建筑结构抗爆设防性能目标研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 022 建筑结构抗爆设防性能目标研究* 齐宝欣， 阎 石， 武 行 （ 沈阳建筑大学土木工程学院， 沈阳10168） 摘 要 近年来建筑结构的爆炸事件频繁发生， 而我国目前还没有统一的建筑结构抗爆设防目标。基于安 全性风险评估理论， 利用爆炸风险平均发生概率和爆炸风险破坏程度的等级划分， 确定爆炸风险的平均影响 程度。结合我国建筑结构可靠度设计统一标准和实际爆炸事件的特点， 提出基于建筑结构重要性的抗爆 设防等级分类方法， 从而确定抗爆安全等级。根据我国国情综合考虑建筑结构抗爆安全等级和爆炸超压强 度等级， 确定不同类型建筑结构的抗爆设防指标。建立了以建筑结构设防目标作为工程抗爆设计的基础原 则， 通过对以往爆炸事件的统计分析， 确定不同爆炸超压荷载对人员伤亡和建筑结构损伤程度的设防目标， 为建筑结构抗爆设防指标提供一种新的方法。 关键词 比例距离；爆炸强度等级；建筑结构爆炸安全等级；抗爆设防指标 中图分类号 TU751. 9 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0135 -06 Study on Anti-Explosive Fortification and Perance Target of Building Structure QI Bao-xin，YAN Shi，WU Hang （School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China） Abstract Recently，explosive events occur on the building structure frequently，while no anti-explosive precau- tionary target for building structures was put forward in China. Based on the safety risk assessment，the average proba- bility of explosion and the classification of explosion damage，the average explosion severity is determined. According to characteristics of the standard of building structure reliability design and the actual explosion event，a for anti-explosion classification based on the importance of building structure is proposed to determine the anti-explosion safety level. According to national safety grade of building structure and explosion overpressure strength，the anti-ex- plosion index of various building structures is determined. The basic anti-explosion design principle for building structure fortification is established. The statistical analysis of previous explosion events helps to determine the fortifi- cation targets concerning the casualties and building damage，which provides a new for the anti-explosion