程 亮， 艾 成， 王義鵬， 朱 東

(1.中南電力設(shè)計院有限公司， 武漢 430061； 2.武漢市園林建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 武漢 430000)

建筑結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計主要與爆炸荷載及結(jié)構(gòu)動力特性有關(guān)，也可以從總平面布置、結(jié)構(gòu)型式等多方面綜合考慮[1-2]。國際相應(yīng)的組織及各國相關(guān)部門也對結(jié)構(gòu)抗爆問題展開了廣泛的研究，并制定了相應(yīng)的標準和設(shè)計方法[3-6]。中國在結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計方面的研究起步較晚，僅在國防工程和石油化工設(shè)施等特殊的有抗爆需求的行業(yè)編制了抗爆標準[7-8]，對建筑結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計，在爆炸作用簡化和混凝土構(gòu)件爆炸相應(yīng)分析有一定的研究[9-11]，但還沒有建立完整的抗爆標準體系。本文根據(jù)美標和國標石油化工設(shè)施抗爆設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，采用等沖量線性衰減爆炸荷載模式，以單獨的等效單自由度體系分析和多自由度體系的彈塑性動力分析方法對柔性直流換流站的GIS室進行了抗爆分析，研究結(jié)果可為國內(nèi)外類似項目的設(shè)計提供理論參考和技術(shù)支持。

1 爆炸荷載

石化人工島上換流站建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了考慮自重、風壓及地震等常規(guī)荷載外，由于換流站周圍存在石油化工裝置，還需要考慮結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計。爆炸類型為有壓力氣體，或高溫高壓的可燃液體溢出到空氣中形成氣溶膠點火的蒸汽云爆炸。蒸汽云爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用時間短、荷載大，是一種瞬時荷載[12]。爆炸沖擊波的量級和形狀取決于爆炸能量釋放的特征以及到爆炸中心的距離。典型的爆炸沖擊波形狀如圖1[13]所示。

圖1 典型爆炸沖擊波形和壓力波形

為了簡化抗爆設(shè)計流程，通常將圖1所示的爆炸沖擊波按照峰值超壓相同和正相沖量相等的原則進行線性化簡化[9]，簡化的典型爆炸沖擊波形和沖擊壓力波形如圖2所示。爆炸峰值反射超壓及持續(xù)時間取決于總平面布置、距爆炸中心距離及設(shè)施類型，通常，到爆炸中心距離越遠，超壓值和沖量越小，但爆炸荷載持續(xù)時間越長。

圖2 簡化的爆炸沖擊波形和沖擊壓力波形

抗爆建筑的爆炸荷載參數(shù)一般由石油化工設(shè)施的業(yè)主根據(jù)專業(yè)的咨詢機構(gòu)的定量風險分析報告提供。如果沒有定量風險分析報告，則可參照ASCE 41088第3章的步驟取值[3]，并在設(shè)計文件中注明結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計采用的荷載參數(shù)。

2 基本規(guī)定

2.1 結(jié)構(gòu)選型

當爆炸發(fā)生時，臨近爆炸源一側(cè)墻體先受到爆炸沖擊波作用，產(chǎn)生反射超壓。隨著沖擊波的傳播和衍射，建筑物的側(cè)墻、屋面及后墻都將受到爆炸沖擊波的超壓作用，最終通過上部結(jié)構(gòu)將爆炸荷載傳遞到基礎(chǔ)。

與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的概念類似，抗爆設(shè)計的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)吸收爆炸沖擊波能量的能力，合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)在爆炸沖擊荷載作用下能發(fā)生一定的塑性變形從而耗散爆炸能量。因此，對于要求進行抗爆設(shè)計的建筑應(yīng)選擇延性好的結(jié)構(gòu)體系和材料，使結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下具有足夠的塑性變形能力，并增加結(jié)構(gòu)的冗余度，以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌。同時，建筑外形應(yīng)盡量簡單、規(guī)則，以減少爆炸沖擊波在結(jié)構(gòu)上引起的應(yīng)力集中[3]。

對于距離潛在爆炸源較近的建筑，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時的抗爆性能和經(jīng)濟性最好，當距離潛在爆炸源有一定距離時，采用合理設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)抗爆性能和經(jīng)濟性也較好。抗爆結(jié)構(gòu)應(yīng)避免采用素混凝土、磚、木材和非配筋砌體等脆性材料用作鋼筋混凝土框架的填充墻，應(yīng)該進行合理配筋，保證其在爆炸荷載作用下具有足夠的延性。

2.2 材料強度取值

爆炸荷載是一種動力荷載，結(jié)構(gòu)材料強度隨應(yīng)變速率增大而增大，用動態(tài)材料強度增大系數(shù)DIF來考慮爆炸荷載作用下材料強度的提高。在實踐中，不同等級鋼材的平均屈服強度一般高于規(guī)范給定的最小屈服強度約25%，抗爆設(shè)計中采用強度提高系數(shù)SIF來考慮這種情況，該系數(shù)與材料的應(yīng)變速率無關(guān)。對于A50及以下的鋼材，ASCE 41088建議SIF取值1.1；對于混凝土，其實際材料強度提高不明顯，且強度的影響因素較多，因此建議其SIF取值1.0。

