建筑燃爆破壞的影響與防治

許 博 超

(中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 038507)

當(dāng)今隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民生活使用燃?xì)狻⒐I(yè)生產(chǎn)使用燃?xì)馊找嬖鲩L(zhǎng)與普及，燃?xì)獾膹V泛使用，在惠及百姓的同時(shí)，頻發(fā)的燃爆事故，也給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害。所以，對(duì)燃爆的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。鑒于此，本文在調(diào)研統(tǒng)計(jì)及前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)燃爆現(xiàn)象、機(jī)理、影響、防治及抗燃爆計(jì)算等方面的核心內(nèi)容做了分析與梳理。

1 燃爆的機(jī)理

爆炸是能量突然釋放，而引發(fā)的空氣壓力和沖擊波向周?chē)臻g快速傳播的現(xiàn)象，可分為燃爆、化爆和核爆。燃爆是可燃介質(zhì)引發(fā)的爆炸，化爆是化學(xué)制品如火藥引發(fā)的爆炸，核爆是核聚變或者核裂變引發(fā)的爆炸。燃爆是一種離居民最近、對(duì)居民危害極大且多發(fā)的爆炸。

1.1 燃爆機(jī)理與特點(diǎn)

燃爆是爆炸的一種常見(jiàn)類(lèi)型，燃?xì)獗ㄊ切枰鯕獾闹迹急恼T發(fā)與其所處環(huán)境緊密相關(guān)，爆炸介質(zhì)以一定的濃度分散分布在周?chē)橘|(zhì)環(huán)境中，當(dāng)濃度達(dá)到一定限值時(shí)，就會(huì)誘發(fā)爆炸。燃爆本質(zhì)上屬于爆燃，其分散分布的特點(diǎn)，導(dǎo)致已爆介質(zhì)向相鄰未爆介質(zhì)引燃引爆過(guò)程的速度較慢，使其壓力波傳播速度也較慢，始終小于爆炸物質(zhì)的聲速，導(dǎo)致燃爆作用主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和靜壓力即超壓，同時(shí)伴有某種程度的動(dòng)力沖擊效應(yīng)，此類(lèi)爆炸屬于分散相爆炸。

1.2 燃爆壓力的變化特性

在爆炸過(guò)程中從起爆開(kāi)始，隨著時(shí)間延續(xù)，爆炸引起的壓力也不斷增加，很快達(dá)到最大壓力即峰值壓力，隨后壓力迅速衰減，甚至?xí)霈F(xiàn)短暫的負(fù)壓力。根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)資料和爆炸統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，燃爆、化爆及核爆三種不同類(lèi)型爆炸的壓力變化，具有如下的鮮明特點(diǎn)：

燃爆的升壓速度較慢，達(dá)到峰值壓力pp的時(shí)間tp相對(duì)較長(zhǎng)，大約為100 ms～300 ms，峰值壓力pp相對(duì)較小，大約為60 kPa～700 kPa，沒(méi)有明顯的負(fù)壓時(shí)段，壓力緩慢衰減；化爆的升壓速度較快，達(dá)到峰值壓力pp的時(shí)間tp相對(duì)較短，大約幾毫秒至幾十毫秒，峰值壓力pp相對(duì)較大，且有較短的負(fù)壓時(shí)段出現(xiàn)；核爆的升壓速度很快，在幾毫秒甚至不足1 ms，即可達(dá)到峰值壓力pp，且峰值壓力pp很高，在正壓力作用時(shí)段以后，還會(huì)出現(xiàn)一段明顯的負(fù)壓力時(shí)段。

2 燃爆對(duì)建筑物的影響與防治原則

2.1 燃爆對(duì)建筑物的影響

燃爆能引發(fā)火災(zāi)和其他次生災(zāi)害，燃爆作為一種多發(fā)且極具人為特征的災(zāi)害，常與火災(zāi)相伴隨，而不同于一般火災(zāi)，燃爆引發(fā)的火災(zāi)，由于其爆炸動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)致可燃介質(zhì)及其火勢(shì)迅速蔓延，且比一般火災(zāi)要嚴(yán)重得多。

由于燃爆沖擊波會(huì)引發(fā)靜力超壓作用和動(dòng)力沖擊效應(yīng)即動(dòng)壓作用，在沖擊波超壓和動(dòng)壓共同作用下，結(jié)構(gòu)物受到巨大的推擠作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)前后面存在壓力差，使得結(jié)構(gòu)受到很大的水平推力，使結(jié)構(gòu)平移和傾斜。對(duì)于塔樓、煙囪及桅桿等細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，由于它們的橫向尺寸相對(duì)較小，其靜力的超壓合力較小，動(dòng)壓作用更為顯著，使結(jié)構(gòu)遭到明顯的動(dòng)力拋擲和彎折，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生局部破壞、整體破壞，甚至是連續(xù)性倒塌。

