管道穿墻板做法可采用剛性防水套管做法替代剛性密閉套管做法
摘要：爆炸沖擊波作用下人防工程各種管道穿墻板構造部位防護密閉性是否受到破壞，是一個值得深入研究的問題。對爆炸沖擊波作用下穿墻板管道進行了受力分析與計算，并對管道穿墻板的構造部位進行了爆炸沖擊波模擬實驗。試驗結果表明人防工程在各抗力等級爆炸沖擊波作用下，管道穿墻板做法可采用剛性防水套管做法替代剛性密閉套管做法，且穿墻板管道直徑可以達到100 mm以上，同時，試驗結果與提出的模型計算結論是相一致的，表明該模型的建立是合理的。
關鍵詞：人防工程；爆炸沖擊波； 穿墻板管道； 防護密閉性
戰時核、常規武器爆炸沖擊波作用下，人防工程各種管線（給排水管線、通風管線及供電、照明電纜線套管等）穿墻板（臨空墻、樓板）處為工程防護密閉較為薄弱的部位，這些部位若防護密閉不當遭到破壞，則會導致爆炸沖擊波及各種放射性物質、化學毒劑、生物戰劑進入工程內部造成人員傷亡及設備損壞。管道穿墻板工程做法有剛性防水套管做法和剛性密閉套管做法。《防空地下室給排水設計》規定采用剛性密閉套管做法，其做法雖然安全但比較復雜、成本較高。規范規定不合理原因主要是缺少必要的理論依據和相關的實驗驗證，對沖擊波破壞程度了解不夠。對爆炸沖擊波作用下管道穿墻板構造部位進行了受力分析與計算，并通過爆炸沖擊波模擬實驗分析了剛性防水套管做法替代剛性密閉套管做法在管道穿墻板工程中防護密閉的安全性。
1 管道穿墻板受力分析
1.1 管道與填料之間粘結作用
為達到防護密閉要求，人防工程管道穿墻板的工程做法是在管道與墻板之間的空隙采用填料填塞。管道外表面與填料之間的粘結強度是抵抗沖擊波壓力的關鍵。管道與填料之間的粘結作用類似于光圓鋼筋與混凝土之間的粘結作用[7-11]，主要有3部分組成：填料中的膠體與管道外表面的化學膠結力、管道外表面與填料接觸面上的摩擦阻力和由于管道表面粗糙不平所產生的機械咬合力。另外填料剪切粘結強度對管道與填料之間的粘結強度是有很大影響的，表1是幾種常用填料的剪切粘結強度值。管道穿混凝土墻板的粘結.
1.2穿墻板管道受力分析模型
管道穿墻板的剛性防水套管做法及其力學分析模型如圖2所示。受力分析時假定：1）同一截面上的鋼管應力和混凝土應力分布均勻以及同一截面四周的粘結應力分布均勻；2）受力過程中，不考慮混凝土和鋼管變形的非線性和塑性性質。
根據上述穿墻板管道受力分析模型，計算管道穿墻板工程構造部位的抗沖擊波安全性可按下式計算結果進行判別：
S≤R(1)
式中，S為荷載效應設計值；R為結構抗力設計值（即管道與填料之間的粘結力）。
荷載效應S按下式計算：
S=ygSk (2)
式中，yg為荷載分項系數，活荷載可取1.4；Sk為荷載效應的標準值。若荷載S是沖擊波超壓作用在管道穿墻構造處的壓力，則可參考《人民防空地下室設計規范》公式
S=ysPA (3)
式中，P為沖擊波作用在管道穿墻板構造處的等效靜壓；A為套管或穿墻管截面積，A= nd2/4，其中d為套管或穿墻管的外徑。沖擊波作用在管道穿墻板構造處的等效靜壓P玎按下式計算：
P= KfKdAPm (4)
式中，墨為沖擊波超壓反射系數，可取3.0；Kd為動力系數，可取1. 05；APm為地面沖擊波超壓，按不同的防護工程抗力等級來取值
結構抗力R按下式計算：
R =T．s (5)
