抗內爆炸間的墻身經濟性分析

郭萬東 張建軍 張 盟 馬素鵬

(1.北京城建興泰房地產開發有限公司，北京 100000;2.中國兵器工業規劃研究院，北京 100053;3.中國五洲工程設計集團有限公司，北京 100000;4.北京道有道應用技術有限公司，北京 100053)

1 概述

總結民爆行業出現的幾起重大爆炸事故教訓，需加強民爆企業安全生產管理，防止藥品殉爆，減少破壞面。而民爆行業特點為原料、半成品和成品大多是易燃、易爆品。我國借鑒國外抗爆設計經驗并進行了相關實驗，陸續頒布了相應的設計規定［1，2］。為了不殉爆，并能排除故障后迅速組織生產，在新增或改造的民爆項目中，對抗爆建筑物均提出了明確的抗爆設計規定和要求。在易燃易爆部位需要采取防護措施，設置發生爆炸事故時能承受設計藥量爆炸空氣沖擊波和碎片的局部作用而不發生震塌、飛散和穿透的鋼筋混凝土結構，它廣泛用于生產或貯存民爆行業危險品的建筑物，承受爆炸破壞產生能量，保護人員財產。鋼筋混凝土抗爆結構中最典型的是危險品建筑物中的抗內爆炸間，抗內爆炸間主要承受爆炸事故的偶然性瞬時荷載，結構在彈塑性階段工作。結構設計時通常可根據間室內生產或貯存的危險品性質、恢復生產的要求，按能承受一次或多次爆炸荷載進行設計。其墻體和屋蓋宜為抗爆現澆鋼筋混凝土，當設計藥量大于1 kg時，墻厚不宜小于 250 mm［2］。

本文通過一工程設計實例，總結抗內爆結構鋼筋混凝土結構鋼筋混凝土墻的墻身設計及經濟性分析。

2 抗內爆炸間結構內力分析及墻身計算

抗內爆炸間內的爆炸為化學爆炸。其化學反應表現為產生大量能量，短期釋放，產生壓力波。抗內爆炸間墻身設計需滿足以下前提條件［2］:1)墻(板)的長邊與短邊之比不宜大于除此之外，抗內爆炸間墻(板)墻身的設計還與支承條件有關。通過抗內爆炸間的墻身要求及邊界支撐條件，做抗內爆炸間設計時，抗內爆炸間房屋墻板的長短比不宜過大，抗內爆炸間的邊界條件為固定邊或者為部分固定邊時，抗內爆炸間的墻厚能達到較好的經濟效果。抗內爆炸間及屏院的墻(板)厚度h按下列規定確定［2］其中，h為墻(板)估算厚度，mm;C為設防等級系數;f為鋼筋設計強度，N/mm2;K0為構件跨中較大彎矩系數;Ω為頻率系數，按本規范附錄D規定采用;n為頻率折減系數。其中，i為墻(板)面上平均沖量，N·s/mm2;k為系數，根據所計算墻(板)面的相鄰面(相鄰的墻、板或地面)數量N和爆心位置確定;Q為設計藥量，kg;η為考慮抗內爆炸間內爆炸沖擊波多次反射使能量集聚的能效系數，根據抗內爆炸間的幾何尺寸、相鄰面數量、有無相對面以及爆心位置確定;U為角度和距離因子;kα為角度和距離的影響系數，根據計算墻(板)面的尺寸及爆心位置確定。

依據規范規定，抗內爆炸間的墻厚和設計藥量、設防等級、爆心位置有關。設計藥量越大，墻厚越厚，當墻厚不能滿足設計及經濟性要求時，需要擴大抗內爆間室的尺寸，對抗內爆炸間的墻厚進行調整。隨著工藝的發展，需適當確定設防等級來調整抗內爆間的墻厚。依據設計理論，爆心位置最好在抗內爆間中心位置。

3 抗內爆炸間影響墻厚其他因素

抗內爆炸間如果爆心位置不當，需要進行墻厚的抗震塌破壞厚度計算及防護層厚度計算。

背爆面的抗震塌破壞厚度計算要求如下［2］:

