1、解析民用建筑结构的抗爆设计方法摘 要：目前世界范围内的恐怖袭击引起的爆炸，对周围的建筑物造成了严重破坏，引起了极大的伤亡和财产经济损失。本文在分析了爆炸荷载的特点和对建筑物的损伤特性的基础上，提出普通民用建筑结构抗爆设计方法和设计原则。 关键词：民用建筑结构；抗爆设计；恐怖袭击 中图分类号： TU24 文献标识码： A 前言：当今社会由于地区经济发展不平衡、种族主义、宗教矛盾等问题，恐怖袭击活动日益猖獗。其中大多数的恐怖袭击方式都是恐怖爆炸的形式，恐怖分子一般各种炸弹甚至自杀性人体炸弹爆炸等形式进行爆恐怖袭击，手段十分残暴。这些恐怖爆炸活动对周围的建筑物尤其是普通民用建筑造成极大的破坏，对人民
2、的生命财产和社会进步造成了不可估量的损失，在这种情况下就要求我们更加注重民用建筑的防爆设计，以减少人民生命财产的损失。 1 爆炸袭击对建筑结构的损伤及其危害 1.1 爆炸荷载的特点 爆炸是指物质在很短的时间内急剧燃烧，释放出大量的热量，并在瞬间以对外做机械功，周围介质中造成高压的化学反应或状态变化，是一种能量释放过程。爆炸荷载对目标物的作用形式是冲击波，炸弹的质量(TNT 当量)和爆炸点到目标的距离是影响冲击压力的大小主要因素。 爆炸荷载对建筑物冲击作用的具体特征可概括为以下几个方面： (1)通常，爆炸荷载对建筑物施加的压力与其它荷载相比要大的多。一些科研团队对汽车爆炸的超压分布进行了实验研究
3、，研究了车类型，炸药装药量，测点与炸药距离等因数对超压冲击波大小的影响。用 3kg TNT 炸药对解放货车进行测验，测点与炸药距离为 4.5m 时产生的超压约为 284kPa。恐怖分子在使用汽车炸弹实施恐怖活动时，装药量通常远大于 3kg TNT，产生的超压自然比 284kPa 大很多。这么大的冲击波超压必然会使建筑物的构件遭到破坏，甚至整个结构体系失去完整性发生连续性倒塌。 (2)爆炸所产生的冲击波超压持续时间极短，通常以毫秒来计算，而压力却很高，可达数百个兆帕甚至更高，即在几毫秒内爆炸冲击波从最大值变到零，建筑结构在爆炸中会承受很大的冲量。爆炸冲击波压力曲线的典型曲线为指数型函数，一般，为
4、了简化计算，我们在实际工程中会根据计算和爆炸的实际情况将指数型的冲击波压力时程曲线简化为线性下降的三角形冲击波压力曲线。 (3) 随着距离爆炸点距离的增加，产生的冲击波压力会快速地衰减。所以，爆炸产生的破坏作用也会随着距离的增加而减弱，通常，建筑物正对着爆点的一面比背着的一面所受到的破坏要严重，但是在某些建筑物密集的场合，有时因为反射冲击波的作用，建筑背面也会遭到破坏。 1.2 爆炸荷载对建筑物的损伤特点 爆炸产生的冲击波会对建筑物产生不同程度的破坏和损伤，但这个破坏和损伤过程是一个极其复杂的过程。在上节中阐述了爆炸荷载和目标物受到的一般荷载相比有其自身的特点，因此爆炸荷载对建筑物的损伤也有其
5、明显的特点。因为爆炸产生的冲击波对建筑物的作用远远大于其他荷载，所以近距离爆炸对建筑物产生的破坏比其他荷载对其的破坏大。但是，由于爆炸产生的冲击波压力会随着距爆心距离的扩大而快速减弱，所以因爆炸产生的破坏影响的范围较小，甚至有的时候对建筑物的破坏也只是局部的。此外，爆炸荷载的持续时间较短，比其他灾害的持续时间都短。 由于爆炸冲击波造成的建筑物的损伤大致可以分为直接空气冲击波作用和渐进坍塌。在近爆点处的高压影响和爆炸时的冲击力会对建筑的外部维护构件如结构的外墙、门窗、楼板体系等的造成的破坏，称为直接破坏作用。渐进坍塌是指因为局部构件的破坏从而导致结构另外构件的破坏，最终致使整个建筑结构都发生破坏
