40 kg TNT當量爆炸塔的振動監測及分析*

胡八一，肖智強，谷 巖，劉 宇，馮東升，劉 軍

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

由于爆炸塔的內部空間尺寸以及人員和設備的進出通道可以比爆炸容器設計建造得更大，且施工現場不需要整體去應力等退火設備，因此在很多爆炸生產和實驗研究領域發揮著爆炸容器不可替代的作用[1]。然而，由于爆炸塔一般建造在地面上，其內部爆炸產生的沖擊振動仍然是安全管理需要重視的問題，比如：美國海軍表面武器中心在建成22.5 kg TNT當量的爆炸塔時，就較全面地監測了爆轟產物和地面振動等實驗參數[2]；21世紀初美國勞倫斯利弗莫爾實驗室(LLNL)在設計60 kg高能炸藥爆炸塔[3]時，為確保安全，先按1∶4縮比模型建造了一個驗證塔，并進行了全方位的爆炸加載考核驗證實驗[4]。中國目前建造的爆炸塔的設計當量一般在1～5 kg TNT，各研究單位積累了數十年安全運行經驗。對于中國工程物理研究院流體物理研究所新建成的40 kg TNT當量爆炸塔，其運行時地面振動能否滿足GB 6722─2014(爆破安全規程)的相關要求，實驗時塔體內部的附屬功能設備能否正常運轉等諸多問題都需要進行考核驗證。本文中簡要介紹了塔體的設計情況和考核驗收實驗，重點關注爆炸加載時爆炸塔周邊實驗室地面的振動參數，并與相關監測數據進行對比分析，以期對未來中國相關工程設計提供借鑒和參考。

1 塔體設計及實驗安排

1.1 塔體及炸藥

如圖1所示，塔體采用圓柱段加橢球封頭結構，其內徑為16 m，圓柱段高9 m。距外壁0.5 m處設計了一條基于1∶8縮比塔研究結果[5]的隔振溝，溝深6.0 m，寬度為0.8 m。塔體四周為抗震實驗室，層高5.1 m，按抗9度地震烈度設計。塔體自身采用鋼纖維鋼筋混凝土結構，實驗室地面為普通承重混凝土。

炸藥為壓裝TNT藥球，密度不低于1.63 g/cm3，中心起爆。將藥球置于塔內中心點，當藥球質量為15、20、25和40 kg時，其炸高分別為1.2、1.2、1.5和3.0 m。這樣安排的目的在于減輕炸藥近距離爆炸對塔內地表的破壞作用[6]，同時適當降低周邊實驗室地面的沖擊振動幅值。

1.2 傳感器及其布局

采用TP3V-10型三向磁電式速度傳感器(靈敏度為0.21～0.25 V/(cm·s-1))，布設在如圖1所示的測點上，由1.5 m長導線引入拾振器(型號為UBOX-20016，4通道，A/D轉換精度16 bit，最高采樣率達200 kHz，記錄長度為8 GB)內，通過預先觸發設置實現現場等待式監測。

15和20 kg TNT爆炸加載時，在圖1所示的3個不同高度處布設速度傳感器；25和40 kg TNT爆炸加載時，只監測實驗室地面和屋頂的振動數據。實驗室地面和屋頂的傳感器間距為10 m，其中A1、B1處傳感器在水平方向上距隔振溝外沿約1.2 m；塔頂傳感器的間距為4 m，在水平切向(y方向)布設少量與水平徑向(x方向)相對應的復測點(圖1未標識)，以增加隨機振動信號的對比觀測。

2 監測結果與分析

2.1 實驗室不同區域的振動特征

由表1數據可見：(1) 對于3個方向的質點振動速度峰值，地面上z向質點振動速度峰值一般大于水平向(x、y向)，而屋頂上z向質點振動速度峰值遠遠大于水平向，幾乎是水平向的6～7倍，表現出建筑物在地震波作用下振動的豎向放大效應，爆破工程中對附近多層建筑物的安全監測結果[7-8]也表明存在這種效應；(2) 對于爆炸塔自身而言，其中心頂點(C1)的z向振動速度最大，中間位置(C2)的z向振動速度約為中心頂點的1/2，塔體邊沿(C3)約為中間位置的1/2，水平向也存在類似規律。

