淦 家 平
(解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)
室内燃气爆炸荷载规律试验研究
淦 家 平
(解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)
通过建立野外燃气爆炸试验系统，分析了甲烷浓度、泄压强度和泄压面积对室内燃气爆炸荷载的影响，得到了室内燃气爆炸荷载的特性和变化规律，有利于了解室内燃气爆炸荷载规律和作用机理。
燃气，爆炸荷载，甲烷，作用机理
随着天然气应用的普及，燃气爆炸事故频繁发生，对建筑结构和人员造成了极为严重的伤害。1968年英国Radon Point公寓发生燃气爆炸事故，造成了墙体和楼板连续性倒塌[1,2]。频发的爆炸事故使得结构在燃气爆炸荷载下的抗爆问题成为了研究的热点[3]。因此，对室内燃气爆炸荷载规律进行研究非常必要。
国内外学者对燃气爆炸荷载的产生机理和传播规律进行了研究，并取得了一些成果。Cooper和Fairweather等[4]对燃气泄爆状态下荷载的产生机理进行了较为详细的分析。王宝兴和经建生等[5]分析了一起严重的厨房天然气爆炸事故，指出事故原因是室内发生了声振不稳定燃烧。张秀华和王钧等[6]利用有限元方法，对室内燃气爆炸冲击波的特性及传播规律进行了分析。本文对室内燃气爆炸荷载规律进行了试验研究，分析了燃气浓度、泄压强度和泄压面积对荷载的影响，有利于了解室内燃气爆炸荷载规律，并对进一步研究燃气爆炸荷载下结构的动力响应和破坏形态具有重要的实际意义。
1 试验概况
1.1 试验装置
试验场地应选择野外的空旷场地。试验系统由燃气爆炸反应气室、燃气填充与浓度测定装置、起爆装置和数据采集装置组成，如图1所示。
1.2 试验工况
本文主要研究了燃气浓度、泄压强度和泄压面积对燃气爆炸荷载的影响，试验工况如表1所示。
表1 燃气爆炸荷载试验工况
2 试验结果与分析
表2 燃气爆炸压力峰值(一)
2.1 甲烷浓度对室内燃气爆炸荷载的影响
本文所研究的燃气爆炸是甲烷—空气混合气体的爆炸。甲烷—空气混合气体的爆炸极限为5%～15%[7]。工况1～工况8中的甲烷浓度分别为6.5%,7.5%,8.5%,9.5%,10.5%,11.5%,12.5%和13.5%，其他试验条件完全相同。这8种工况的泄压口封闭物均为5 mm厚的浮法玻璃，泄压面积为800 mm×800 mm。8种工况得到的压力时程曲线如图2所示，压力峰值情况如表2所示。
由图2可以看出，当甲烷浓度为6.5%时，曲线存在三个明显的压力峰值。第一个峰值出现在0.37 s，大小为9.38 kPa，这个峰值与泄压口封闭物的破坏有关。第二个压力峰值出现在1.01 s，大小为1.12 kPa。在泄压口打开之后，气室内部的燃烧反应还在进行，直到火焰到达气室内壁，反应速率不再增加，形成第二个峰值。第三个峰值出现在1.57 s，大小为5.94 kPa。这是由于气室内部发生了声振不稳定燃烧，在声振波和燃烧波的耦合作用下，压力继续增加的结果。当浓度为7.5%,8.5%,9.5%和10.5%时，曲线存在两个峰值。第一个峰值与泄压口封闭物5 mm厚的浮法玻璃有关，第二个峰值是室内发生声振不稳定燃烧的结果，且声振压力峰值要远大于第一个峰值。当浓度为11.5%,12.5%和13.5%时，曲线只有一个明显的压力峰值，这个峰值仅与泄压口封闭物有关。
由表2可以看出，当甲烷浓度由6.5%开始增加，燃气爆炸压力峰值也随之增加；当浓度为9.5%时，爆炸反应最为剧烈，压力峰值最大，可达133.41 kPa；当浓度高于9.5%时，压力峰值开始降低；浓度为13.5%时，压力峰值已经降到很低的水平，只有6.26 kPa。这是由于甲烷的理论混合比是9.5%，这个浓度下的甲烷—空气混合气体可以完全反应，引起的声振不稳定燃烧也越剧烈，产生的能量最大，而甲烷量过多或过少都会导致不完全反应。
2.2 泄压强度对室内燃气爆炸荷载的影响
工况9～工况17分别对泄压口封闭物为4 mm,8 mm和12 mm浮法玻璃在甲烷浓度为6.5%,9.5%和12.5%条件下的燃气爆炸荷载进行了研究。泄压面积均为800 mm×800 mm。9种工况得到的压力时程曲线如图3所示，压力峰值情况如表3所示。
由图3可以看出，当浓度为6.5%时，曲线存在两个压力峰值，且第二个峰值远远小于第一个。当浓度为9.5%时，曲线有两个压力峰值，但是第二峰值大于第一个，这是由于室内发生了声振不稳定燃烧。当浓度为12.5%时，曲线只有一个压力峰值。由试验可知当浓度不变时，仅改变玻璃板厚度，试验得到的压力时程曲线波形基本不变。
表3 燃气爆炸压力峰值(二)
