爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定.pdf

第 2 3卷第 1期 2 0 0 6年 3月 爆破 B LAS TI NG Vo 1 ． 2 3 No ． 1 Ma r ． 2 o o 6 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X { 2 0 0 6 0 1 0 1 0 1 0 4 爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定 胡 登 高 ， 孙宝 平 ， 陈 云 龙 ， 贺 顺 康 1 ． 解放军船艇学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 3 ； 2 ． 解放军 6 5 6 3 9 部队， 辽宁 抚顺 1 1 3 1 2 6 ； 3 ． 总装工程兵驻上海地区军事代表室， 上海 2 0 0 0 3 1 ； 4 ． 雅安军分区， l ／ l f 雅安 6 2 5 0 0 0 摘要 按照建筑物破坏等级划分， 分析了如何根据建筑物及其标志物 粱、 柱和墙 的破坏推导爆源位置 和药量的计算方法， 提出了利用不在同一直线的3个标志物的对比距 离值估算爆源-l t 相对位置的方法， 并给出一算例， 介绍其计算过程和计算方法。 关键词 爆炸药量； 爆源 中图分类号 T D 2 3 5 文献标识码 A As c e r t a i n me n t o n Ch a r g e Amo u t a n d S o u r c e o f Bl a s t i n g i n Ac c i d e n t s HU De n g - g a o - S U N B a o - p i n g 。 C H EN Y u n ． 1 o n g 。 HE S h u n k a n g 1 ． Z h e n j i a n g Wa t e r c r a f t I n s t i t u t e o f P L A。 Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． P L A t h e 6 5 6 3 9 T r o o p 。 F u s h u n 1 1 3 1 2 6。 C h i n a； 3 ． E n g i n e e r Mi l i t a r y Re p r e s e n t a t i v e Of fi c e o f t h e Ge n e r a l Ar ma me n t s D e p a r t me n t i n S h a n g h a i A r e a 。S h a n g h a i 2 0 0 0 3 1 ，C h i n a； 4 ． Y a a n Mi l i t a ry S u b a r e a 。 Y a a n 6 2 5 0 0 0。 C h i n a Abs t r ac t Ac c o r d i n g t o d e s t r u c t i o n g r a d e o f s t r u c t u r e s -t h e c h a r g e a n d p l a c e o f b l a s t i n g a r e ana l y z e d ．A me t h o d i s p u t f o r w a r d t h a t t h e c h a r g e and r e l a t i v e p l a c e o f b l a s t i n g a r e d e t e r mi n e d b y t h r e e s i g n s wi t h o u t l i n ar l o c a ti o n，and c alc u l a t i o n p r o c e s s an d me t h od a r e i n t r o d u c e d t h r o u g h a s a mp l e ． Ke y wor d s b l a s t c h a r g e ；b l a s t s o u r c e 1 引 言 爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定， 主要是通 过爆炸后现场一些标志物的破坏情况， 如玻璃的破 碎， 墙的开裂， 梁、 柱的变形等。对爆源的位置和药 量等信息估计的最直接方法就是依据破坏情况计算 冲击波参数， 推断爆源的情况。但是在爆炸过程中， 爆源将发生毁灭性的破坏， 除非有足够的素材， 否则 仅通过爆炸后的现场很难知道爆源。因此， 给出的 爆源信息中， 药量采用了T N T当量来表示， 在知道 爆源的真实物质组成后， 才能比较准确地知道真实 爆源的具体药量。