高康華，李 斌，劉宇都，孫 松

（1.解放軍92656 部隊，海南 三亞 572000；2.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；3.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

安全殼是核反應(yīng)堆抵抗外部襲擊的最后一道屏障，一旦破壞勢必造成放射性物質(zhì)泄漏、大規(guī)模爆炸等嚴(yán)重后果。當(dāng)前這方面的研究主要集中在彈體侵徹或飛機撞擊對安全殼結(jié)構(gòu)的局部貫穿、爆炸破壞作用[1-4]，以及安全殼內(nèi)部炸藥或氣體聚集引發(fā)的事故性內(nèi)爆炸等[5-8]方面。對常規(guī)武器、炸藥在安全殼外部一定距離處爆炸，由于安全殼本身尺寸較大，模型實驗中爆炸荷載縮比很難實現(xiàn)，通過相似材料制作安全殼模型也極其困難，目前多以簡化計算和數(shù)值模擬為主：Pandey 等[9]研究了外部爆炸時鋼筋混凝土安全殼的非線性響應(yīng)；余愛萍等[10-11]采用時域邊界積分方程，提出半球型安全殼在爆炸沖擊波作用下動力響應(yīng)簡化計算模型，考慮了空中爆炸和地面爆炸2 種情況下殼體位移和變形過程；王天運等[12-16]討論了質(zhì)點桿模型在沖擊波作用下安全殼結(jié)構(gòu)動力計算中的應(yīng)用，采用流固耦合算法和有限體積元法，對爆炸條件下核安全殼動力響應(yīng)進行數(shù)值模擬，得到安全殼破損的最小安全距離和爆炸當(dāng)量，評估了安全殼筒墻的抗爆性能，并分析了爆炸地沖擊作用下安全殼結(jié)構(gòu)的可能破壞形式；申祖武等[17]將裝藥爆炸、土中傳播和結(jié)構(gòu)構(gòu)成有限元體系，分析了炸藥觸地爆條件下安全殼基底的振動響應(yīng)。

本文中，以核安全殼遭受外部沖擊波作用為背景，根據(jù)安全殼結(jié)構(gòu)特點，制作帶防護墻的地面直立鋼筋混凝土組合殼結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了穹頂、環(huán)形梁、圓形柱殼和外部防護墻體等幾何特征，對細部構(gòu)造適當(dāng)簡化。鑒于核安全殼爆炸模型實驗的復(fù)雜性，開展爆炸實驗，目的在于研究空氣沖擊波作用下，此類組合殼外表面荷載和結(jié)構(gòu)振動。由于未考慮相似率，所得實驗結(jié)論不能直接用于實際核反應(yīng)安全殼結(jié)構(gòu)的爆炸防護，但相關(guān)實驗數(shù)據(jù)可用作對理論計算模型驗證和數(shù)值模擬方法修正，為核安全殼及同類結(jié)構(gòu)的抗爆安全設(shè)計、爆炸作用下的毀傷預(yù)測和結(jié)構(gòu)的防護加固提供理論參考和技術(shù)支持。

1 實驗方法

1.1 模型結(jié)構(gòu)

圖1 給出了結(jié)構(gòu)詳圖，圖1(a)～(b)顯示模型由穹頂、圓柱殼、防護墻以及底板組成，其中穹頂與圓柱殼通過環(huán)形梁連接，確保剛性連接。防護墻頂蓋、墻體、層間板、圓柱殼和穹頂厚度均為50 mm，圓柱殼與防護墻間距15 mm，內(nèi)外防護墻間距150 mm。圖1(c)、(d)分別為水平剖面圖A-A 和B-B，圖中最外邊的矩形框是支承底板，通過四周螺栓將整體結(jié)構(gòu)與地面固定，確保剛性連接。中間矩形框是外防護墻，最里邊是內(nèi)防護墻，2 個同心圓是組合殼體拱頂?shù)耐队?。防護墻是整體的雙層結(jié)構(gòu)，在剖面上呈十字形（圖1（b））。實驗結(jié)構(gòu)采用加鋼筋網(wǎng)的水泥砂漿澆注制作，水泥砂漿抗壓強度σcon=30 MPa，彈性模量Econ=30.8 GPa；內(nèi)部采用雙向雙層退火鋼筋網(wǎng)片，鋼筋直徑d=4 mm，抗拉強度σsteel=215 MPa，彈性模量Esteel=200 GPa，其中組合殼配筋率為1.4%，防護墻頂板、墻體和層間隔板配筋率為0.65%。

