抗內(nèi)爆炸間的墻身經(jīng)濟(jì)性分析

郭萬(wàn)東 張建軍 張 盟 馬素鵬

(1.北京城建興泰房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100000;2.中國(guó)兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053;3.中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100000;4.北京道有道應(yīng)用技術(shù)有限公司，北京 100053)

1 概述

總結(jié)民爆行業(yè)出現(xiàn)的幾起重大爆炸事故教訓(xùn)，需加強(qiáng)民爆企業(yè)安全生產(chǎn)管理，防止藥品殉爆，減少破壞面。而民爆行業(yè)特點(diǎn)為原料、半成品和成品大多是易燃、易爆品。我國(guó)借鑒國(guó)外抗爆設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，陸續(xù)頒布了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定［1，2］。為了不殉爆，并能排除故障后迅速組織生產(chǎn)，在新增或改造的民爆項(xiàng)目中，對(duì)抗爆建筑物均提出了明確的抗爆設(shè)計(jì)規(guī)定和要求。在易燃易爆部位需要采取防護(hù)措施，設(shè)置發(fā)生爆炸事故時(shí)能承受設(shè)計(jì)藥量爆炸空氣沖擊波和碎片的局部作用而不發(fā)生震塌、飛散和穿透的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它廣泛用于生產(chǎn)或貯存民爆行業(yè)危險(xiǎn)品的建筑物，承受爆炸破壞產(chǎn)生能量，保護(hù)人員財(cái)產(chǎn)。鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)中最典型的是危險(xiǎn)品建筑物中的抗內(nèi)爆炸間，抗內(nèi)爆炸間主要承受爆炸事故的偶然性瞬時(shí)荷載，結(jié)構(gòu)在彈塑性階段工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常可根據(jù)間室內(nèi)生產(chǎn)或貯存的危險(xiǎn)品性質(zhì)、恢復(fù)生產(chǎn)的要求，按能承受一次或多次爆炸荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。其墻體和屋蓋宜為抗爆現(xiàn)澆鋼筋混凝土，當(dāng)設(shè)計(jì)藥量大于1 kg時(shí)，墻厚不宜小于 250 mm［2］。

本文通過(guò)一工程設(shè)計(jì)實(shí)例，總結(jié)抗內(nèi)爆結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土墻的墻身設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析。

2 抗內(nèi)爆炸間結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及墻身計(jì)算

抗內(nèi)爆炸間內(nèi)的爆炸為化學(xué)爆炸。其化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為產(chǎn)生大量能量，短期釋放，產(chǎn)生壓力波?？箖?nèi)爆炸間墻身設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下前提條件［2］:1)墻(板)的長(zhǎng)邊與短邊之比不宜大于除此之外，抗內(nèi)爆炸間墻(板)墻身的設(shè)計(jì)還與支承條件有關(guān)。通過(guò)抗內(nèi)爆炸間的墻身要求及邊界支撐條件，做抗內(nèi)爆炸間設(shè)計(jì)時(shí)，抗內(nèi)爆炸間房屋墻板的長(zhǎng)短比不宜過(guò)大，抗內(nèi)爆炸間的邊界條件為固定邊或者為部分固定邊時(shí)，抗內(nèi)爆炸間的墻厚能達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果?？箖?nèi)爆炸間及屏院的墻(板)厚度h按下列規(guī)定確定［2］其中，h為墻(板)估算厚度，mm;C為設(shè)防等級(jí)系數(shù);f為鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度，N/mm2;K0為構(gòu)件跨中較大彎矩系數(shù);Ω為頻率系數(shù)，按本規(guī)范附錄D規(guī)定采用;n為頻率折減系數(shù)。其中，i為墻(板)面上平均沖量，N·s/mm2;k為系數(shù)，根據(jù)所計(jì)算墻(板)面的相鄰面(相鄰的墻、板或地面)數(shù)量N和爆心位置確定;Q為設(shè)計(jì)藥量，kg;η為考慮抗內(nèi)爆炸間內(nèi)爆炸沖擊波多次反射使能量集聚的能效系數(shù)，根據(jù)抗內(nèi)爆炸間的幾何尺寸、相鄰面數(shù)量、有無(wú)相對(duì)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(shù)，根據(jù)計(jì)算墻(板)面的尺寸及爆心位置確定。

