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【摘要】本文分析了爆炸对于建筑结构的损伤和随之带来的危害，介绍了建筑结构抗爆设计的设计原则和设计方法，有一定的参考价值。
【关键词】建筑结构；抗爆设计；爆炸
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
现今世界日渐增加的恐怖袭击以及生活中出现的意外爆炸都会对建筑物造成不同程度的破坏，严重的情况下时有伤及生命。对建筑结构抗暴设计的研究和讨论已经成为一项非常重要的课题。
2 爆炸袭击对建筑结构的损伤及其危害
爆炸荷载以冲击波的形式作用于目标物。冲击波峰值超压的大小主要取决于炸弹的质量(TNT当量)和爆炸点到目标的距离。我国国防工程设计规范中规定的空爆冲击波超压计算公式为:
式中ΔPf为冲击波峰值超压,W为TNT当量,R为爆炸点到目标的距离。从公式中可以看出,炸弹的质量越大,爆炸点到目标的距离越小,爆炸产生的冲击波峰值超压就越大,也即对目标的破坏就越严重。
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)爆炸荷载对目标建筑物施加的压强通常要远远大于其它荷载。等对汽车爆炸的超压分布进行的实验研究可以提供实验支持,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。对于3kgTNT炸药的解放货车,测点与炸药距离为4.5m时产生的超压约为284 kPa。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3kgTNT,产生的超压自然比284 kPa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。因此,建筑结构承受的冲量很大。典型爆炸冲击波压力时程曲线如图1所示,其函数关系为一指数型函数。在实际工程中,为了简化计算,根据计算和爆炸的实际情况,在不失一般性的基础上,可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,如图2所示。
(3)爆炸产生的冲击波压力随着距爆点径向距离的增加而迅速衰减。因此,爆炸作用产生的破坏范围有限,通常面对爆点的建筑正面所受到的破坏要比背面严重得多。在建筑物密集的场合,建筑背面有时也会因为反射冲击波的作用而遭到破坏。
2.2 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。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,爆炸产生的冲击波压力会随着距爆心距离的增加而迅速衰减,因此爆炸产生破坏作用的范围较小,有时候对建筑物的破坏只是局部的。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。
由爆炸冲击波造成的建筑物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、柱和钢结构支架等的造成破坏作用,称为直接破坏效应。渐进坍塌是指因为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。
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,即距离爆炸点近的的外围构件在强烈的冲击波下先破坏。
(2)连续倒塌现象,由于外围关键构件的被破坏,结构约束减少,破坏后剩下的结构体系不完整,不足于支撑整个建筑物而发生连续的倒塌。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)产生高速飞射的碎块,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。
3 建筑结构抗爆设计
3.1 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)确定所设计的建筑物遭受恐怖袭击的可能性(概率);
(2)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;
(3)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;
(4)对结构构件进行抗爆受力分析;
(5)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;
(6)對防爆门和建筑物开洞(设备管道井开洞)等进行抗爆分析。
3.2 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:
(1)根据建筑的实际情况或业主要求定义建筑抗爆等级;
(2)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;
(3)分析结构在爆炸荷载下的极限承载能力;
(4)确定作用在结构构件上的冲击波荷载;
(5)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;
(6)结构动力分析及构件设计;
(7)结构及构件详图设计。
3.3 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:(1)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;(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。
建筑结构抗爆设计应遵循以下原则:(1)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; (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;(4)平衡非结构构件的/刚0/柔0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;(5)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。
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]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,2006,6(1):31-33。
【关键词】建筑结构；抗爆设计；爆炸
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
现今世界日渐增加的恐怖袭击以及生活中出现的意外爆炸都会对建筑物造成不同程度的破坏，严重的情况下时有伤及生命。对建筑结构抗暴设计的研究和讨论已经成为一项非常重要的课题。
2 爆炸袭击对建筑结构的损伤及其危害
爆炸荷载以冲击波的形式作用于目标物。冲击波峰值超压的大小主要取决于炸弹的质量(TNT当量)和爆炸点到目标的距离。我国国防工程设计规范中规定的空爆冲击波超压计算公式为:
式中ΔPf为冲击波峰值超压,W为TNT当量,R为爆炸点到目标的距离。从公式中可以看出,炸弹的质量越大,爆炸点到目标的距离越小,爆炸产生的冲击波峰值超压就越大,也即对目标的破坏就越严重。
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)爆炸荷载对目标建筑物施加的压强通常要远远大于其它荷载。等对汽车爆炸的超压分布进行的实验研究可以提供实验支持,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。对于3kgTNT炸药的解放货车,测点与炸药距离为4.5m时产生的超压约为284 kPa。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3kgTNT,产生的超压自然比284 kPa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。因此,建筑结构承受的冲量很大。典型爆炸冲击波压力时程曲线如图1所示,其函数关系为一指数型函数。在实际工程中,为了简化计算,根据计算和爆炸的实际情况,在不失一般性的基础上,可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,如图2所示。
(3)爆炸产生的冲击波压力随着距爆点径向距离的增加而迅速衰减。因此,爆炸作用产生的破坏范围有限,通常面对爆点的建筑正面所受到的破坏要比背面严重得多。在建筑物密集的场合,建筑背面有时也会因为反射冲击波的作用而遭到破坏。
2.2 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。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,爆炸产生的冲击波压力会随着距爆心距离的增加而迅速衰减,因此爆炸产生破坏作用的范围较小,有时候对建筑物的破坏只是局部的。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。
由爆炸冲击波造成的建筑物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、柱和钢结构支架等的造成破坏作用,称为直接破坏效应。渐进坍塌是指因为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。
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,即距离爆炸点近的的外围构件在强烈的冲击波下先破坏。
(2)连续倒塌现象,由于外围关键构件的被破坏,结构约束减少,破坏后剩下的结构体系不完整,不足于支撑整个建筑物而发生连续的倒塌。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)产生高速飞射的碎块,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。
3 建筑结构抗爆设计
3.1 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)确定所设计的建筑物遭受恐怖袭击的可能性(概率);
(2)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;
(3)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;
(4)对结构构件进行抗爆受力分析;
(5)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;
(6)對防爆门和建筑物开洞(设备管道井开洞)等进行抗爆分析。
3.2 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:
(1)根据建筑的实际情况或业主要求定义建筑抗爆等级;
(2)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;
(3)分析结构在爆炸荷载下的极限承载能力;
(4)确定作用在结构构件上的冲击波荷载;
(5)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;
(6)结构动力分析及构件设计;
(7)结构及构件详图设计。
3.3 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:(1)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;(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。
建筑结构抗爆设计应遵循以下原则:(1)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; (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;(4)平衡非结构构件的/刚0/柔0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;(5)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。
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]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,2006,6(1):31-33。