建筑结构的抗爆设计方法研究.doc

1、建筑结构的抗爆设计方法研究【摘要】爆炸对于建筑结构具有巨大的冲击力，容易导致建筑结构的损坏，因此，建筑结构设计中运用抗爆设计非常重要。本文将从以下几个方面来分析建筑结构进行抗爆设计的必要性，并重点分析了如何进行抗爆结构的设计。 【关键词】建筑结构；抗爆设计；方法 中图分类号： TU2 文献标识码： A 一、前言 随着建筑行业的发展，抗爆设计也成为了建筑结构设计的重要工作之一。抗爆设计不仅能够提升建筑物的性能，还能够有效的提升建筑物的安全性，进而保证居民的人身财产安全。 二、爆炸冲击波的特点 众所周知，爆炸瞬时会产生巨大的冲击波，这种冲击波在遭遇阻力的时候，就会产生破坏效应，例如安置在室内，房屋

2、的内部结构必然受到冲击波的冲击而毁坏。通常爆炸荷载对建筑物的冲击破坏作用主要有以下特点： 1、其作用的强度比地震或者台风荷载要大得多，通常都会高出建筑物本身的设计荷载几个甚至十几个数量级，巨大的冲击能量会产生相当大的破坏效应； 2、爆炸的冲击波作用程度与距爆点的远近有极大关系，靠爆点越近的建筑物结构、或者处于爆点正面建筑物的受到的损坏程度比距离爆点远、处于爆点侧面的严重； 3、爆炸持续的时间非常短，以毫秒计算。通常是在引爆的前数十毫秒内，爆炸的作用由最大降至零点，建筑物在瞬间遭受极大的冲击力量；4、极大的爆炸冲击波作用于建筑物结构，会击碎建筑物结构，大量的碎片被击飞，导致人员被伤。 三、爆炸冲

3、击波对建筑结构的损伤作用 如前所述，爆炸对建筑结构的破坏效应主要是爆炸冲击波。爆炸冲击波对建筑结构的损伤可以分为直接空气冲击波作用和渐进坍塌。近爆点的高压和爆炸冲击会对建筑的外围护结构如外墙、窗户、楼板系统、梁、柱和钢结构支架等造成破坏作用，称为直接破坏效应。渐进坍塌是指由于局部构件的破坏引起结构其他部分的破坏，最终导致整个结构破坏或倒塌的现象，也称连续性倒塌。因此，建筑结构爆炸破坏过程可以划分为: 1、脆性围护材料产生高速飞射的碎片，特别是玻璃飞片，对人员和设备的伤害危险巨大。防爆措施和抗爆设计中应充分考虑这些因素。 2、结构构件的局部破坏，即距离爆炸点近的外围结构构件在强烈冲击波作用下的破

4、坏。 3、连续倒塌，由于外围关键构件的破坏，结构约束减少，破坏后剩下的结构体系不完整，不足于支承整个建筑物而发生连续的倒塌。建筑物整体倒塌对人身的伤害最严重，抗爆设计应最大限度地避免结构的连续性倒塌。 衡量爆炸冲击波的损伤破坏作用通常采用 3 种准则:超压准则、冲量准则和超压冲量准则。超压准则认为，冲击波超压达到某一临界值后，就会对目标造成损伤或破坏，其缺陷是只考虑超压，没有考虑超压持续时间；冲量准则则是以单位面积上的最大冲量作为评价目标破坏程度的依据，同时考虑了超压与超压作用持续时间以及波形的影响，但该准则对超压低于破坏临界值的情况，会得出错误的结论，因为超压低于临界值时，即使作用时间再长，

5、冲量再大，目标也不会破坏；超压冲量准则认为破坏效应由超压与冲量共同决定，满足条件(PPcr)(IIcr)=C，即认为可对目标造成损伤或破坏，其中 C 为常量；P、I 分别为冲击波超压和冲量；Pcr、Icr 分别为目标破坏损害的临界超压和临界冲量；但目标 C 值的确定很困难。目前应用最多的则是超压准则。归纳总结国内外理论及试验研究结果，爆炸冲击波对建筑物的损伤评判标准如表 1 所示。 四、建筑结构抗爆设计方法 1、普通民用建筑抗爆设计方法在分析以往爆炸现场,总结爆炸灾害经验和进行大量研究分析的基础上,美国土木工程协会于 1996 年颁布了民用建筑抗爆设计方法,步骤如下:(一)确定所设计的建筑物遭