圖 1 實驗結(jié)構(gòu)詳圖 (單位：mm)Fig.1 Structure detail drawing (unit in mm)

1.2 實驗工況

實驗分2 種工況，如圖2 所示：工況1，將模型結(jié)構(gòu)置于地面；工況2，在結(jié)構(gòu)四周堆圍高1.0 m、寬0.85 m 的砂土。2 種工況下，均在距結(jié)構(gòu)一定距離處用高能含鋁炸藥爆炸加載，爆源形式如圖3 所示。

實驗中主要量測壓力、加速度、應(yīng)變等參數(shù)，結(jié)構(gòu)制作時預(yù)留傳感器的安裝位置。下面詳細給出按工況1 實驗時結(jié)構(gòu)各類傳感器布置圖。按工況2 實驗時，首先將模型結(jié)構(gòu)周圍0.85 m 處圍護高度為1 m的沙袋，然后在沙袋與結(jié)構(gòu)之間填入砂土并層層壓實，各類傳感器布置參照工況1。

1.3 傳感器布設(shè)

結(jié)構(gòu)外表面爆炸壓力量測時，取一半結(jié)構(gòu)布設(shè)壓力傳感器，選取PCB-113B 型壓力傳感器，其量程為1.38～6.89 MPa，其靈敏度為0.73 μV/Pa，測點分布及編號如圖4 所示。

防護墻、圓柱殼及穹頂部位加速度量測時，選取型號為CA-YD-103 的加速度傳感器，量程為1 960 m/s2，靈敏度為2.04 pC/(m·s-2)，測點分布及編號如圖5 所示。

圖 2 模型結(jié)構(gòu)爆炸加載實驗圖Fig.2 Model structures under explosion loadings

圖 3 爆源形式Fig.3 Explosion source

圖 4 壓力傳感器的分布 (單位：mm)Fig.4 Distribution diagrams of pressure sensors (unit in mm)

圖 5 加速度傳感器的分布圖 (單位:mm)Fig.5 Distribution diagrams of acceleration sensors (unit in mm)

防護墻、柱殼、穹頂部位應(yīng)變量測時，選取BX120-50AA 混凝土應(yīng)變片，電阻為120 Ω，測點分布及編號如圖6 所示。

實驗所用數(shù)據(jù)采集器型號為DH5922N，16 通道，最高采樣速率為每通道256 kHz。針對2 種實驗工況進行了9 次爆炸實驗，具體條件及測點分布如表1 所示，Q 為藥量，L 為爆心距，H 為爆心高度。

圖 6 應(yīng)變傳感器分布示意圖 (單位：mm)Fig.6 Distribution diagrams of strain sensors (unit in mm)

表 1 爆炸實驗條件Table 1 Explosion experiment conditions

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 結(jié)構(gòu)外部荷載分布

圖7～8 分別給出了2 種實驗工況、不同炮次下防護墻和柱殼表面各點的荷載時程曲線。從圖7～8 可以看出：相同條件下，各點壓力隨著藥量的增加而升高；對迎爆面來說，沖擊波到達后，爆炸荷載先迅速上升至峰值，由于渦流影響再衰減到某一壓力值，隨后再上升到滯止壓力，與防護墻相比，柱殼表面的這一特征更明顯；結(jié)構(gòu)表面從迎爆面到背爆面，隨著沖擊波經(jīng)過依次產(chǎn)生荷載，峰值壓力逐漸減小，峰值到達時間逐漸增加，背爆面荷載峰值上升時間也相對較大，體現(xiàn)沖擊波對結(jié)構(gòu)的繞射過程。由于荷載作用時間較短，沖擊波到達測點5、11 時，測點1、7 正相荷載基本結(jié)束，表明化爆條件下地面空間結(jié)構(gòu)荷載穩(wěn)態(tài)環(huán)流相可忽略。