in- dex of building structure. Key words scaled-distance；blast intensity grade；building structure explosion risk level；explosion protection fortification criteria 收稿日期2018 -02 -12 作者简介齐宝欣（1982 -） ， 男， 讲师、 硕士研究生导师， 主要从事建 筑结构抗爆性能研究， （E-mail）qibaoxin2005＠163. com。 通讯作者阎 石（1962 -） ， 男， 教授、 博士、 博导， 主要从事工程结 构抗爆炸研究， （E-mail）syan1962＠163. com。 基金项目辽宁省博士启动基金（20141075） ；辽宁省教育厅基金 （L2015448） ；住房和城乡建设部科研项目（2015-K2- 018） ； 沈阳市科技计划项目（17-231-1-89） ； 国家自然科学 基金（51278313） 爆炸是生产和生活中频发的灾害之一。随着工 业、 石油、 化工、 煤矿等产业逐渐扩大， 爆炸事件的发 生也日趋频繁。目前， 我国还没有一套完整的建筑 结构抗爆设计规范， 缺乏适合中国国情的抗爆设防 性能目标。 目前， 国外关于抗爆设防方面的研究较多， 尤其 万方数据 是9. 11事件以后， 各国意识到建筑结构抗爆设防的 重要性， 加速了对恐怖袭击爆炸的研究。如今， 美国 已经针对恐怖袭击制定了一系列建筑结构抗爆规 范[ 1-13]， 包括荷载、 石油化工、 建筑薄弱部位、 核爆等 抗爆设计方法及建筑抗爆防护等级、 爆炸等级划分 等[ 14，15]。 国内主要研究单体建筑结构、 构件的抗爆性能 及破坏模式[ 16-24]。在抗爆设计方法方面的研究较 少， 还未制定一套完备的抗爆设计规范。张宇等分 类总结了目前国内外抗爆标准的发展情况[ 25]。丁 阳等借鉴国内外研究成果， 建立了一套防恐建筑结 构抗爆防护分类设防标准[ 26]。于瑞清等提出了基 于性能的抗爆设计方法， 以钢筋混凝土柱为研究目 标， 提出了钢筋混凝土柱基于性能的抗爆设计方 法[ 27]。当前， 我国对恐怖事件预防比较重视， 国内 发生的恐怖袭击事件较少， 所以大部分爆炸事件还 是由于人们日常生产生活中的疏忽造成的。针对国 内发生比较频繁的爆炸起因进行研究， 参考目前比 较成熟的抗震设防方法， 建立一套初步的适合中国 国情的抗爆设防标准， 即对爆炸强度、 建筑抗爆安全 性、 建筑重要性进行分级， 并确定其不同情况所应达 到的设防目标， 为制定建筑抗爆设计规范奠定基础。 1 爆炸强度等级 1. 1 比例距离 爆炸对建筑结构产生的峰值压力与炸药量及爆 源和结构间距离有着很大的关系。一般情况下， 爆 炸产生的峰值荷载比建筑物常规设计荷载大几个量 级， 例如在1995年美国Oklahoma政府大厦爆炸中， 离爆源10 m位置的冲击波压力为13. 6 MPa（风速 为45 m／ s的风压仅1. 24 kPa） 。然而， 爆炸峰值压 力却随着距离迅速降低[ 28]。因此， 引入“ 比例距离” （Scaled distance） 的概念， 旨在综合考虑炸药量和距 离对爆炸作用的影响。目前， 主要用冲击波压力、 峰 值超压、 冲量、 持续时间等冲击波参数来描述TNT 炸药爆炸产生的入射冲击波的传播规律， 而冲击波 的各种参数通常通过比例距离来表示。比例距离Z 与炸药量和爆距之间的关系， 用公式表示为 Z ＝ R W 1 3 （1） 式中R为测点与爆心之间的距离，m；W为等 效TNT当量。 孔德森等人对该领域学者的研究成果进行综合 分析， 得出了能较好地描述冲击波峰值超压 ΔP 与 比例距离关系的表达式为[ 28] ΔP ＝ 0. 084 Z ＋ 0. 27 Z2 ＋ 0. 7 Z3 ，Z ≤ 1 0. 076 Z ＋ 0. 255 Z2 ＋ 0. 65 Z3 ，1 ＜ Z ≤ { 15 （2） 通过对20世纪80年代以来世界上发生的典型 或有重大影响的恐怖爆炸袭击事件进行总结与分 析， 得出不同爆炸冲击波对建筑和人员的破坏情况， 分别如表1和表2所示[ 28]。 