核爆炸荷载作用下土埋钢油罐受力特性模型试验

　　在汽车加油站及其他地下储油设施中,常采用土中全埋式钢储油罐。目前对于土埋钢油罐的设计,主要考虑平时作用的各种荷载(土压力、地表静载等),满足平时使用条件下的强度和稳定性要求[1～4]。但是,作为一种面广量大能源储存设施,在战争条件下如果能有效发挥功能,对于挖掘国家战争潜力、保证国家能源安全等无疑具有重要价值。因此,对于民用储油设施的平战转换问题已得到国内有关部门的重视,开展了关于普通土埋钢储油罐的抗爆性能、抗力评估以及相应设计方法和技术措施等课题的研究工作[5]。目前,关于钢油罐的抗震、抗爆等性能的分析主要针对地面油罐[6～10],土埋式钢储油罐在地面爆炸冲击波作用下的动力响应相对比较复杂,文献[11]开展了土埋式钢储油罐在地面爆炸冲击波作用下动荷载研究。本文对土埋钢油罐罐体模型在地面爆炸冲击波作用下的受力特性进行了研究。

　　1　试验方案

　　1.1　试验原理

　　试验加载装置采用核爆压力模拟器。模型预埋在核爆模拟器试验段的密实砂土内。当与试验量测系统同步的爆炸点火控制系统启动时,由电雷管引爆导爆索产生的爆炸气体经整流后形成作用于砂土表面的动压力(模拟地面冲击波)和土介质内传播的压缩波,压缩波与钢油罐模型相互作用,形成作用在模型的动压力和模型壳体的动应变。试验装置如图1所示,测试断面和测点如图2所示。

　　1.2　试验模型与测试系统

　　按照目前在汽车加油站及其他地下储油设施中常用的30 m3钢油罐(外径 2400,壁厚δ=8 mm,材料Q235钢),以1/4.8缩尺比例制作模型(与油罐实体几何相似)。模型外径为500 mm,长度为800 mm,壳体壁厚为2.0 mm,两端封板厚为4.0 mm,材料采用Q235钢板。模型在砂土内埋深取300 mm。

　　量测项目有空气冲击波压力、模型动压力、模型顶底点相对动位移和模型壳体动应变。其中,应变测试系统如图3所表示。

　　应变测试断面为模型中间断面和近端部断面(距端部100 mm),应变测点布置在各测试断面的顶部、底部和两侧部中点(图2),每个测点在模型壳体内壁布置纵向和环向电阻应变片(图4),分别测试壳体内壁的纵向和环向应变。

　　2　试验成果与分析

　　2.1　模型的外压与变形

　　试验共进行6次加载(6炮),表1为根据各个测点的试验时程曲线得到的空压、结构压力和位移峰值数据。峰值实际时刻(单位ms)为表中测量值乘以0.336,时间零点为爆炸触发时刻。

　　实验表明,作用在圆柱壳的动压波形均为有升压的指数规律衰减曲线,其中顶压升压时间为4～7 ms,正压作用时间大于120 ms;底压升压时间为6～8 ms,但压力峰值后衰减速度较顶压慢,正压作用时间大于200 ms;圆柱壳两侧部的动压试验波形基本对称,升压时间为4 ms左右。