯上式，能量會一部份傳遞到鋼材料上被吸收后使得鋼材料發(fā)生彈性形變或塑性形變，沖擊波也會被削弱一部份，同時也保護(hù)了設(shè)施的內(nèi)壁。

破片的形成與銷毀目標(biāo)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。裝藥量C與金屬殼體質(zhì)量M的比值為β，炸藥爆速為D的銷毀目標(biāo)的破片初速為：

$v_0=\frac{D}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\β}}{2+\mathrm{\β}}}$

質(zhì)量m_f、迎風(fēng)面積S、氣動阻力系數(shù)C_D的破片在密度ρ的空氣中距離爆心x的位置速度衰減為：

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

以廢舊爆炸物爆炸后形成尺度分布概率最大的碎片為例，取v_x為侵徹速度，采用有限元分析的方法，計算碎片對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的侵徹深度，從而得到內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的厚度。

實際中取碎片的長取10mm、寬取10mm、高取10mm，內(nèi)襯材料為鋼板，根據(jù)上面速度衰減公式計算得到v_x＝1640m/s，即為侵徹速度，采用ANSYS計算得到厚度為8mm鋼板被侵徹穿透；厚度為10mm的鋼板被侵徹穿透的同時，破片的動能也基本消耗殆盡；厚度為12mm的鋼板在受到破片的侵徹時并沒有被穿透，故設(shè)計的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)為12mm厚的鋼板可以完全防護(hù)后面的鋼筋混凝土材料。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)一方面可以保護(hù)內(nèi)壁不受破壞，確保承載整個設(shè)施，另一方面內(nèi)襯可以及時進(jìn)行更換，延長設(shè)施的使用壽命。