2.3 設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的響應(yīng)分析方法，經(jīng)歷了從簡單的手算和圖解法到復(fù)雜的非線性動力時程分析法的發(fā)展過程。等效靜態(tài)法適用于距離爆炸中心非常遠、爆炸荷載作用類似風荷載的情況，由于確定合理的等效靜力荷載非常困難，且無法考慮動態(tài)荷載參數(shù)、材料強度提高、動態(tài)荷載放大系數(shù)、自振周期及允許的塑性變形發(fā)展，一般不推薦采用。單自由度分析法是結(jié)構(gòu)爆炸設(shè)計最基本的方法，結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件如梁、墻梁、柱、墻板、屋面板和剪力墻等都可以分別按單獨的等效單自由度體系進行結(jié)構(gòu)動力分析，一般能滿足工程精度的要求。對于復(fù)雜或多層框架等具有多個集中質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，則必須采用多自由度體系進行結(jié)構(gòu)動力分析，一般采用非線性有限元程序進行求解。

2.4 荷載組合

爆炸荷載是一種偶然荷載，有爆炸荷載參與時，對于承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，爆炸荷載不與地震作用、風荷載進行組合，只與恒、活荷載進行組合，且組合值系數(shù)均取1.0[3，8]。

2.5 極限狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能準則

結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計采用極限狀態(tài)設(shè)計法。結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計不采用以荷載抗力分項系數(shù)或容許應(yīng)力定義的傳統(tǒng)安全系數(shù)，而以容許變形的方法來定義結(jié)構(gòu)的能量吸收能力，如構(gòu)件撓度、側(cè)移、延性比等。

3 設(shè)計步驟

3.1 結(jié)構(gòu)選型和爆炸荷載確定

根據(jù)工藝、建筑專業(yè)提供的資料，并結(jié)合現(xiàn)場條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，確定結(jié)構(gòu)的抗爆性能目標。根據(jù)定量風險分析報告或相關(guān)規(guī)范，確定爆炸荷載參數(shù)。

3.2 確定計算模型及構(gòu)件試算

選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料，對結(jié)構(gòu)模型進行適當簡化，分別進行各個構(gòu)件的等效單自由度體系分析。根據(jù)計算分析的變形結(jié)果與規(guī)范要求的延性比、彈塑性轉(zhuǎn)角和側(cè)移的變形準則對比，確定各個構(gòu)件截面尺寸。

3.3 荷載基本組合時的結(jié)構(gòu)驗算

在不考慮爆炸荷載作用時，對結(jié)構(gòu)進行恒、活、風、地震等荷載效應(yīng)組合下的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗算，根據(jù)驗算結(jié)果對構(gòu)件截面進行適當調(diào)整。

3.4 抗爆驗算

根據(jù)需要對以上滿足基本組合和有爆炸荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)件截面，采用多自由度體系進行結(jié)構(gòu)整體非線性動力時程響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果，驗算整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移等整體變形指標是否滿足規(guī)范要求。

4 實例分析

某柔性直流輸電工程的石化人工島上換流站戶內(nèi)GIS室平面尺寸為78 m×12 m，柱距B=6 m，單層，檐口高度H=15.0 m，采用門式剛架結(jié)構(gòu)，墻面和屋面均采用壓型鋼板維護。由于結(jié)構(gòu)布置規(guī)則，取一榀中間門式剛架，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學原理和ASCE 41088的相關(guān)要求，對該GIS室進行結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計。

4.1 爆炸荷載參數(shù)

根據(jù)建筑圍護方案和業(yè)主提供的定量風險分析報告，爆炸荷載及恒載取值如表1所示。

表1 剛架荷載取值

4.2 剛架梁計算

剛架梁、柱材料采用ASTM A36，材料強度取值如表2所示。

表2 剛架材料參數(shù)

剛架梁為兩端固結(jié)構(gòu)件，初步試算時，假定荷載持時周期比τ=td/tn=1.0，則爆炸荷載效應(yīng)與梁抗力比為

(1)

式中：Fo為梁峰值荷載，F(xiàn)o=DL+Pso=5.2 kPa；則梁的抗力Rm=Fo/0.993=5.24 kPa，據(jù)此計算得

Mpe=BRmL2/8=5.24×6×122/8=

565.6 kN·m

(2)

W=Mpe/Fds=565.6×106/352=1.61×106mm3

(3)

式中：L為梁跨度，取值12 m；Mpe為梁的彈塑性彎矩承載力，kN·m；W為梁的抗彎模量，mm3；梁截面可選用H500×250×8×12，其抗彎模量Wbe=1.717×106mm3，滿足抗爆要求。

4.3 剛架柱計算

根據(jù)ASCE 41088表5.2.B， GIS室的爆炸損壞水準可采用“中等”，則GIS室在爆炸荷載作用下的變形允許值如表3所示。

表3 剛架變形限值

初步計算時，令剛架柱延性比μd=μa=2.0，并假定荷載持時周期比τ=td/tn=1.0，則爆炸荷載效應(yīng)與柱抗力比為

(4)