表1 不同區域振動速度峰值比較Table 1 Comparison of vibration velocity peaks in different zones

表2給出了在4種當量炸藥爆炸加載下水平徑向(x向)不同測點的振動速度峰值。從表2中可見：(1) 距爆心最近的A1測點(隔振溝外側邊沿)，其水平徑向(x向)質點振動速度峰值往往大于該點的豎向(z向)振動速度峰值，但稍微遠離隔振溝邊沿后該現象隨即消失，即依然是豎向振動速度峰值大于水平徑向；(2) TNT當量從15 kg遞增到40 kg時，最大峰值振速為3.67 cm/s，并且隨著爆心距離的增加，地面振動速度迅速衰減。對照GB 6722─2014：當振動頻率在10～50 Hz范圍時，鋼筋混凝土結構建筑允許的安全振速為3.5～4.5 cm/s；當振動頻率在50～100 Hz范圍時，該安全振速提高到4.2～5.0 cm/s。因此可以認為，爆炸塔周邊實驗室的建筑結構在爆炸塔全當量運行時是安全的，達到了國家標準的相關要求。

表2 不同測點的振動速度峰值Table 2 Comparison of vibration velocity peaks at different measure points

2.2 速度波形的頻率及能量特征

圖2顯示了地面振動的典型速度波形以及經快速傅里葉變換(fast Fourier transformation， FFT)所得功率譜密度及特征主振頻率，其中vmax為最大振速，fm為主振頻率，ttot為振動持續時間。綜合本實驗中所得速度波形特征，可以得到以下幾點認識：(1) 地面振動持續時間一般在5～10 s，與現場人體的體感一致，明顯比小藥量縮比塔實驗的振動時間長得多[5]，且對人體的搖晃更強烈；(2) 振動頻率主要在15～150 Hz范圍，與縮比塔實驗結果相比，高頻成分更少，即振動頻率整體向低頻方向偏移。豎向(z向)的振動頻率相比水平向而言，向低頻方向的移動更明顯和集中，即由縮比實驗的100～800 Hz平移至15～60 Hz。

由于爆炸振動信號屬于典型的非平穩隨機信號，因此采用小波包分析技術[9-10]比傳統的FFT分析更有效，更重要的是它可以給出不同頻帶的振動能量分布信息[11]。本實驗中設置采樣頻率為5 kHz，故其Nyquist頻率為2.5 kHz，運用db8進行小波包分解，可將信號分解到第9層，即共有29=512個小波包，對應的最低頻帶為0～9.8 Hz，最高頻帶為1.25～2.50 kHz。表3列出了25 kg TNT爆炸加載時實驗室地面和屋頂6個測點z方向的振動信號能量分布及總能量E，其中φE為振動信號在不同頻帶上的能量占總能量的比例，f為頻率。

表3 豎向振動信號的能量分布Table 3 Energy distribution of the vibration signal in z direction

表4給出了實驗室地面A2點在兩種炸藥爆炸加載下沿x、y、z3個方向振動信號的頻帶能量分布和總能量E的比較。綜合表3和表4數據，可以看到：(1) 無論地面還是屋頂，豎向(z向)振動能量主要集中在10～40 Hz，占全部能量的77%～99%，因此要衰減或隔離這種幾十千克TNT當量爆炸產生的沖擊振動，目標應瞄準10～150 Hz范圍，重點在10～40 Hz頻段；(2) 豎向(z向)攜帶的能量最大，是水平徑向(x向)的3～4倍，是水平切向(y向)的19～52倍，因此如何有效降低或隔離豎向振動是爆炸沖擊隔振需要重點關注的問題；(3) 同文獻[10]中數噸級硝銨炸藥爆破產生的沖擊振動相比，幾十千克TNT當量炸藥爆炸產生的地震波在0～10 Hz和150 Hz以上頻段所攜帶能量很少，而大爆破在0～10 Hz頻段仍包含10%～47%的能量，這是二者最顯著的差別；在文獻[9]中幾十千克硝銨炸藥的延時爆破作業中，所監測到的振動主頻在20～100 Hz范圍，振動持續時間也在5～10 s范圍，各測點的80%能量對應的頻譜范圍也不超過10～125 Hz，與本實驗結果具有極好的一致性。

表4 兩種載荷下A2點的振動信號能量分布Table 4 Energy distribution of the vibration signal at A2 point under two loads