2.2 建筑燃爆的防治措施原則

建筑燃爆的防治措施原則主要有四條：泄爆、阻斷、遠(yuǎn)離和抵抗。1)泄壓泄爆：對(duì)于經(jīng)常使用燃?xì)獾慕ㄖ铮枰紤]泄爆措施，泄爆的方式，可以考慮使用泄爆窗和泄爆屋頂，設(shè)置足夠大的窗口或柔性屋頂，來(lái)滿足泄爆的要求。所以才有建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中的俗套，明廚暗廁。2)阻斷阻隔：阻隔阻斷主要是靠設(shè)置擋波墻或防爆墻來(lái)阻擋爆炸沖擊壓力，墻上可以設(shè)置防爆門(mén)和防爆窗，防爆墻的設(shè)置主要用于具有爆炸介質(zhì)的工業(yè)廠房和大型的公共建筑，在民用建筑的設(shè)計(jì)中較少采用，但可以加厚加強(qiáng)廚房周?chē)膲w等主體結(jié)構(gòu)。3)拉遠(yuǎn)距離：所謂拉遠(yuǎn)距離，也就是考慮防爆的一個(gè)安全距離，在建筑設(shè)計(jì)中，要求民用建筑要與具有爆炸可能性的危險(xiǎn)源，諸如儲(chǔ)油儲(chǔ)氣站，燃爆危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)和廠房等保持一定的安全距離即防爆距離，以減小一旦發(fā)生燃爆時(shí)所造成的破壞影響和損失。4)加強(qiáng)抵抗：加強(qiáng)抵抗是指通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性，來(lái)抵抗爆炸沖擊波帶來(lái)的強(qiáng)大的靜力超壓作用和動(dòng)力沖擊作用，以避免因結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部損壞，而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的整體破壞或者連續(xù)性倒塌。

3 建筑抗燃爆計(jì)算

3.1 燃爆壓力

1)燃爆超壓：所謂超壓是指爆炸壓縮周?chē)目諝舛a(chǎn)生的超過(guò)正常大氣壓力的空氣壓力，所謂燃爆壓力是指燃?xì)獗ㄒ鸬某^(guò)正常大氣壓的超壓。在燃爆過(guò)程中，產(chǎn)生的最大的超壓即為峰值超壓，所有的爆炸諸如燃爆、化爆和核爆都會(huì)產(chǎn)生超壓，如圖1所示。2)燃爆動(dòng)壓：化爆和核爆本質(zhì)屬于爆轟，在極短的時(shí)間幾毫秒內(nèi)就能達(dá)到峰值壓力，急速地?cái)D壓和推動(dòng)周?chē)目諝猓怪車(chē)目諝猱a(chǎn)生很高的運(yùn)動(dòng)速度，形成高速運(yùn)動(dòng)的沖擊波，在這個(gè)沖擊波的作用下，除了有爆燃擠壓周?chē)諝庖鸬某瑝海€有一個(gè)由于爆燃推動(dòng)周?chē)諝飧咚龠\(yùn)動(dòng)引起的沖擊動(dòng)壓，超壓只是燃爆氣體向空間表面擠壓的作用，超壓荷載屬于靜力荷載，而燃爆引起的沖擊動(dòng)壓，屬于動(dòng)力荷載，類(lèi)似于風(fēng)載，與物體的形狀、受力面的方位等有關(guān)，燃?xì)獗ǖ淖饔眯?yīng)，主要以超壓為主即靜力效應(yīng)為主，動(dòng)壓即動(dòng)力效應(yīng)很小，所以燃?xì)獗úㄖ饕獙儆趬毫Σǎ鴽_擊波的效應(yīng)不是很顯著。

3.2 抗燃爆計(jì)算

1)抗燃爆計(jì)算的核心思想。抗爆設(shè)計(jì)計(jì)算方法總體分為動(dòng)力法，靜力法和擬靜力法。

在爆炸荷載作用下，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程、幾何方程及物理方程，用彈塑性力學(xué)的方法進(jìn)行求解。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)抗爆計(jì)算中，很難用這樣的解析方法來(lái)進(jìn)行求解。所以，現(xiàn)在更多的是利用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒ǎ瑏?lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗爆的數(shù)值模擬分析。對(duì)于燃?xì)獗ê奢d，由于他的升壓時(shí)間遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的基本自振周期，爆炸荷載的加載時(shí)間較為緩慢，以至于不會(huì)使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度，從而也不會(huì)產(chǎn)生明顯的慣性力，認(rèn)為燃爆荷載主要以超壓靜載荷為主，而動(dòng)力沖擊效應(yīng)相對(duì)較弱。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，又不致于產(chǎn)生較大的誤差，將燃爆荷載視為靜載荷，其燃爆的破壞荷載取燃爆壓力波的峰值壓力，抗燃爆計(jì)算也可以按照結(jié)構(gòu)體系的靜力分析方法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，其動(dòng)力效應(yīng)所引起的破壞，可以通過(guò)采取一些構(gòu)造措施來(lái)有效歸避[1]。