在空氣沖擊波作用下，柱殼迎爆面部分表面壓力由沖擊波反射效應(yīng)產(chǎn)生，后半部分（背爆面）表面壓力由沖擊波繞射產(chǎn)生，如圖9 所示，其中圓形為柱殼橫截面。圖9(a)中沖擊波陣面I-I 以波速 Dφ向右傳播，與結(jié)構(gòu)相遇后在A 點發(fā)生正反射，該點峰值壓力為結(jié)構(gòu)表面最大壓力，即圖8 中測點7 的壓力；除A 點外，沖擊波在柱殼結(jié)構(gòu)迎爆面其他各點會發(fā)生斜反射，圖9(b)為規(guī)則斜反射區(qū)，R 為反射波陣面；當(dāng)入射角 φ到達極限角度 φcr時即進入不規(guī)則反射區(qū)，開始形成馬赫波（圖9(c)）；馬赫桿（馬赫波波陣面）沿結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑ゲ⒅饾u增高，到達柱殼截面B、C 點時，馬赫桿后面出現(xiàn)明顯的氣體滑流線S（圖9(d)）[18-19]，并在滑流線附近形成渦流，使馬赫桿發(fā)生彎曲，沿?zé)o荷載的后背曲面擴展（圖9(e)），呈現(xiàn)繞射效應(yīng)，渦流的影響隨著 Dφ的 增大而增強， Dφ過大時波陣面后面氣流速度會超過聲速，在結(jié)構(gòu)背面形成膨脹波，渦流和膨脹波在結(jié)構(gòu)背面產(chǎn)生的負壓會抵消部分馬赫波產(chǎn)生的法向正壓，使結(jié)構(gòu)該部分承受的總壓力降低，圖8(a)顯示相同條件下藥量較小時，測點10 與測點8 的壓力峰值相差不大，隨著藥量的增大，測點10 的壓力低于測點8 的，如圖8(c)所示；此后由上下2 個半環(huán)面?zhèn)鱽淼鸟R赫波會在D 點相遇碰撞并產(chǎn)生反射馬赫波RMS，使該點壓力升高（圖9(f)）；而后RMS 反向傳播，氣體邊界層增厚并形成包含復(fù)雜渦流的分離區(qū)，沖擊波逐漸離開結(jié)構(gòu)表面，隨著渦流強度的增大和分離區(qū)的擴張，氣體滑流線消失，入射沖擊波與馬赫波M 合并逐漸恢復(fù)平面波狀。

圖 7 H=1.1 m 時防護墻表面各點的壓力Fig.7 Overpressure-time curves at various pressure test points on the surface of the protecting wall when H=1.1 m

圖 8 L=4.8 m，H=1.1 m 時，柱殼表面各點的壓力Fig.8 Overpressure-time curves at various pressure test points on the surface of the cylindrical shell when L=4.8 m and H=1.1 m

圖 9 沖擊波與柱殼結(jié)構(gòu)相互作用示意圖Fig.9 The interaction between the shock wave and the cylindrical shell structure

圖10 給出了防護墻和柱殼迎爆面正反射壓力時程曲線，正相作用時間約為2.5 ms，測點1 和測點7 在沖擊波傳播方向相距250 mm，沖擊波到達時間相差約1 ms，正反射峰值超壓相差約10 kPa，約占最大峰值超壓的20%，表明對一般化爆沖擊波，在波長與結(jié)構(gòu)尺寸在同一量級的情況下，在確定結(jié)構(gòu)表面沖擊波荷載時，應(yīng)考慮入射沖擊波壓力在繞射過程中的自然衰減。