6、受恐怖袭击的可能性(概率)；(二)确定建筑遭受到的炸弹的量级和所遭受的空气冲击波荷载特性；(三)选择结构体系,确定合适的结构形式来抵抗爆炸冲击波荷载；(四)对结构构件进行抗爆受力分析；(五)为防止门窗碎片对人体的伤害,对门窗玻璃进行抗爆分析,采用防爆玻璃；(六)对防爆门和建筑物开洞(设备管道井开洞)等进行抗爆分析。2、工业建筑抗爆设计方法由于石油化工企业生产条件的特殊性,该类建筑结构内部也常常发生爆炸,为此美国土木工程协会也颁布了石油化工建筑的抗爆设计方法,步骤如下:(一)根据建筑的实际情况或业主要求定义建筑抗爆等级；(二)分析爆炸量级,通过确定爆炸量级即 TNT 当量来量化设计冲击波超压值；

7、(三)分析结构在爆炸荷载下的极限承载能力；(四)确定作用在结构构件上的冲击波荷载；(五)选择结构体系、建筑材料及响应准则,结合结构自身特性与抗爆设计极限来选择合适的建筑材料和结构体系；(六)结构动力分析及构件设计；(七)结构及构件详图设计。3、建筑结构抗爆设计原则与军事构筑物相比,民用建筑的抗爆设计往往是比较困难的,原因有: (一)爆炸点位置及方位的不确定,增加了结构抗爆设计的复杂程度,一个完整的抗爆设计往往需要根据实际情况考虑各种可能发生爆炸的位置,分析在各个位置爆炸对建筑的伤害； (二)炸弹的量级即相应 TNT 当量的取值很难确定； (三)设计受到实际建筑造型、造价等因素的影响,需要综合考

8、虑各个因素的影响； (四)建筑外部爆炸时,门窗等围护结构要“刚”,才能有效抵抗外部冲击荷载的冲击,而建筑内部爆炸时,该类结构要“柔”,才能有效泄爆,防止冲击波积聚对承重构件的伤害,所以该类非结构构件的刚柔平衡设计也是建筑抗爆设计的一个难点； (五)与结构的抗风、抗震设计不同,结构抗爆设计通常要考虑泄爆的影响,该过程中荷载的大小及结构的受荷面积很难确定。建筑结构抗爆设计应遵循以下原则: (一)根据建筑功能分区,合理确定建筑内可能发生爆炸的位置及方位,判断并区分爆炸对结构造成的伤害是的整体伤害或是局部冲击损伤； (二)为防止结构的整体伤害,应结合结构自身的特性,分析结构在爆炸荷载下的动力响应,从而

9、形成一套安全可靠的泄爆体系,防止其在爆炸作用下整体失稳,造成连续性倒塌； (三)对于构件的局部冲击损伤,应对可能发生局部冲击损伤的构件进行加固,防止承重构件在爆炸荷载作用下丧失承载能力,从而影响到整体结构造成连续性倒塌； (四)平衡非结构构件的“刚” 、 “柔”关系,避免其成为伤害人体的杀手,又要使其在内部爆炸情况下起到泄爆的作用；(五)建筑方面要做好防火、排烟、人员疏散等措施,逃生出口、通道不因爆炸冲击而破坏,钢结构防火层设置应确保爆炸造成火灾时人们有充足的逃生时间。 五、结束语 综上所述，本文分析了爆炸冲击波的特点，以及爆炸冲击波对建筑物的损伤作用，详细论述了不同类型建筑结构的抗爆设计方法，希望可以为建筑行业的抗爆设计提供有意义的借鉴。 【参考文献】 1李翼祺,马素贞.爆炸力学M.北京:科学出版社,2012.23. 2佐建君,张光雄,杨军.汽车爆炸的超压分布规律实验研究J.安全与环境学报,2009,6(1):31. 3史春芳,徐赵东.工程结构抗爆技术的研究现状J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2010,(05). 4应付钊.抗爆建筑物的抗爆设计浅谈J.医药工程设计,2010,(06).5宇德明，冯长根，曾庆轩，等.爆炸的破坏作用与伤害分区J.中国安全科学学报，2010，5(增刊):1317