第43卷第13期2 0 1 7 年 5 月
SHANXI ARCHITECTURE
山西建筑
Vol.43 No. 13 May. 2017
文章编号：1009-6825 (2017) 13-0032-03
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)
摘要: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。关键词:燃气，爆炸荷载，甲烷，作用机理中图分类号:X932
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。Coopei■和Fairweathei■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。
文献标识码:A
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
工况编号
12345678910111213141516171819
玻璃厚度/mm
5555555548124812481255
浓度/%6.57.58.59.510.511.512.513.56.56.56.59.59.59.512.512.512.59.512.5
泄压面积/mm2800 x 800800x800800 x 800800x800800 x 800800x800800 x 800800x800800 x 800800x800800 x 800800x800800 x 800800x800800x800800 x 800800x8001 100 x1 1001 100 x1 100
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。
2试验结果与分析
表2燃气爆炸压力峰值（_)
工况编号
123456
浓度/%6.57.58.59.510.511.512.513.5
P/kPa
P2/kPa
尸/kPa5.94———————
9.387.3210.6712.239.968.017.966.26
1.1279.2688.16133.4189.69———
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
78
Zuo Hongliang Qiu Yitong
(School of Civil Engineerings Northeast Forestry University t Harbin 150000, China)
Abstract: A new anchor form is proposed in order to improve the local crush of the glulam beam ends when reinforcement of the beams bending test is carried out. Comparing the slotted reinforced beams with the anchorage shape of u L,? reinforced glulam beams and analyzing failure form of beams, ultimate bearing capacity, load deflection curve, beam ends ’ section strain. To conclude, the new anchor device can be used in practice.Key words ： reinforced glulam beam, bending performance, anchor device, section
收稿日期=2017-02-23作者简介:淦家平（1991-),男，在读硕士
Bending performance test on the different anchorage forms of reinforced glulam beams
第43卷第13期2 0 1 7年5月
2.1甲烷浓度对室内燃气爆炸荷载的影响
淦家平:室内燃气爆炸荷载规律试验研究
• 33 •
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
本文所研究的燃气爆炸是甲烷一空气混合气体的爆炸。甲
焼一空气混合气体的爆炸极限为5% ~ 15% [7]。工况1 ~工况8
5%时，压力峰值已经降到很低的水平，只有 中的甲烷浓度分别为6. 5%，7. 5%，8. 5%，9. 5%，10. 5%， 始降低;浓度为13.
11.5%，12.5%和13.5%，其他试验条件完全相同。这8种工况 6.26 kPa。这是由于甲烷的理论混合比是9.5% ,这个浓度下的 的泄压口封闭物均为5 mm厚的浮法玻璃，泄压面积为 800 mm X 800 mm。8种工况得到的压力时程曲线如图2所示，压 甲烷一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 力峰值情况如表2所示。
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.40.8 1.21.6 2.0
时间/s 时间/s 100 r
a)工况1
b)工况2
6
o
4o2o08
o
6o4o2
o
oco
1〇0.40.8 1.2
1.6
2.0C0.0 0.40.8 1.21.6
2.0
时间/s
时间/s
c〇工况3d)工况4
时间/s
时间/s
e)工况5
f)工况6
l〇r
M
^
¥l
w
-21----1---------1------1---------1---------1
_9
0.0 0.4
0.8 1.2 1.6
I___|____|_____Iv I____|
时间/s
2.0 〇.〇
0.4
0.8 1.2
1.6
2.0
时间/sg)工况7
h)工况8
图2压力时程曲线(一）
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，反应速率不再増加，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。
反应。
8 r
-2
0.0 0.40.8 1.21.6 2.0
时间/s
a)工况9
6 4
2
0
-2
—4 0.0
0.40.8 1.21.6 2.0
时间/s
f
)工况14
g)工况15
-R
§
If! 20
-10
0.0 0.4
时间0.8 1.2
1.6 2.0
/s
时间/s
h)工况16
i)工况17
图3压力时程曲线(二）
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 X 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。
•
34
•
第43卷第13期2 〇 1 7年5月
山西建筑
工况18和工况19的燃气浓度分别为9. 5%和
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
工况编号
91011121314151617
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 X 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 mmx800 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
3
燃气爆炸压力峰值（二
厚度/mm
481248124812
)
P2/kPa
浓度/%6.56.56.59.59.59.512.512.512.5
P/kPa
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
5.6518.4225.5820.1931.2665.1814.0422.8456.54
0.884.222.79138.3790.4997.56———
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。参考文献：
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&分别为 20.19 kPa，31.26 kPa，65. 18 kPa。这是由于浮法玻璃板越厚，其
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
[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
时间/S
C)工况4
时间/sd)工况7
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.
图4压力时程曲线(三）
Experimental investigation on regularity of internal gas blast loading
Gan Jiaping
(State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of
Exploration & Impact f PLA University of Science and Technology f Nanjing 210007, China)
[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.
Abstract ： 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 en
hance the understanding about the load law for the indoor gas blast and its role mechanism.Key words： gas, blast load, methane, role mechanism
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