6、或倒塌的现象，也称连续性倒塌。 以往的研究表明可以把爆炸过程大致分为以下几个过程。 (1)局部构件破坏，就是在距离爆炸点最近的外部构件在剧烈的冲击波下率先破坏。 (2)连续倒塌现象，由于外围关键构件的被破坏，结构的体系约束迅速减少，破坏后所剩下的结构体系是不完整的，已经不足以支撑整体的建筑物从而发生建筑物的连续倒塌。根据各类爆炸现场分析，爆炸造成建筑物整体倒塌对人体的伤害是最严重的，所以建筑结构的抗爆设计应最大限度的避免结构连续性倒塌。 (3)产生高速飞射的破碎固体，对人员和设备会带来较大的威胁。玻璃作为一种透明的建筑材料，越来越多的使用于窗户和玻璃幕墙中。但玻璃质地很脆，在爆炸冲击波荷载作用
7、下很容易破碎飞溅，所以它在提高建筑物的建筑美感的同时也给建筑防爆带来很大困难。其他类似的脆性建筑材料都会发生这种现象，在抗爆设计时应给予充分考虑这些因素。2 建筑结构抗爆设计 2.1 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： (1 明确所将要进行设计的建筑物遭受恐怖袭击的概率有多大； (2)明确建筑物所受到的炸弹的能量量级和所遭受的空气中的冲击波荷载特性； (3)选择结构体系，确定比较适合的结构体系来抵抗爆炸冲击波荷载；(4)对结构构件进行抗爆受力分析； (5)为防止门窗碎片
8、对人体的伤害，对门窗玻璃进行抗爆分析，采用防爆玻璃。 2.2 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：(1)爆炸点的位置和其方向的不确定性，导致了建筑结构抗爆设计的复杂程度的增加，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；(2)炸弹的量级即相应 TNT 当量的取值很难确定；(3)设计受到实际建筑造型、造价等因素的影响，需要综合考虑各个因素的影响；(4)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
9、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；(5)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。可见，要想设计出抗暴民用设计非常困难，因为很难用固定的结论或者统一的公式来遵循。所以应在民用建筑的抗爆原则的前提下，来推广成合理的结构抗爆设计框架。 建筑结构抗爆设计应遵循以下原则：(1)根据建筑的功能分区，明确并判断在建筑内部会发生爆炸的方位，以便于可以明确爆炸对结构造成的损坏是的整体结构的破坏还是局部的冲击损伤；(2)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，从而形
10、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；(3)对有可能会发生局部冲击破坏的结构构件进行必要的加固，防止建筑的承重构件在发生爆炸时会影响到整体结构，造成结构的连续性倒塌而导致丧失整体承载能力；(4)对于非结构构件，要使其“刚”“柔”关系平衡，既要防止非结构构件成为伤害人体的杀手，又要在内部爆炸时使其在起到泄爆的作用；(5)建筑物的设计、施工应严格考虑，做好必要的安全措施（如防火、排烟、人员疏散等） ，严格控制逃生出口、通道等设施的强度，使其不会因爆炸冲击而破坏，钢结构防火层的设置应确保爆炸火灾发生时人们有充足的逃生时间。 结语： 恐怖主义爆炸越来越频繁，造成巨大的人员伤亡及财产损失，给社会带来无限的恐慌，所以土木设计师们越来越重视对建筑物的抗爆防爆设计。爆炸冲击波由于其对建筑物施加的压强大，超压持续时间极短等特点，对建筑物的破坏往往是毁灭性的。 参考文献： 1李翼祺，马素贞.爆炸力学M.北京：科学出版社，1992. 2李国强，孙建运，王开强.爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究J.振动与冲击，2007，26.