通过对一些典型标志物破坏情况 收稿 日期 2 0 0 51 21 3 ． 作者简介 胡登高 1 9 8 0一 ， 男 ； 镇江 解放军船艇学院指挥 自动化 教研室讲师， 硕士． 的分析评估， 得到比较合理的对比距离和药量， 以及 距标志物距离的估计范围。有了这一范围， 对事故 的进一步分析将有重要的指导意义 。 2 根据标志物破坏情况估计对比距离 由标志物的破坏准确地估算出该处冲击波参数 是比较困难的。其原因主要是经验估算方法本身就 有一定的误差， 标志物破坏的影响因索较多， 难以全 面考虑。所涉及的仅仅是爆炸后空气冲击波对标志 物的破坏而忽略了其它影响因素。对前面讨论的4 种典型标志物， 当其变形或破坏处于临界状态时， 可 根据能量方法粗略估计作用于其上的冲击波参数， 但由于现场情况复杂， 不一定能找到恰好是临界破 坏的状态， 应考虑给出冲击波参数的合理范围。再 者， 选取标志物时， 它必须是己遭到破坏的， 而且不 维普资讯 爆破 2 0 0 6年3月 能是完全毁坏的， 否则难以给出准确的评价和结果。 在讨论各种标志物之前， 先对对 比距离作一个简单 的说明 。 2 ． I 对 比距离 爆炸冲击波超压和比冲量的经验计算公式H { ㈩ 式中， O ．J 为 1 N T当量表示的爆炸药量； r 为计算点距 爆心的距离。定义超压对比距离为 F O ．J 邝， 比冲量 对比距离为 F O ．J I 2 邝， 在此统称为对 比距离。下面讨 论粱、 柱和墙等标志物的破坏冲击波参数。 2 ． 2 梁标志物的反推 ．6 仍以金属梁为例， 将其视为弹塑性模型， 在冲击 波较弱时， 它的变形比较小且可完全恢复， 但当作用 于其上的冲击波较强时， 变形有可能超出弹性变形 范围而进入塑性变形阶段。前者由于在冲击波作用 后可完全恢复， 可以给出一个作用强度的范围， 后者 从前面章节的讨论可见， 估算过程比 较复杂， 且由于 爆源情况不明， 无法给出冲击波最大超压值和正相 作用时间等重要参数， 故无法由梁的塑性变形得到 作用其上的冲击波参数的具体值。 2 ． 2 ． i 弹性阶段作用于梁上冲击波的估计 对于弹性变形， 无法用能量方法给出具体的作 用强度， 根据前面章节中梁的评估的方法， 可以给出 的结论是其作用强度小于梁所能承受的最大弹性变 形范围的强度， 即临界值。由文献 [ 7 ] 可得到梁弹 性变形的临界值， 根据此临界值就可以计算出临界 对比距离。如果在冲击波作用后梁发生的是弹性变 形， 即认为作用于梁上的超压和 比冲量值均未超过 梁弹性变形所能承受的范围。在下一步的计算中， 将分别以此临界的超压和比冲量值计算梁和爆源的 对比距离 ， 在弹性范围内， 所能给出的冲击波参数的 范围是定性的 ， 即 P 8 0 ， b h L 2 i1 ． 4 6 1 ／ E 6 。 。 3 式中， 尸为作用到标志物上的空气冲击波超压值； L 为梁的跨长； 为梁的横截面面积； E为材料的弹性 模量； ， 为梁的惯性矩； JD 为梁的密度； b 为梁迎冲击 波方向的宽度； 为梁的高度； i 为作用于梁上的比 冲量； 0 ． 5 h JjI ， 一 ， Mm 9 6 E h w 0 L 一 。 2 ． 2 ． 2 塑性阶段作用于梁上冲击波参数的估计 对于出现塑性变形的梁， 特征比较明显， 在评价 过程中， 可以只给出一个冲击波参数的范围， 让下面 的公式 4 和公式 5 中的等于号变为小于号， 进行 数值积分即可。对于发生塑性变形而又为断裂的 梁 ， 取其最大变形量为 叫 。 ， 从前面的讨论中可知梁 处于此临界状态时的变形量与其上的冲击波参数的 关系为 [i b E 1／ 2 cos【 等 。 s 【 警 】出 5 式中， 占 0 ． 5 1 『 。 。 ； |l} -5 - ； 。 为 性变 形 最大变形量； 为单轴态载荷作用下的屈服应力。 由式 4 和式 5 可以分别得到比冲量和超压 的临界值， 记为P 和 i ．m ， 从中可得到梁对爆源的对 比 距离的估计值。 当梁为较脆材料时， 梁在冲击波载荷下可能不 发生塑性变形， 但发生断裂， 梁 已超出弹性变形范 围， 仍存在一定的塑性变形 ， 则可取其塑性变形最大 值， 记为 W 。 ， 作用到梁上的冲击波参数将 比由此 W 。 计算得到的冲击波参数大。如果没有出现塑性变 形， 则只能肯定冲击波强度的范围超出了梁弹性变 形临界值， 可用前面的公式进行估算。 2 ． 3 柱标志物的反推 在估算柱的破坏与作用到其上的冲击波参数间 的关系时， 仍采用弹塑性模型。如果在冲击波作用 下柱不发生塑性变形， 也未发生断裂， 则认为其变形 在弹性范围以内， 可以给出具体的估算公式为 i ／ 2 M L I A I V E h 。 ‘ 6 P E l , i t A i L 7 式中， 为梁的弯矩； 为柱的屈服极限， E为弹性 模量； ， 为柱的惯性矩； h为柱 的厚度； L为柱的高 度； 。 