具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及抗冲击基座设计安装技术领域。本发明围绕大型爆炸实验罐在实验过程中存在的安全性、使用便捷性等问题，提供了一种半潜式大型爆炸实验罐安装基础设计方法。本发明针对内部爆炸冲击波载荷的传递过程以及爆炸实验罐的通用性，提出了爆炸罐外部建筑结构的设计要求与方法；为解决冲击载荷向地基的传播，本发明在罐体底部设计了轴对称的8个隔振阻尼器，并提出选型和安装方法。本发明设计了支撑框架-隔振器-支撑框架的隔振结构，有效传递并吸收冲击载荷；设计了以壁面-钢结构-橡胶垫片-空气-爆炸罐罐体为安装方式的外部支撑结构，对爆炸罐罐体提供了有效的水平方向上的保护。本发明能够对爆炸实验罐内所进行的各类实验所产生的垂向和水平方向的冲击进行有效吸收和抵御，并对爆炸罐起到固定和防倾覆作用，具有极高的安全性，同时也具有易于安装的特点，具有较高的使用便捷性。

本发明中一种半潜式大型爆炸实验罐安装基础，包含了半潜式爆炸实验罐基坑外围加强6、爆炸罐外部支撑结构2、支撑框架以及隔振器4。爆炸罐外部支撑结构安装于爆炸罐外部建筑围绕罐体进行安装。隔振器以及支撑结构的安装顺序为爆炸罐外部结构基底-支撑结构-隔振器-支撑结构-爆炸罐罐体1。

一、半潜式爆炸实验罐基坑外围加强分为壁面和基底两个部分，主要材料为高质量混凝土，壁面在计算水平方向上的冲击载荷作用下的等效静力后，通过塑性铰线法对冲击作用点施加等效静力下的墙板进行配筋设计，基底在计算垂向冲击载荷作用下的等效静力和工作状态下爆炸实验罐及内容物和支撑结构的总重后，通过塑性绞线法对接触面施加总力进行设计。基底与壁面的连接处设计有排水通道7，可满足爆炸实验罐进行水爆实验的要求。

(1)确定实验工况下容器内爆炸冲击波强度。

对于球形药包，距爆心距离为R位置的水中冲击波峰值压为：

式中：p_m为测量点波阵面上的峰值压力，单位kg；K为与炸药性质有关的常数；W为药量，单位kg；R为测量点距药包中心的距离，单位m；α为与炸药性质有关的常数。

测量点水中爆炸冲击波超压p随时间t的衰减可表示为：

p(t)＝p_m·e^-t/θ (2)

式中：θ是水下爆炸冲击波衰减时间常数(单位为s)，对于球形装药由下式确定：

水中冲击波对障碍物作用的持续时间t_m(单位为s)由下式给出：

(2)确定冲击波比冲能。

当球形药包在水下爆炸时，流体表面波动位置确定的各点冲击波能量应等于表面移动的冲击波所作的功，所以单位质量的炸药水下属炸产生的冲击波能量可按下式进行计算，比冲能(单位为J/kg)：

其中，ρ为水的密度；C为水中声速。

(3)利用公式F_d＝αE_kd/δ_max计算冲击载荷作用下混凝土结构受到的等效静力，其中α为安全系数，δ_max为设计要求限制的最大位移。本发明给出0.6的参考值，可根据具体的安全程度要求提高该值；

(4)通过塑性绞线法对冲击作用点施加大小为F_d静力下的混凝土板进行配筋设计。

二、支撑框架分为上下两个部分，主要材料为高强度钢材，上支撑框架3用于连接爆炸罐罐体与隔振器，下支撑框架5用于连接隔振器与爆炸罐外部建筑基底。主要作用为承载爆炸罐的重量以及传递冲击载荷，鉴于爆炸实验罐支撑框架需要额外承担冲击的的特殊性，在参考我国《钢制化工容器结构设计规定》的基础上，提出优化后的设计方法：

(1)框架结构设计参考《钢制化工容器结构设计规定》中的内容：对于壳壁较薄、载荷较大的容器宜采用刚性环支座结构，刚性环支座可按现行行业标准《容器支座第5部分：刚性环支座》NB/T47065.5选用。本发明给出一种非标准刚性环支座结构设计以作参考。

(2)确定框架结构在冲击载荷作用下受到的等效静力。

通过振动模态试验或有限元仿真的方法获取框架结构的基频f_n；

根据以下公式计算动态缩放系数λ：

其中，T_d为冲击载荷的持续时间，由式(4)得出；f_n为框架结构的基频；

根据以下公式计算框架结构在冲击载荷作用下受到的等效静力F_s：

F_s＝λPS (7)