2)燃爆的泄壓保護(hù)。在進(jìn)行具有可燃介質(zhì)的化工廠房、居民住宅的廚房設(shè)計(jì)時(shí)，需要估算一個(gè)燃爆的峰值壓力，作為確定窗戶面積和屋蓋質(zhì)量的一個(gè)依據(jù)。當(dāng)爆炸發(fā)生在密閉結(jié)構(gòu)中時(shí)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上直接遭受沖擊波驟然增大的超壓，并產(chǎn)生高壓區(qū)，使窗戶破損、屋蓋翻覆，導(dǎo)致室內(nèi)壓力下降，起到泄壓泄爆的作用，從而起到了保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)主體安全的作用，進(jìn)而可以避免主體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重受損，甚至是整體的連續(xù)性倒塌。而使窗戶破損或者使屋蓋翻覆的壓力即是泄爆壓力pv。

3.3 燃爆峰值壓力

在具有可燃介質(zhì)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要估算燃爆的峰值壓力，作為確定窗戶面積和屋蓋質(zhì)量的依據(jù)之一。對(duì)于燃爆峰值壓力的確定，許多專(zhuān)家在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于不同的假設(shè)和基礎(chǔ)理論，給出了不同的燃爆壓力波峰值壓力的計(jì)算方法和由峰值壓力確定的卸爆面積公式，本文介紹幾種常用的峰值壓力確定方法[2]。

1)Rasbash峰值壓力計(jì)算公式:

P=10Pv+3.5K

(1)

其中，P為最大爆炸壓力及峰值壓力，kPa；Pv為泄爆壓力，kPa；K為泄壓比，K=Ak/Av，Av為泄壓總面積，Ak為封閉空間內(nèi)最小正截面面積。

適用條件：該公式適用正常燃燒速度，且沒(méi)有考慮湍流的影響，并須滿足，k=1～5，房間最大最小尺寸比不大于3，泄壓構(gòu)件的面密度不大于24 kg/m2，Pv<7 kPa等條件, 否則誤差較大。

2)Dragosavic峰值壓力計(jì)算公式。

Dragosavic給出了室內(nèi)理想化的燃?xì)獗ǖ睦碚撋龎呵€模型(見(jiàn)圖2)。該升壓曲線模型，是基于體積為20 m3的實(shí)驗(yàn)房屋內(nèi)測(cè)得的包含泄爆影響的壓力時(shí)間曲線。

圖2中壓力從O點(diǎn)開(kāi)始上升到A點(diǎn)出現(xiàn)泄爆(窗玻璃壓碎)，A點(diǎn)是泄爆點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的壓力為泄爆壓力，泄瀑后壓力隨即迅速下降，且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的負(fù)超壓段，隨著壓力波的運(yùn)行，由于壓力波的反射及波陣面后的湍流效應(yīng)，后期會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩。其中，Pv為泄爆壓力；Pw為高頻振蕩峰值壓力；P1為初次峰值壓力；P2為二次峰值壓力。Dragosavic的試驗(yàn)是在空曠房屋內(nèi)進(jìn)行的，若室內(nèi)有其他器物、家具等障礙物，則高頻振蕩會(huì)明顯減輕。

隨著燃?xì)馐褂玫钠占埃谝妆ㄖ镌O(shè)計(jì)時(shí)，需要有一個(gè)燃爆壓力峰值的估算，作為確定窗戶面積、屋蓋輕重等的依據(jù)，使得易爆場(chǎng)所一旦發(fā)生燃爆能及時(shí)泄爆減壓。Dragosavic給出了最大爆炸壓力計(jì)算公式：

P=3+0.5Pv+0.04/ψ2

(2)

P≥3+Pv

(3)

其中，P為最大爆炸壓力即峰值壓力，kPa；ψ為泄壓系數(shù)，為房間體積與泄壓面積之比；Pv為泄爆壓力，kPa。

適用條件：上式不適用于大體積空間中爆炸壓力估算和泄壓計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)獾膽?yīng)用無(wú)論是民用還是工業(yè)都日益普及，所以，對(duì)于燃爆的研究越來(lái)越受到業(yè)界的重視，燃爆給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失，所以本文從燃爆的概念、燃爆對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響、燃爆的防治措施和原則、抗燃爆計(jì)算核心思想及峰值壓力計(jì)算等諸多方面進(jìn)行了探討和梳理，以資與同行交流，也為建筑燃爆的防治盡綿薄之力。