表1 爆炸冲击波对建筑物破坏程度 Table 1 Building destructiveness by explosion wave ΔP／ MPa破坏程度 0. 005 ～0. 006门窗玻璃部分破碎 0. 006 ～0. 015受压面门窗玻璃大部分破碎 0. 015 ～0. 02窗框损坏 0. 02 ～0. 03墙裂缝 0. 04 ～0. 05墙大裂缝， 屋瓦掉下 0. 06 ～0. 07木建筑厂房柱子折断、 屋架松动 0. 07 ～0. 10砖墙倒塌 0. 10 ～0. 20防震混凝土破坏， 小房屋倒塌 0. 20 ～0. 30大型钢架结构破坏 表2 爆炸冲击波对人员的损伤程度 Table 2 Personal injury degree by explosion wave ΔP／ MPa破坏程度 0. 02 ～0. 003轻微损伤 0. 03 ～0. 05听觉器官损伤、 中等挫伤、 骨折等 0. 05 ～0. 1内脏严重挫伤或死亡 ＞0. 1可能大部分人死亡 将爆炸冲击波对建筑物及人员的破坏程度、 爆炸 压力、 爆炸距离与炸药当量的关系并与（1）和（2）式 相综合， 得到了能够较好地描述比例距离与建筑物破 坏及室内人员伤害程度之间的关系， 如表3所示。 表3 不同比例距离爆炸作用下建筑物破坏程度 Table 3 Building destructiveness by different scaled-distance explosion wave 比例距离破坏程度 5 ～7 门窗玻璃部分破碎受压面门窗玻璃大 部分破碎窗框损坏墙裂缝 3 ～5 墙大裂缝， 屋瓦掉下木建筑厂房柱子 折断、 屋架松动／砖墙倒塌 1 ～2 防震混凝土破坏， 小房屋倒塌 大型钢架结构破坏 1. 2 爆炸强度等级的确定 综合考虑比例距离公式、 超压峰值及爆炸冲击 波对建筑物破坏程度， 参考抗震规范中的“大震、 中 震、 小震” 的理念， 并对照其规定的不同程度地震对 631爆 破 2018年9月 万方数据 建筑结构的破坏程度， 将爆炸作用强度进行分级， 分 为“ 大爆、 中爆、 小爆” ， 如表4所示。 表4 爆炸强度等级 Table 4 Blast intension grades 爆炸强度小爆中爆大爆 比例距离＞63 -5＜2 2 不同建筑物抗爆安全等级 建筑结构抗爆安全等级为在建筑场地可能受到 的爆炸作用下的建筑物损失及影响大小的等级。这 里可以引用风险等级概念， 即建筑物抗爆安全等级 可以由爆炸风险对建筑的平均影响程度度量， 通常 由建筑物遭受爆炸事件的概率和所造成的损失及建 筑物重要性来综合评定。 2. 1 建筑结构爆炸影响程度因素分析 爆炸事故的平均影响程度分析属于安全性风险 分析范畴， 对发生爆炸事件的可能性及损失和伤害 程度进行调查研究和分析论证， 从而为建筑结构总 体安全性及制定基本预防措施和防护措施提供科学 的依据。爆炸事件对建筑结构的影响程度T与爆 炸风险的发生概率P和破坏程度E有关， 同时与建 筑结构的重要性等级L有关， 如（3） 式所示。 T ＝ P E L（3） 结合爆炸事件特点，P和E的取值由表5和表 6确定[ 29] 表5 风险发生概率分级及P取值表 Table 5 Probability grading of risk occurrence and value of P 发生概率 水平 定义 发生概率／ ％ P取值 不可能仅在极端条件下发生＜11 几乎不可能 在大多数条件下不会发生1 ～202 有可能偶尔会发生21 ～493 很有可能在多数条件下会发生50 ～854 必然发生 在大多数条件下必然发生＞855 表6 风险影响情况及E取值表 Table 6 The impact of risk and value of E 影响水平定义E取值 极小 风险发生几乎不会产生影响， 没 有人员伤亡和财产损失 1 小 风险发生产生轻微影响， 有少量 轻微伤员和财产损失 2 中等 风险发生产生一定影响， 伤员需 住院救治和较多财产损失 3 大 风险发生产生显著影响， 有重伤 员和重大财产损失 4 严重 风险发生产生严重影响， 存在重 大人员伤亡和财产毁灭性损失 5 本文参考中国建筑工程抗震设防分类标准（GB 502232008） 及（GB501532008） 中的建筑结构重 要性分类方法， 对建筑结构进行重要性分级， 如表7 所示。 