則剛架柱的抗力Rm=Fo/0.993=4.63 kPa，據(jù)此計算得

Mpe=BRmH2/8=4.63×6×152/8=

781.3 kN·m

(5)

W=Mpe/Fds=781.3×106/352=2.22×106mm3

(6)

式中：Mpe為柱的彈塑性彎矩承載力，kN·m；W為柱的抗彎模量，mm3；柱截面可選用H600×250×12×16，其截面抗彎模量Wce=2.885×106mm3，截面慣性矩Ice=8.655×10-4m4，其塑性抗彎模量Wcp=3.304×106mm3。

Mp=FdsWcp=352×3.304×106=1 163 kN·m

(7)

式中，Mp為剛架柱的塑性抗彎承載力，kN·m。剛架柱下端與基礎(chǔ)固結(jié)，上端與剛架梁剛結(jié)，爆炸荷載入射超壓的一半集中作用于柱頂，則

If=4.6×6×15/2×160/2=16 560 kN·ms

(8)

式中，If為爆炸荷載分布在柱頂處的沖量，kN·ms。假設(shè)側(cè)向爆炸荷載作用下剛架柱反彎點位于2/3的柱高處，則

Ru=2Mp/(2/3H)=2×1 163/10=232.6 kN

(9)

式中，Ru為一榀剛架抗剪強度，kN。根據(jù)梁柱線剛度比，考慮柱側(cè)移剛度折減系數(shù)，計算一榀剛架的側(cè)移剛度為

k=ib/ic=(Ibe/L)/(Ice/H)=0.62

(10)

αc=(0.5+k)/(2+k) =0.427

(11)

Ke=2αc×12EIce/H3=525.61 kN/m

(12)

式中：k為梁、柱線剛度比；ib、ic分別為梁、柱線剛度，m3；Ibe、Ice分別為梁、柱截面慣性矩，m4；αc為柱側(cè)移剛度折減系數(shù)；Ke為一榀剛架的側(cè)移剛度，kN/m。

一榀剛架在爆炸荷載作用下的彈性側(cè)移為

Xe=Ru/Ke=232.6/525.61=442.5 mm

(13)

式中，Xe為剛架在爆炸荷載作用下的彈性側(cè)移，mm。柱頂?shù)募匈|(zhì)量M=(2×15/3+12)×6×0.6/9.8=8 081.6 kg。

根據(jù)能量平衡原理，正面爆炸荷載可視為沖量作用，其產(chǎn)生的動能，等于剛架柱彈塑性變形的應(yīng)變能，即

(14)

式中，Xpe為剛架在爆炸荷載作用下的彈塑性側(cè)移，mm，由式(14)變形可得

Xpe=If2/(2MRu)+0.5Xe=16 5602/(2×8 081.6×232.6)+0.5×442.5=294.2 mm

4.4 剛架整體動力分析

采用Sap2000建立一榀剛架的整體有限元模型，定義符合FEMA356規(guī)范的塑性鉸，并賦予剛架柱的端部位置，將剛架的恒載和活載定義為靜力非線性荷載工況，作為爆炸荷載作用下非線性動力時程分析的初始條件，進行剛架在正面和屋面爆炸荷載作用下的非線性動力時程響應(yīng)分析，剛架柱頂側(cè)移-時間的時程曲線如圖3所示。

圖3 剛架柱頂側(cè)移-時間曲線

由于剛架整體有限元分析考慮了剛架柱在恒載和活載下的軸力作用，計算的柱頂最大彈塑性側(cè)移比單自由度分析法的結(jié)果大20%作用，柱頂最大側(cè)移Xm= 361.2 mm

5 結(jié)論與建議

1)爆炸沖擊荷載作用的動力效應(yīng)與總平面布置、結(jié)構(gòu)到爆炸中心距離以及設(shè)施類型有關(guān)。對常見的蒸汽云爆炸，一般按照爆炸沖擊波峰值超壓相同和正相沖量相等的原則進行線性化簡化。通常，結(jié)構(gòu)到爆炸中心距離越遠，爆炸超壓值和沖量越小，但爆炸荷載持續(xù)時間越長。

2)結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計不同于一般的靜力設(shè)計，采用的是彈塑性設(shè)計方法，其關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)吸收爆炸沖擊波能量的能力，即通過合理設(shè)計，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生一定的塑性變形從而耗散爆炸能量，但變形應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3)要求進行抗爆設(shè)計的結(jié)構(gòu)建筑外形應(yīng)盡量簡單、規(guī)則，減少沖擊波引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中作用。同時，應(yīng)選擇延性好的結(jié)構(gòu)體系和材料，使結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下具有足夠的塑性變形能力，并增加結(jié)構(gòu)的冗余度，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌。

4)簡單、規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計可以采用單獨的等效單自由度體系進行各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)動力分析，一般能滿足工程精度的要求。對于復(fù)雜或多層框架等具有多個集中質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用多自由度體系進行結(jié)構(gòu)動力分析，一般采用非線性有限元程序進行非線性動力時程響應(yīng)分析。