3 討 論

為進行對比研究，在中國工程物理研究院流體物理研究所的5 kg爆炸塔進行了一發4.04 kg TNT當量地面振動速度監測實驗。該塔周邊有一條1 m深隔振溝。炸藥中心距塔內地面高0.9 m，同型號速度傳感器布置在5 kg爆炸塔外壁2、8、15 m處，地面三向振動速度峰值見表5。對比表2和表5數據，可以看到：距離爆炸塔外壁越近，振動越劇烈，且40 kg爆炸塔在x、y、z3個方向上的振動峰值均遠超過5 kg爆炸塔；對于40 kg爆炸塔，當距離爆心較遠(大于20 m)時，地面振動很快降到比5 kg爆炸塔15 m處的振動還要小的程度。

表5 5 kg爆炸塔地面振動速度峰值測量結果Table 5 Vibration velocity peak of the ground neigboring the 5 kg TNT equivalent blast containment chamber

文獻[5]中監測到的地面振動時間很短，在0.1～0.2 s之間(藥量0.3～2.3 kg TNT)，而本實驗中為5～10 s，由此可見地面振動持續時間與藥量正相關，即藥量越大，振動持續時間越長。同時也揭示出6 m深隔振溝并未起到文獻[5]中所預期的隔振效果，或者說隔振效果很差。原因何在？從表4中的數據可見，80%～90%的振動能量集中在10～80 Hz范圍，其中豎向振動能量的80%～95%集中在10～40 Hz范圍；而文獻[5]中的計算所采用的瑞利波頻率為200 Hz，明顯偏大約一個數量級，即實際瑞利波波長λR應為28.5 m左右，若再依據朱振海等[12]的動光彈研究結果，3λR深的隔振溝才能基本隔離沖擊形成的表面波，從而充分解釋了為何國內眾多爆炸塔隔振效果不佳的緣由。這也說明在近距離實驗室條件下，期望依靠隔振溝有效衰減幾十千克炸藥爆炸產生的沖擊振動，在實際工程中既難實現，也不經濟。

因此，今后要設計高于5 kg TNT當量的爆炸塔時，可采用隔振支座的整體隔振方式[13-14]。日本高鐵沿線建筑物采用隔振基座后，對火車高速運動產生的25 Hz沖擊振動的隔振效果很好[15]。此外，在使用10和25 kg爆炸容器系統時未監測到明顯的地面沖擊振動[16-17]，其原因在于爆炸容器通過鞍座放置在地面上，支撐鞍座的支架在一定程度上起到了減震器的作用，所以當爆炸容器運行時，傳到地面的振動幅值僅為鞍座上的1/20～1/5。

4 結 論

(1) 在本實驗條件下，40 kg爆炸塔旁側實驗室地面的最大質點振動速度峰值小于5 cm/s，質點振動頻率尤其是豎向振動頻率大于10 Hz，滿足GB 6722─2014(爆破安全規程)的安全允許振動要求。

(2) 與1∶8縮比塔及5 kg爆炸塔實驗結果相比，40 kg爆炸塔激發的地面沖擊振動時間更長，達5～10 s，人體的主觀感受更強烈。說明早期基于縮比塔實驗結果確定的瑞利波波長(λR=2.85 m)隨著藥量的增大而變化。本實驗監測到的豎向振動頻率集中在10～40 Hz范圍，縮比塔在200～500 Hz范圍，故瑞利波波長實際增大了約10倍。

(3) 小波包分析很適合于這類沖擊振動信號分析，分析表明：豎向振動(z向)所攜帶的能量是同一點水平向(x、y向)振動所攜帶能量之和的2.5～4.0倍；質點振動信號中超過95%的能量處于10～160 Hz頻段，其中在10～80 Hz范圍包含至少75%以上的能量，而豎向振動信號中超過90%的能量集中在10～40 Hz頻段；爆炸產生的沖擊振動有豎向放大效應，即屋頂的質點振動峰值是地面的2～3倍，振動所攜帶的能量則是地面的幾十倍，故不建議在屋頂放置其他實驗測試設備。

(4) 傳統的隔振溝技術在小藥量爆炸時是勉強可行的；隨著藥量的增大(超過5 kg TNT)，建議采用獨立地基加減振支座的隔振設計，目前中國建筑界在該領域的設計和施工能力[18]已基本成熟可靠。

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