表7 建筑结构风险影响程度等级 Table 7 Risk impact grades of building structures 建筑结构抗爆 安全等级 定义举例 1 具有重大纪念性、 历史性、 国际性和国家级各 类建筑。 国宾馆、 国家大剧院、 大会堂、 国家美术馆、 博物馆、 国家 级科研中心、 国际教科文建筑、 大使馆等。 2 高级居住建筑、 公共建筑、 大型交通建筑、 煤矿 产业、 生产储存易燃易爆危险品的工业厂房。 建筑高度24 m以上部分任一楼层建筑面积大于1500 m2 的商店、 展览、 电信、 邮政、 财贸金融建筑部委、 省、 军级办 公楼、 炼钢厂厂房、 市级大型火车站、 花炮厂房（仓库） 、 炸 药厂房（ 仓库） 等。 3 中级居住建筑和公共建筑， 中小型交通建筑、 普通工业厂房。 高等院校与科研单位和科教建筑； 省、 市、 自治区级旅馆； 地、 市办公楼； 自治区级一般文娱集会建筑、 博览建筑、 体 育建筑、 福利卫生类建筑、 公交车站、 邮电类建筑、 商业类 建筑及其他公共类建筑等。 4一般居住建筑和公共建筑 一般住宅 单身宿舍、 学生宿舍、 一般旅馆、 行政企业事业 单位办公楼、 中小学教学建筑、 文娱集会建筑、 一般博览、 体育建筑、 县级福利卫生建筑、 交通邮电建筑、 一般商业 及其他公共建筑等。 5低标准的居住建筑和公共建筑 防火等级为四级的各类建筑， 包括 住宅建筑、 宿舍建筑、 旅馆建筑、 办公楼建筑、 科教建筑、 福利卫生建筑、 商业建 筑及其他公类建筑等。 731第35卷 第3期 齐宝欣， 阎 石， 武 行 建筑结构抗爆设防性能目标研究 万方数据 2. 2 建筑结构爆炸风险影响程度等级 据国家安全生产监督管理总局爆炸事件记录， 本文对近10年来国内发生的建筑结构爆炸事件进 行了统计分类， 如表8所示。 表8 2006-2016年国内爆炸事件统计 Table 8 Statistics of occurrence numbers of explosion from 2006 to 2016 爆炸原因建筑结构类型 死亡 人数 发生 次数 瓦斯煤矿3235155 火药、 烟花、 爆竹仓库、 生产厂房1132151 化学品、 粉尘等工业厂房、 车间66095 煤气、 液化气等民用建筑、 仓库24554 其他 民用建筑、 工业、 化工业厂房 18345 由表8可知， 中国建筑结构发生爆炸事件的原因 主要有瓦斯爆炸、 烟花爆竹爆炸、 化学品爆炸、 粉尘爆 炸及民用液化气爆炸几个方面， 其中瓦斯爆炸、 烟花 爆竹爆炸、 化学品爆炸造成的损失均比较严重， 其发 生概率也比较高。所以， 结合以上统计分析结果， 与 表5、6、7中对爆炸风险影响程度的描述相一致。 根据式（3） 可知风险平均影响程度T的取值在 0 ～125之间， 根据风险平均影响程度的数值大小， 将风险平均影响程度分为5级， 如表9所示。 表9 建筑结构风险影响程度等级 Table 9 Risk impact degree levels of building structures 风险影响 程度 1 ～2526 ～5051 ～7576 ～100 101 ～125 等级54321 3 建筑结构抗爆设防性能目标 结构的性能目标是指对所设计的建筑物在每一 个设防水准下所要求达到的结构性能水准的总 和[ 30]。基于以上研究， 综合考虑不同比例距离对建 筑结构伤害程度， 爆炸事件造成的财产人员损失， 建 筑物重要性及建筑物发生爆炸事件概率， 对结构进 行抗爆设防性能目标的建立。 风险影响等级为1级的建筑应满足小爆和中爆 都“ 无损伤” 、 大爆“ 轻度损伤” 的性能要求。即满足 当比例距离大于等于3时建筑结构不损坏， 比例距 离小于2时建筑结构可修的抗爆设防性能目标。 风险影响等级为2级的建筑应满足小爆“无损 伤” ， 中爆“轻度损伤” 、 大爆“中度损伤”的性能要 求。