由图3和表3可以看出，在相同燃气浓度下，随着玻璃板厚度的增加，也即泄压强度的增加，燃气爆炸的第一个压力峰值均随之增大。如浓度为9.5%，泄压口分别采用4 mm，8 mm，12 mm厚的浮法玻璃时，测得的第一个压力峰值P1分别为20.19 kPa,31.26 kPa,65.18 kPa。这是由于浮法玻璃板越厚，其破坏强度越大，造成泄压口被打开的时间也就越滞后的缘故，这就意味着燃气的爆燃气体被封闭的时间也越长，反应也就越充分、剧烈，积聚的压力当然也随之增长，同时第一个峰值压力出现的时间也被推迟了。
2.3 泄压面积对室内燃气爆炸荷载的影响
工况18和工况19的燃气浓度分别为9.5%和12.5%，泄压口封闭物采用5 mm厚的浮法玻璃，泄压面积为1 100 mm×1 100 mm，与工况4和工况7相比，仅仅改变了泄压面积，后者的泄压面积是800 mm×800 mm。四种工况得到的压力时程曲线如图4所示。
由图4可以看出，工况18和工况4都有两个压力峰值，且第二个压力峰值大于第一个；工况19和工况7均只有一个压力峰值出现，这个峰值与泄压口封闭物有关。这表明在浓度为9.5%和12.5%，泄压口封闭物为5 mm厚的浮法玻璃时，改变泄压面积，压力时程曲线的波形保持不变。
3 结语
本文通过对室内燃气爆炸荷载规律进行试验，结论如下：
1)室内燃气爆炸荷载与燃气浓度、泄压强度和泄压面积都有关系。
2)甲烷浓度较低时，燃气爆炸很有可能引起声振不稳定燃烧，形成声振压力峰值；甲烷浓度较高时，声振现象不容易出现，最大压力峰值仅与泄压口封闭物有关。甲烷浓度为9.5%时，符合甲烷的理论混合比，爆炸反应最为剧烈，声振压力峰值最大，对结构产生的破坏作用最大。
3)当浓度不变时，仅改变泄压强度，试验得到的压力时程曲线波形基本不变。增大泄压强度，能够导致与泄压口封闭物有关的第一个压力峰值明显增大，但是对由声振不稳定燃烧引起的第二个压力峰值影响不大。
4)改变泄压面积，压力时程曲线波形基本不变。增大泄压面积会导致第一个压力峰值略微降低，而第二个声振压力峰值则会大幅降低。因此，在实际应用中增大结构泄压面积，有利于减小燃气爆炸引起的危害。
[1] 郭文军，江见鲸.城市燃气爆炸事故及其防治对策[J].煤气与热力，1998,18(3):41-43.
[2] 郭文军，江见鲸，崔京浩.民用建筑结构燃爆事故及防灾措施[J].灾害学，1999,14(3):79-82.
[3] 李忠献，刘志侠，丁 阳.爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式[J].建筑结构学报，2008，29(4)：106-111.
[4] Cooper M G, Fairweather M, Tite J P. On the mechanisms of Pressure Generation in Vented Explosions[J]. Combustion and Flame,1986(65)：1-14.
[5] 王宝兴，经建生，王荣基.厨房发生严重天然气爆炸的可能原因[J].消防技术与科学,2007,26(6):702-703.
[6] 张秀华，王 钧，赵金友.室内燃气爆炸冲击波的特性及传播规律[J].工程力学,2014,31(6):258-264.
[7] 田贯三，于 畅，李兴泉.燃气爆炸极限计算方法的研究[J].煤气与热力,2006,26(3):29-33.
Experimental investigation on regularity of internal gas blast loading
Gan Jiaping
(StateKeyLaboratoryofDisasterPrevention&MitigationofExploration&Impact,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)
According to the outdoor gas blast experimental system, the paper analyzes the influence of the methane concentration, intensity of pressure, and pressure coverage on the indoor gas blast loading, concludes the features of the indoor gas blast and its changing law, so as to enhance the understanding about the load law for the indoor gas blast and its role mechanism.
gas, blast load, methane, role mechanism
1009-6825(2017)13-0032-03
2017-02-23
淦家平(1991- )，男，在读硕士
X932
A