圖11 表明防護墻迎爆面上，距離地面較近點的荷載較大，主要與空中爆炸條件下傳播至結(jié)構(gòu)表面的馬赫波高度 HM相關(guān)。 HM隨傳播距離變化并受比例炸高 H/ Q1/3和地面性質(zhì)影響，若 HM小于結(jié)構(gòu)高度Hstr，可認為結(jié)構(gòu)迎爆面下部為馬赫波入射、上部為球面沖擊波入射；若 HM≥Hstr，可認為整個結(jié)構(gòu)與馬赫波相互作用；若裝藥距離結(jié)構(gòu)較近，爆炸后可能馬赫波尚未形成，僅有球面入射波與結(jié)構(gòu)相互作用。圖11中，測點2 主要承受馬赫波產(chǎn)生的正反射荷載，測點1 則主要承受球面入射波產(chǎn)生的斜反射荷載，因此測點2 的爆炸荷載要高于測點1 的。此外，Langlet 等[20]的實驗也表明，對于地面直立有限長圓柱體，在結(jié)構(gòu)迎爆表面規(guī)則反射區(qū)域內(nèi)，不同高度位置承受的荷載有差別，離地面較近的結(jié)構(gòu)表面點的荷載較大，這與本文實驗結(jié)果是一致的。

圖 10 模型結(jié)構(gòu)迎爆面反射壓力對比Fig.10 Reflected pressure of the blast side on the model structure

圖 11 防護墻迎爆面荷載對比Fig.11 Explosion pressure of the blast side on the protecting wall

2.2 結(jié)構(gòu)振動特性

實驗所用裝藥量較小，產(chǎn)生的爆炸沖擊波僅使整體結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性振動。圖12～15 給出了模型結(jié)構(gòu)振動加速度時程曲線，爆源距離L 均為4.8 m，測點1、5、6 體現(xiàn)防護墻的振動特性，測點2、3、4 體現(xiàn)組合殼的振動特性?？傮w比較而言，測點1 的振動頻率較高，測點2、4、5、6 的振動具有低頻特征。

圖 12 各測點的加速度時程曲線 (Q=160 g，工況1)Fig.12 Acceleration-time curves at various test points (Q=160 g, the first condition)

圖 13 各測點的加速度時程曲線 (Q=300 g，工況1)Fig.13 Acceleration-time curves at various test points (Q=300 g, the first condition)

圖 14 各測點的加速度時程曲線(Q=300 g，工況2)Fig.14 Acceleration-time curves at various test points (Q=300 g, the second condition)

由圖12～15 可以看出：測點1 的加速度體現(xiàn)了爆炸沖擊波傳播到結(jié)構(gòu)后，防護墻迎爆面部分先產(chǎn)生振動，頻率較高，隨著防護墻整體參與振動，振動頻率降低，振動幅值下降；測點5 主要體現(xiàn)了防護墻整體的振動特性，其振動時間滯后于測點1，最大幅值發(fā)生在振動第2 循環(huán)，隨著防護墻整體參與振動，測點1、5 的振動頻率和幅值逐漸一致；防護墻后側(cè)測點5、6 的加速度對比表明，兩者的振動頻率較為一致，幅值上的差別系由于沖擊波繞射到防護墻后側(cè)后對各點的作用不同所致。對組合殼結(jié)構(gòu)，測點4 的振動幅值與測點2 的較一致，但頻率在初始時段略低于測點2 的，測點4 體現(xiàn)了組合殼結(jié)構(gòu)的整體振動；測點3 的振動幅值較小，但其振動頻率較測點4 的高，且存在2 個明顯的峰值。