即满足当比例距离大于6时建筑结构不损坏， 比例距离小于2时建筑结构可修的抗爆性能目标。 风险影响等级为3、4级的建筑应满足小爆“无 损伤” 、 中爆“ 轻度损伤” 、 大爆“重度损伤”的要求。 即满足当比例距离大于6时建筑结构不坏， 比例距 离为3到5时建筑结构可修， 比例距离小于2时建 筑结构不倒的抗爆性能目标。 风险影响等级为5级的建筑应满足小爆“中度 损伤” 、 中爆“ 重度损伤” 、 大爆“倒塌”的性能要求。 即满足当比例距离大于6时建筑结构可修、 比例距 离为3到5时建筑结构不倒的抗爆性能目标。总结 以上设防性能目标如表10所示。 表10 不同安全等级建筑结构抗爆设防性能目标 Table 10 Explosion-resistant fortification perance targets of different security level of building structures 爆炸强度 （ 比例距离 范围） 结构性能目标 无损伤 轻度 损伤 中度 损伤 重度 损伤 倒塌 小爆（＞6）1、2、3、45 中爆（3 ～5）12、3、45 大爆（＜2）123、45 在创建了抗爆设防性能目标之后， 就可以将处 于不同抗爆安全等级的建筑物与其重要性等级及爆 炸的强度等级联系起来， 从而为之后的抗爆设计提 供依据。 4 算例 4. 1 工程概述 某市奥林匹克体育中心位于该市商业圈中心地 带。主体育馆及训练馆， 地下结构1层、 地上4层， 1 ～4层各类建筑5. 057万m2。体育场可容纳观众 6万人， 并设有专门的残疾人坐席与通道，62个看台 出入口，24个疏散楼梯可确保全部人员最短在7分 55秒钟内疏散。 4. 2 抗爆设防风险等级确定 4. 2. 1 爆炸风险对建筑的风险发生概率等级 奥林匹克中心作为大型体育建筑， 其政府重视 程度较高， 所以场馆安保充足， 但其人流量庞大， 举 行大型活动时不易管控， 所以其发生爆炸事件的概 率为只有少数特殊情况下会发生， 即偶然会发生， 根 据表5可知， 其风险发生概率等级为有可能发生，P 取值为3。 4. 2. 2 爆炸风险影响情况 由于举办大型活动所产生的社会影响力比较 大， 且其可容纳人数庞大， 所以一旦发生爆炸事件， 其后果非常严重， 产生的社会效应及次生灾害对国 831爆 破 2018年9月 万方数据 家及人民的损失也极其庞大， 所以根据表6可知， 其 风险影响情况为严重， 风险发生产生严重影响， 存在 重大人员伤亡和财产毁灭性损失，E取值为5。 4. 2. 3 建筑结构重要性等级 该建筑属于大型体育场馆建筑根据表7可知， 其重要性等级为4级，L取值为4。综合以上结果， 根据式（3）可知， 该建筑结构风险影响程度为T ＝ P E L ＝3 5 4 ＝60。 4. 2. 4 抗爆风险影响程度等级 根据上文得到的建筑结构风险影响程度等级取 值， 查表9得出其抗爆风险影响程度等级为3级。 4. 3 建筑结构抗爆设防性能目标 根据本文第3节的研究可得， 风险影响等级为 3、4级的建筑应满足小爆“无损伤” 、 中爆“轻度损 伤” 、 大爆“ 重度损伤”的要求。即满足当比例距离 大于6时建筑结构不坏， 比例距离为3到5时建筑 结构可修， 比例距离小于2时建筑结构不倒的抗爆 性能目标， 即满足表10中的各项损伤指标。 5 结论 根据对中国爆炸事件的分析及中国抗震标准类 比的方法， 所得结论如下 （1） 以建筑结构抗震中的“大震、 中震、 小震的 建筑结构破坏程度为理念， 提出根据比例距离与建 筑结构遭受破坏程度之间的关系， 将爆炸强度划分 成“ 大爆、 中爆、 小爆” 。 （2） 基于风险等级的概念， 参考建筑工程抗震 设防分类标准中建筑重结构重要性等级的划分， 建 立不同建筑结构发生爆炸事件的风险影响等级。 （3） 以分析近年来发生过的爆炸事件规律为基 础、 基于比例距离所对应的爆炸强度等级及建筑结 构风险影响等级， 建立适合中国国情的建筑结构抗 爆性能目标。 参考文献（References） [1] 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