依據(jù)規(guī)范規(guī)定，抗內(nèi)爆炸間的墻厚和設(shè)計(jì)藥量、設(shè)防等級(jí)、爆心位置有關(guān)。設(shè)計(jì)藥量越大，墻厚越厚，當(dāng)墻厚不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性要求時(shí)，需要擴(kuò)大抗內(nèi)爆間室的尺寸，對(duì)抗內(nèi)爆炸間的墻厚進(jìn)行調(diào)整。隨著工藝的發(fā)展，需適當(dāng)確定設(shè)防等級(jí)來(lái)調(diào)整抗內(nèi)爆間的墻厚。依據(jù)設(shè)計(jì)理論，爆心位置最好在抗內(nèi)爆間中心位置。

3 抗內(nèi)爆炸間影響墻厚其他因素

抗內(nèi)爆炸間如果爆心位置不當(dāng)，需要進(jìn)行墻厚的抗震塌破壞厚度計(jì)算及防護(hù)層厚度計(jì)算。

背爆面的抗震塌破壞厚度計(jì)算要求如下［2］:

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

迎爆面抗飛散破壞TNT的防護(hù)層厚度計(jì)算如下［2］:

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

通過(guò)對(duì)背爆面的抗震塌破壞厚度計(jì)算及迎爆面抗飛散破壞的防護(hù)層厚度分析，可知:

藥量較小時(shí)，可以采用加大抗內(nèi)爆炸間墻體厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如果藥量較大及抗震設(shè)防等級(jí)為一級(jí)的抗內(nèi)爆炸間時(shí)可以采用內(nèi)襯鋼板等措施進(jìn)行抗內(nèi)爆間墻體厚度設(shè)計(jì)。

可以在屋面板上覆有其他材料(如覆土)，對(duì)自振頻率進(jìn)行修正，修正后的自振頻率再進(jìn)行抗內(nèi)爆間墻體厚度計(jì)算及設(shè)計(jì)。

4 抗內(nèi)爆炸間墻厚的經(jīng)濟(jì)化分析

當(dāng)抗內(nèi)爆間的墻(板)厚度，不能滿(mǎn)足墻(板)截面的合適配筋率時(shí)，我們可以結(jié)合抗內(nèi)爆間的受力特點(diǎn)及混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性，對(duì)抗內(nèi)爆炸間的墻厚及鋼筋的配筋率進(jìn)行調(diào)整。

5 抗內(nèi)爆炸間墻厚計(jì)算結(jié)果及分析

以下通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例，對(duì)墻厚調(diào)整計(jì)算及優(yōu)化分析如下。

本工程為新疆某化工廠的延期藥生產(chǎn)工房，工程地上1層，建筑物總長(zhǎng)83 m，總寬16.4 m，建筑高度4.6 m;建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型:框架結(jié)構(gòu)，部分工序?yàn)槲ｋU(xiǎn)工序，設(shè)計(jì)抗爆間室?？贡g室為現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)，設(shè)防等級(jí)為二級(jí)。墻體及屋蓋鋼筋混凝土厚度均為300 mm，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，抗爆間室外為無(wú)蓋抗爆屏院。設(shè)計(jì)要求:1)抗爆結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30;2)抗爆間室(含抗爆屏院)的藥量均為10.0 kg的設(shè)計(jì)藥量(TNT當(dāng)量)，設(shè)防等級(jí)均為二級(jí)。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，本工程抗爆間室墻厚計(jì)算500 mm厚，因?yàn)閴w太厚，抗內(nèi)爆間的空間尺寸狹小，利用率降低，而且不經(jīng)濟(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整爆心位置，不必進(jìn)行背爆面的抗震塌破壞厚度計(jì)算及迎爆面抗飛散計(jì)算，減少鋼板用量。進(jìn)一步優(yōu)化抗內(nèi)爆間設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整鋼筋用量，將抗內(nèi)爆炸間墻厚調(diào)整為350，抗內(nèi)爆間的爆炸空間變大，利用率提高。

6 結(jié)語(yǔ)

1)抗內(nèi)爆炸間結(jié)構(gòu)墻身計(jì)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(jì)算及防護(hù)層厚度計(jì)算，必要的時(shí)候需與工藝溝通調(diào)整爆心位置;3)抗內(nèi)爆炸間應(yīng)根據(jù)內(nèi)爆間的受力特點(diǎn)及混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性調(diào)整墻厚及配筋。

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

［2］GB 50907-2013，抗爆間室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50089-2007，民用爆破器材工程設(shè)計(jì)安全規(guī)范［S］.

［4］郭 晶.淺談抗爆結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土施工工藝［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2004(4):10-11.

［5］王澤溥，鄭志良.爆炸及其防護(hù)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2008.

［6］應(yīng)付釗.抗爆建筑物的抗爆設(shè)計(jì)淺談［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2007(6):55-57.