为柱迎冲击波方向的面积， 于是可得到对 比 距离的范围。 如果柱发生了塑性变形， 可根据变形量和柱的 特征参数估算冲击波参数， 具体步骤如下 首先， 由式 8 计算出柱 的弹性变形最大变形 量 W 。 为 W 02 0“ L 耵 8 其次， 塑陛阶段的最大变形量W ， 可由式 9 得到 W W W 0 9 式中， W 为柱实际的最大塑性变形量。 再次， 由计算柱最大塑性变形量公式可得到冲 击波 比冲量的估算值 。 i 。 2 L 2c I 1 ／ 2 m1 『 1 O 式中， 为空气冲击波作用到柱及支撑部分总面积。 维普资讯 第 2 3卷第 1 期 胡登高等爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定 1 0 3 2 ． 4 墙标志物的反推 J 在对墙的破坏的讨论中， 将其视为脆性板处理， 在前面的章节中已叙述了如何评价墙裂纹及破坏倒 塌的情况， 在此讨论的将是如何从已发生破坏的墙 评估其与爆源的对比距离。 2 ． 4 ． 1 墙未发生破坏时的评估 如果墙未发生任何破坏， 首先可用动态渐进线 方程， 即式 1 1 和式 1 2 给出其破坏临界值， 而后 可知此时作用到墙上的冲击波参数小于这 2 个临界 值 ， 由此可计算得到对比距离的范围。 3 ． 8 痂 。。。 [ 1 ． 0 3 ． 0 S X y y 『 Q7 9 Q 1 1 x ／ y Q7 9 X y ] 1 1 6 8 P X c r h [ 1 ． 0 3 ． 0 8 y y ] 『 Q7 9 Q 1 1 x ／ y Q7 9 X y ] 1 2 式中， 6 为墙开裂后的裂纹最大宽度；p为墙密度； 此 可计算相应的对比距离。 2 ． 4 ． 2 墙出现裂缝后的评估 如果墙出现了裂缝但未倒塌， 使用计算墙裂缝 宽度的经验公式， 在得到墙的尺寸和裂缝宽度情况 下， 就可计算比冲量值， 即 z 8 8Ap t ，／ 1 3 式中， Q为冲击波比冲量于裂纹长度的关系； t 为墙 厚度； A为墙的横截面积； K为无量纲 比例因子， 对 同材料的墙设为常数， 由此可计算相应的对比距离。 2 ． 4 ． 3 墙发生断裂后的对比 距离范围划分 如果墙发生倒塌或部分倒塌情况， 可认为是脆 性板破碎情况， 根据评估式 1 1 和式 1 2 就可得到 该墙断裂的临界值， 从而确定其破坏的超压值范围。 值得注意的是， 此处选取的单轴态屈服强度值是墙 的弯曲强度。 3 爆源位置和药量的估计 ll o J 在事故发生后确定爆源的具体位置和药量等情 况是事故分析和评估的重要内容和主要 目的之一， 也是标志物反推设计的主要 目的。根据现场， 爆源 的位置可根据目测的方法得到， 因为一般爆炸的痕 迹比较明显， 但如果现场比较复杂， 很难看出其具体 位置， 将妨碍事故评估的进行。在这里， 如果能找到 3 个不在同一直线上的标志物， 则可根据它们的破 坏情况和冲击波参数确定爆源的位置和药量。 3 ． 1 超压值和比冲量值计算对比距离 从超压值和比冲量值估算“ 对比距离” 时， 需要 解释“ 对比距离” 的意义。对凝聚态炸药 ， 其超压对 比距离和比冲量对比距离很多文献都有叙述， 在此 不再 复述 。 3 ． 2 确定爆心 爆源 位置 在确定爆心时， 必须取 3 个不在同一直线上的 点， 根据具体的情况计算得出 3 个点的对比距离， 从 这3个点确定爆心的可能位置。下面以凝聚态炸药 超压对比距离计算为例， 说明其过程。 C C b 图 1 爆心与选取点的位置关系 F i g 1 Ub i e t y o f b l a s t s o u r c e a n d s e l e c t p o i n t 可以想见， 爆心与选取点的相对位置有 3 种情 况， 在图l 中描述了其中2 种， 第一种爆心0在所取 3 个点A 、 、 c组成的三角形的外部， 如图 1 a ， 第 二种情况是爆心在其内部， 如图 1 b ， 另一种情况 就是爆心处于三角形的边上， 这是一种特殊情况。 设A 、 、 c距爆心0的对比距离分别为 、 r 和r c ， 实 际距离为 和 。A和 的距离为 2 ， 和 c的 距离为f ， c和 A的距离为 2 ， ， 设角A O B、 A O C 、 B O C 分别为 1 、 2 、 3 ， 则可 由△O A B 、 △O B C和 △O A C 根据余弦定理给出方程组 ， z ，2 2 2 c o s f 一2 c o s 1 4 z f 一 2 l Z ； c o 以上3 点均取超压对比距离为例， 可得到 2 r ， r ， 2 ； r ， 代人式 1 4 中， 得到式 1 5 。 r r y e - r 3 一 2 r b r C O O L ， 徊 ， 一 2 r a r c 2 c o ， ， 徊 一 2 r J “b 2 c o S ， 1 5 在这个方程组中， 已知Z 、 Z 、 Z ， 、 、 r 、 r 。 ， 而 3 个 角度和爆心药量是未知的， 所以要使该方程组封闭 可解， 必须再添加一个方程。选择角度关系来弥补 这一点， 图 1 a 第一种情况的角度关系是 1 2 3 1 6 图1 b 第二种情况的角度关系为 1 2 3 2 订 1 7 将式 1 5 与式 1 6 或式 1 7 联立， 就可组成四 元四次方程组， 从中可以解出爆心与所取 3点的真 实距离以及各自的角度， 还可以粗略地估算出爆心 维普资讯 爆破 2 0 0 6年 3月 的药量， 从而获得爆心的情况。 4实例分析 以凝聚态炸药爆炸后其超压值为例， 设已知爆 炸后3 个不在同一条直线 3点A 、 B 、 C ， 并已知它们 的超压值 分别 为 0 ． 0 1 5 4 M P a ， 0 ． 0 2 5 0 M P a ， 0 ． 0 0 7 0 M P a ， 3 点间的距离分别为A B 2 0 m， B C 2 5 m和 C A 2 0 m。 4 ． 1 对比距离的计算 对于A点， 由超压计算的经验公式的第一式计 算得到 3 个解 r 。 l一0 ． 0 6 6 8 5， 一0 ． 0 2 9 8 1 ， r a 3 1 3 0 ． 4 根据经验， 这些解都不合理， 而且 的值已经 超出了该公式的使用范围， 应舍去， 再使用第二式进 行计算 ， 可得到如下结果 r a 。 一1 ． 5 5 9 1 ． 1 4 7 i ， 一 1 ． 5 5 9 1 ． 1 4 7 i ， r 7 ． 4 6 9 。在这 3个根中， 2 个复数解不符合实际情况， 应当舍去。而 的值是 适当的， 且在公式的使用范围内。故应取该值为 A 点的对 比距离， 即 7 ． 4 6 9 。同理， 得到 B点和 C 点的对比距离分别为 5 ． 4 6 2和r 1 3 ． 1 9 。 4 ． 2 确定爆源的位置和药量 由式 1 7 所述 的角度 条 件， 可 知 C O S O t C O S ， 将其代入式 1 5 ， 从而得到方程组的 解为 a l1 7 5 ． 3 。 ， 21 1 3 ． 3 。 ， 37 1 ． 4 。 ， 3 ． 7 1 1 k g 。通过这一结果和对比距离的结果， 还可 以给出爆心3 个点的真实距离为 2 1 1 ． 5 m， 8 ． 4 5 6 m， Z ， 2 0 ． 4 2 m 。至此， 已得到爆心与3点的 距离、 角度以及爆心的药量等信息， 完全可以确定爆 心的位置， 如图2所示。 C 图 2 算例计算结果示意图 F i g 2 Re s u l t s k e t c h o f s a mp l e 4 ． 3 结果与讨论 a ． 在这个算法中， 比较困难的是确定现场 3 个 点的超压， 给出的确定方法是根据不同标志物的性 质和破坏情况， 比较合理 ， 且能适应实际工作中的多 样性， 有较大的实用价值 ； b ． 该方法还存在着一些不足。上述讨论的几个 典型标志物的破坏情况， 采用的只是简单的、 以临界 值进行划分的方法， 能量法不足之处是无法给出具 体的变形过程， 例如， 当金属梁发生塑性变形时， 其 给出的最大变形量就是不够准确的， 当使用其结果 作为其后的评价初始值时， 势必引起一定的误差， 而 且该误差不容易估计。外界冲击波对标志物的作用 超过临界值多大程度会引起多大的破坏， 这个问题 使用能量法是无法回答的， 如果想掌握该关系， 必须 通过大量的实验和更深入的理论研究决定。 参考文献 [ 1 ] HE X D A M． T h e H i g h E x p l o s i v e D a ma g e Mo d e l 。 E n g i n e e r ． i n g A n My s i s I n e 7 1 5 A c a d i a C i rcl e [ R] ． Hu n t s v i l l e ， A l a ． b a ma 3 5 8 0 1 - 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s i x t h I n t e ma t i o n a l P y r o t e c h n i c s S e m i n a r [ C] ． N a n j i n g ， 1 9 9 9 ． 9 2 9 5 ． [ 1 O] B a k e r W E ． A S h o r t C o u r s e o n E x p l o s i o n H aza r d s E v alu ． a t i o n [ R ] ． H o u s t o n S o u t h w e s t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 1 9 7 8 ． 维普资讯