圖16 給出了2 種工況下結(jié)構(gòu)振動加速度時程曲線，對于測點1，工況2 較工況1 的振動頻率降低，幅值減小，體現(xiàn)了外部土介質(zhì)對防護墻迎爆部分構(gòu)件的防護作用，而對于測點5，工況2 的加速度幅值較工況1 的小，但2 種工況下振動頻率較一致，主要由于實驗中圍土高度及范圍較小，圍土對防護墻整體振動頻率影響不大；對組合殼結(jié)構(gòu)，測點4 表明2 種工況下組合殼整體振動頻率一致，但工況2 的幅值較工況1 的小。圖17 給出了不同條件下測點3 的加速度時稱曲線，圖中顯示加速度均存在2 個峰值，第1 個峰值隨著藥量的增大而明顯增大；工況2 中第1 個峰值壓力要小于工況1 中的，而2 種工況的第2 個峰值基本一致，表明圍土對測點3 第1 個峰值有影響，可認為沖擊波傳播到結(jié)構(gòu)時，環(huán)梁先于穹頂受載產(chǎn)生振動，進而引發(fā)穹頂振動并形成第1 個加速度峰值，此后隨著沖擊波繞射時與穹頂相互作用，形成第2 個加速度峰值，該峰值受周圍土介質(zhì)的影響不大。

圖 16 2 種工況下各測點的加速度時程曲線(Q=300 g)Fig.16 Acceleration-time curves at various test points under two experimental conditions (Q=300 g)

圖 17 不同條件下測點3 的加速度時程曲線Fig.17 Acceleration-time curves at test point 3 under different experimental conditions

圖18 ～19 給出了不同工況下模型結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)變時程曲線，測點1、2、6、7 反映防護墻的應(yīng)變，測點9、10 反映組合殼底部的應(yīng)變。圖18 中，測點1 的應(yīng)變峰值在振動第2 循環(huán)，測點2 的應(yīng)變峰值在振動第1 循環(huán)，爆炸波接觸防護前墻后，前墻類似于底部固支的懸臂結(jié)構(gòu)，底部應(yīng)變最大，而后振動頻率隨著防護墻整體的參與逐漸降低；圖18 中還顯示測點7 的應(yīng)變幅值及振動頻率均小于測點6 的，測點7 實際上反映了防護墻的整體振動。

從圖19 可以看出，測點9 和測點10 的應(yīng)變最大峰值均在振動第1 個循環(huán)，而后逐漸衰減；測點9 的應(yīng)變峰值大于測點10 的。相同爆炸加載條件下，測點9 的應(yīng)變值在工況2 時比工況1 時的要小，表明結(jié)構(gòu)周圍圍土后，在一定程度上增強了圓柱殼的約束作用，使其整體振動幅值減小，這與圖16 中測點4 在2 種工況下的加速度對比情況一致。

圖 18 防護墻各測點的應(yīng)變時程曲線 (Q=160 g，L=4.8 m，工況1)Fig.18 Strain-time curves at various test points of the protecting wall (Q=160 g, L=4.8 m, the first condition)

3 結(jié) 論

（1）化爆沖擊波荷載作用時間短，壓力衰減快，結(jié)構(gòu)荷載主要產(chǎn)生于沖擊波繞射結(jié)構(gòu)的過程，隨著波繞射逐漸施加到結(jié)構(gòu)表面；若結(jié)構(gòu)尺寸與沖擊波波長處于同一量級，在確定結(jié)構(gòu)表面荷載時應(yīng)考慮沖擊波壓力在繞射傳播過程中的自然衰減。

（2）外部爆炸沖擊波作用下，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出局部與整體振動耦合的特性，與沖擊波最早接觸的構(gòu)件先振動，而后由于結(jié)構(gòu)整體參與使振動頻率降低、幅值減??；本實驗中結(jié)構(gòu)周邊圍土降低了防護墻迎爆面的振動頻率，減小了防護墻和組合殼整體加速度和應(yīng)變幅值，但對結(jié)構(gòu)整體振動頻率影響不大。