其中，Q0為產生震塌破壞的TNT有效裝藥量，kg;Ra為爆心與計算墻(板)面的垂直距離，m;h為墻(板)的厚度，m;rz為介質材料的震塌破壞半徑，m;Kz為介質材料的震塌屈服系數;r0為球形集團裝藥半徑，m;hi為墻(板)迎爆面抗震塌復蓋防護層的第i層厚度，m。

迎爆面抗飛散破壞TNT的防護層厚度計算如下［2］:

其中，Q0為產生飛散破壞的TNT有效裝藥量，kg;Ra為爆心與計算墻(板)面的垂直距離，m;hi為墻(板)迎爆面抗飛散復蓋防護層的第i層厚度，m;βi為墻(板)迎爆面抗飛散覆蓋防護層的第i層材料折算為鋼筋混凝土的抗飛散材料系數;rf為介質材料的飛散破壞半徑，m;Kf為介質材料的飛散屈服系數;r0為球形集團裝藥半徑，m。

通過對背爆面的抗震塌破壞厚度計算及迎爆面抗飛散破壞的防護層厚度分析，可知:

藥量較小時，可以采用加大抗內爆炸間墻體厚度進行設計。

如果藥量較大及抗震設防等級為一級的抗內爆炸間時可以采用內襯鋼板等措施進行抗內爆間墻體厚度設計。

可以在屋面板上覆有其他材料(如覆土)，對自振頻率進行修正，修正后的自振頻率再進行抗內爆間墻體厚度計算及設計。

4 抗內爆炸間墻厚的經濟化分析

當抗內爆間的墻(板)厚度，不能滿足墻(板)截面的合適配筋率時，我們可以結合抗內爆間的受力特點及混凝土結構的材料特性，對抗內爆炸間的墻厚及鋼筋的配筋率進行調整。

5 抗內爆炸間墻厚計算結果及分析

以下通過一個工程實例，對墻厚調整計算及優化分析如下。

本工程為新疆某化工廠的延期藥生產工房，工程地上1層，建筑物總長83 m，總寬16.4 m，建筑高度4.6 m;建筑結構類型:框架結構，部分工序為危險工序，設計抗爆間室。抗爆間室為現澆鋼筋混凝土抗爆結構，設防等級為二級。墻體及屋蓋鋼筋混凝土厚度均為300 mm，基礎為鋼筋混凝土條形基礎，抗爆間室外為無蓋抗爆屏院。設計要求:1)抗爆結構混凝土強度等級為C30;2)抗爆間室(含抗爆屏院)的藥量均為10.0 kg的設計藥量(TNT當量)，設防等級均為二級。通過設計計算，本工程抗爆間室墻厚計算500 mm厚，因為墻體太厚，抗內爆間的空間尺寸狹小，利用率降低，而且不經濟。在設計過程中通過調整爆心位置，不必進行背爆面的抗震塌破壞厚度計算及迎爆面抗飛散計算，減少鋼板用量。進一步優化抗內爆間設計。通過調整鋼筋用量，將抗內爆炸間墻厚調整為350，抗內爆間的爆炸空間變大，利用率提高。

6 結語

1)抗內爆炸間結構墻身計算邊界條件有很大影響;2)爆心位置影響墻厚的抗震塌破壞厚度計算及防護層厚度計算，必要的時候需與工藝溝通調整爆心位置;3)抗內爆炸間應根據內爆間的受力特點及混凝土結構的材料特性調整墻厚及配筋。

［1］程國防，張建軍，王春芝.抗爆間室的抗爆設計［J］.山西建筑，2012，38(19):39-40.

［2］GB 50907-2013，抗爆間室結構設計規范［S］.

［3］GB 50089-2007，民用爆破器材工程設計安全規范［S］.

［4］郭 晶.淺談抗爆結構鋼筋混凝土施工工藝［J］.建材技術與應用，2004(4):10-11.

［5］王澤溥，鄭志良.爆炸及其防護［M］.北京:兵器工業出版社，2008.

［6］應付釗.抗爆建筑物的抗爆設計淺談［J］.醫藥工程設計，2007(6):55-57.