其中，P为冲击载荷的峰值，由式(1)得出；S为支撑结构与实验罐接触面积；

(3)参考行业标准《容器支座第5部分：刚性环支座》NB/T47065.5，在容器竖向载荷W中添加等效静载F_s进行强度校核。

三、隔振器共8件每件相隔45°环向布置于支撑结构上，隔振器的选型根据罐体满载质量以及爆炸实验罐所能承载的最大爆炸载荷确定。隔振器的设计，分为选型以及安装两部分。关于安装，隔振器一共8只，以支撑框架的中心为圆心环向均匀间隔45度进行安装，隔振器应安装与支撑框架的梁所在位置的上方，从而有效传递载荷，对角安装的隔振器的中心距离不能太近，防止倾覆。关于选型，以隔振器的利用率(利用率：η＝实际承重/隔振器最大承重)作为安全系数，安全系数越低代表安全性越高，以要求的安全性高低对隔振器进行选型，其中在本系统中，则假设系统收到冲击载荷激励后做无阻尼简弦运动，则实际承重：F＝M·(g+a)/8，M为隔振器上部结构的总质量，g为重力加速度，a由振动方程y(t)＝Bcosωt+Asinωt解出。

四、爆炸罐外部支撑结构环绕爆炸实验罐安装在壁面上，高度与罐内工作平台高度相同，安装方式为壁面-支撑框架-橡胶垫片-空气-罐体，用于抵消隔振器残余的力矩，防止爆炸实验罐倾覆。爆炸罐外部支撑结构设计，主要作用是抵消隔振器意外失效时未能抵消的力矩，以及防止爆炸实验罐意外倾覆，主要材料为高强度钢材以及橡胶，分为工作平台和支撑结构两部分，支撑结构安装方式为壁面-钢结构-橡胶垫片-空气-爆炸罐罐体，一共8只环向布置于壁面，其中空气层起到方便爆炸实验罐吊装以及充分利用隔振器从而减少外部支撑结构的损耗率的作用，空气层厚度的由以下公式得出：

d＝A-e (8)

其中e为橡胶块所能承受的最大压缩量；A由假设系统收到冲击载荷激励后，在隔振器工作行程的限制下，做钟摆运动所能产生的最大位移幅值，由以下公式得出：

其中h₁、h₂分别为隔振器在额定工况下的压缩行程和拉伸行程；h为支撑框架与隔振器的相对高度；R为隔振器的安装半径。

综上，一种半潜式大型爆炸实验罐安装基础设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设计可承受大小为F_d静力作用的基坑加强壁面；

F_d的计算方法为：

F_d＝αE_kd/δ_max

其中，E_kd为实验罐内爆炸冲击波的比冲能；R₁为罐内壁面距爆心的距离，单位为m；W为炸药的药量，单位为kg；ρ为实验罐内水的密度；C为实验罐内水中声速；t_m为水下爆炸冲击波对距爆心距离为R₁的罐内壁面的作用时间，p₁为水下爆炸冲击波对距爆心距离为R₁的罐内壁面的峰值压力，K、α为与炸药性质有关的常数；θ₁为水下爆炸冲击波衰减时间常数，单位为s，α为设定的安全系数；δ_max为设定的最大位移限制；

步骤2：设计可承受大小为F_s静力作用的支撑框架；

F_s的计算方法为：

F_s＝λp₂S

其中，S为支撑框架与实验罐的接触面积；p₂为水下爆炸冲击波对距爆心距离为R₂的支撑框架的峰值压力，T_d为水下爆炸冲击波对距爆心距离为R₂的支撑框架的作用时间，f_n为支撑框架的基频；

步骤3：将支撑框架拆分为上支撑架与下支撑架，在上支撑架与下支撑架之间布置隔振器阵列；所述的隔振器阵列包括x个隔振器，x个隔振器以支撑框架的中心为圆心环向均匀安装于支撑框架的梁所在位置的上方，从而有效传递载荷；隔振器至少能够承受大小为F_G的重力；

F_G＝M·(g+a)/x

其中，M为隔振器上方实验罐和上支撑架的总质量；g为重力加速度，a表示由于冲击载荷造成的加速度，由实验罐与支撑框架整体受到冲击载荷激励后做无阻尼简弦运动的振动方程y(t)＝A₁cosωt+A₂sinωt解出；A₁、A₂表示振幅；ω表示振动频率；

步骤4：设计实验罐的外部支撑结构；所述的外部支撑结构环绕实验罐上部外侧布置在基坑加强壁面上，用于抵消隔振器意外失效时未能抵消的力矩，防止实验罐倾覆；所述的外部支撑结构端部采用弹性垫片，外部支撑结构与实验罐之间预留厚度为B的空气层；

B＝A₃-e_m

其中，e_m为弹性垫片所能承受的最大压缩量；A₃表示在隔振器工作行程的限制下，实验罐做钟摆运动所能产生的最大位移幅值；h₁为隔振器在额定工况下的压缩行程；h₂为隔振器在额定工况下的拉伸行程；h为支撑框架与隔振器的相对高度；R₃为隔振器的安装半径；

步骤5：根据设计好的基坑加强壁面、支撑框架、隔振器和外部支撑结构，搭建半潜式大型爆炸实验罐系统。

本发明提出了一种完整的爆炸实验罐安装基础标准设计方案，通过给出爆炸试验罐的外形参数、满载情况下的质量以及额定工况下爆炸实验罐所能产生的水平和垂直两个方向的冲击载荷提出方案中各个部分的具体设计方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。