式中，尺為鋼管與填料間的粘結力；T為鋼管與填料的平均粘結強度，按表l選取；s為鋼管與填料的粘結面積，s =4лrdh/3（粘結面積扣除了外墻或樓板中間1/3厚度所填油麻部分），其中d為套管內徑或穿墻管外徑，為外墻或樓板厚度。
1.3 管道穿墻板構造受力計算
采用圖2所示的剛性防水套管受力分析模型，可計算出不同管徑在不同抗力等級下管道穿墻板剛性防水套管構造部位所受到的沖擊波壓力如表2所示，套管或穿墻管與填料間的粘結力計算結果如表3所示。在計算中外墻或樓板厚度 h= 200 mm，填料采用石棉水泥填塞。
由表2和表3計算結果可知，套管或穿墻管與填料間的粘結力比沖擊波荷載要大的多，因此鋼管與填料間構造部位不發生強度破壞，可認為剛性防水套管做法在人民防空工程各抗力等級的沖擊波超壓作用下是能達到防護密閉作用的。
2爆炸沖擊波模擬實驗
2.1試件及做法
試驗臺板上均勻設置DN80剛性防水套管做法、DN100剛性防水套管做法和DN150剛性密閉做法3個試件，如圖3所示。臺板為鋼筋混凝土板，厚度按200 mm，混凝土強度按C30，根據荷載大小配置鋼筋。
“剛性防水套管做法”系指按國家建筑標準設計《防水套管》剛性防水套管（A型）安裝圖㈡( 02S404 16)做法；
2.2試驗內容
1)加載試驗
壓力峰值：P =0. 36 MPa;
升壓時間：T升≤10 ms；正壓作用時間：T正≥150 ms;
一炮，壓力誤差< +5%。
2)防護密閉性試驗
爆前、爆后均作滲水試驗；滲水方法是在臺板上灌水50 mm，上部充水后擱置24 h，觀察套管及地漏周圍的滲水情況。
2.3試驗結果
1)爆前滲水結果
從圖4中可看出試件上部充滿水，但底部干燥，無漏水痕跡，說明試件加工合格，滿足防水要求。
2)抗爆及爆后滲水結果
引爆后根據傳感器采集的數據作出沖擊波壓力隨時間的變化曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，作用在試件袁面的沖擊波升壓時間為82 ms，超壓作用時間為153 ms，實際作用在試件表面的最大超壓為0.41 MPa。
抗爆后的試件破壞狀況如圖6所示，從圖6中可以看出，管道穿墻構造部位均完好，無任何破壞現象，滲水試驗也合格。將試驗中試件表面的最大超壓為0.41 MPa代人建立的模型公式(1)一式(5)中，可計算得出管道穿墻板的剛性防水套管做法是能達到防護密閉作用的結論，本次試驗結果驗證了上述模型的計算結果，表明建立的爆炸沖擊波作用下穿墻板管道受力分析與計算模型是合理的，可為不同爆炸沖擊波超壓下管道穿墻板設計、施工及加固措施提供理論依據。
3結論
a．試驗表明管道穿墻板做法中的剛性防水套管做法與剛性密閉套管做法在人防工程4-6級抗力等級爆炸沖擊波作用下是安全的。剛性密閉套管做法雖然偏于安全，但相對剛性防水套管做法而言，制作過程較繁瑣，浪費材料和人工，因此可用剛性防水套管做法替代。
b．人防規范中規定穿墻板管道的公稱直徑不得大于75 mm，試驗表明DN100剛性防水套管做法可以抵抗0.41 MPa的超壓，完好無損，說明人防工程穿墻板管道直徑可以達到100 mm以上。
c．建立的管道穿墻板構造受力分析模型計算結果表明，剛性防水套管的粘結力比沖擊波壓力值要大得多，理論分析顯示此種工程做法是安全的，試驗結果也驗證了該計算結果是可信的。
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