論重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)

張建亮 周競(jìng)洋 王曦浩

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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論重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)

張建亮 周競(jìng)洋*王曦浩

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

介紹了重要建筑物建立防爆抗爆體系的重要作用，從規(guī)劃布局、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，論述了重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)措施，有助于保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，提高建筑物的綜合防災(zāi)能力。

建筑物，抗爆設(shè)計(jì)，規(guī)劃布局，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

突發(fā)事件(如地震、臺(tái)風(fēng)、爆炸、撞擊等)造成建筑結(jié)構(gòu)的局部破壞進(jìn)而誘發(fā)連續(xù)性倒塌，迫使土木工程師們重新審視建筑結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題。由于爆炸荷載具有破壞威力大、作用時(shí)間短以及作用荷載的不確定性(位置、方向、形式和強(qiáng)度)等特點(diǎn)，會(huì)直接造成大量人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失等災(zāi)難性的后果，因此重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)已經(jīng)顯得十分重要。

1 美國(guó)俄克拉荷馬城聯(lián)邦大廈爆炸案分析

1.1 聯(lián)邦大廈簡(jiǎn)介

位于美國(guó)中西部德克薩斯州的俄克拉荷馬城聯(lián)邦大廈于1977年建成，是一座現(xiàn)代化的9層辦公大樓，采用鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)，外墻裝有玻璃幕墻。由于俄克拉荷馬城處于美國(guó)中西部龍卷風(fēng)的中心地帶，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了龍卷風(fēng)的影響，大廈最高可承受時(shí)速160 km/h的大風(fēng)作用。

聯(lián)邦大廈樓前是一個(gè)寬闊的步行廣場(chǎng)，禁止車輛通行。大廈背立面，如圖1所示，支撐整棟建筑的是底層4根鋼筋混凝土柱，4根柱的上端與1根橫穿整棟建筑的轉(zhuǎn)換梁連接，轉(zhuǎn)換梁與第3層樓板緊密相連。轉(zhuǎn)換梁上設(shè)有9根混凝土柱，這些柱子將6層樓板的重量傳遞到轉(zhuǎn)換梁上，再由它平均分配到底層4根柱和邊墻上。

1.2 爆炸倒塌過(guò)程[1]

1995年4月18日上午，聯(lián)邦大廈發(fā)生毀滅性的倒塌。爆炸發(fā)生后，美國(guó)陸軍工程局借助價(jià)值1億美元的超級(jí)計(jì)算機(jī)，結(jié)合爆破和工程專家提供的數(shù)據(jù)，模擬了聯(lián)邦大廈爆炸倒塌的全過(guò)程。

第1毫秒，沖擊波以4.775 m的振幅、5 km/s的速度撞擊卡車旁邊的那根柱子，爆炸后4 ms內(nèi)這根柱子完全被摧毀。計(jì)算結(jié)果表明：沖擊波以大于350 kg/cm2的力量撞擊到柱子上，而時(shí)速160 km/h的風(fēng)力還達(dá)不到70 g/cm2。爆炸發(fā)生的第2毫秒，沖擊波就擊碎了背面的玻璃。同時(shí)，沖擊波經(jīng)由大廈入口大廳向上推進(jìn)，短短31 ms內(nèi)抵達(dá)第9層，但在向上傳播過(guò)程中威力迅速減弱，5樓以上樓層并非受到破壞。上述破壞主要是爆炸直接產(chǎn)生的建筑物結(jié)構(gòu)局部破壞，亦稱第一次破壞。

由于爆炸沒(méi)有摧毀其他3根柱子和轉(zhuǎn)換梁，建筑物仍保持相對(duì)完整。但沖擊波穿過(guò)聯(lián)邦大廈的中庭，以4.45 km/s多的速度撞擊上面樓層的樓板，造成下面4個(gè)樓層的樓板和梁在巨大的壓力下上升，并在支柱連接處斷裂。爆炸后100 ms之內(nèi)，4樓與5樓的樓板全部砸在與轉(zhuǎn)換梁相連的第3層樓板上，附加的重量壓垮了第3層樓板，由于轉(zhuǎn)換梁與第3層樓板的連接并沒(méi)有改變，在垮塌樓層的牽引下轉(zhuǎn)換梁偏離了支柱并墜落，整幢樓隨之崩潰。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察轉(zhuǎn)換梁的墜落位置，證實(shí)了計(jì)算機(jī)模擬的分析結(jié)果。上述破壞主要是爆炸間接引發(fā)的建筑物連續(xù)性垮塌，屬于毀滅性破壞，亦稱第二次破壞。

1.3 倒塌原因分析

從爆炸倒塌過(guò)程發(fā)現(xiàn)，爆炸直接造成建筑物結(jié)構(gòu)的破壞通常是局部的，只有結(jié)構(gòu)自身的魯棒性差，才會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體坍塌，因?yàn)榻ㄖ锏年P(guān)鍵構(gòu)件被炸毀并從結(jié)構(gòu)中“移除”后，原先作用在上面的荷載因無(wú)法重新分配給其他構(gòu)件，破壞就會(huì)持續(xù)向周圍構(gòu)件擴(kuò)散，發(fā)生多米諾效應(yīng)，從而引起結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的整體坍塌。

經(jīng)爆坑大小測(cè)算，其裝藥量相當(dāng)于1 800 kg TNT，產(chǎn)生的爆炸沖擊波為里氏6級(jí)，相當(dāng)于一場(chǎng)大地震。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果表明，按照美國(guó)加州的抗震標(biāo)準(zhǔn)修建大廈，只有爆炸臨近的1根外部支柱和下方樓層遭受破壞，而俄克拉荷馬城聯(lián)邦大廈沒(méi)有抗震設(shè)防要求。

2 重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)

2.1 重要建筑物的規(guī)劃布局[2]

1)重要建筑物的選址。

重要建筑物應(yīng)避免建在城市主干道附近，以防止恐怖分子使用汽車炸彈進(jìn)行襲擊。同時(shí)，重要建筑物的周圍道路應(yīng)該簡(jiǎn)明通暢，以便在遭受襲擊后能及時(shí)搶救和安全疏散。

重要建筑物必須避開(kāi)重大危險(xiǎn)源，以免遭受次生災(zāi)害的襲擊。重要建筑物應(yīng)與周邊環(huán)境之間保持一定的防護(hù)距離，防護(hù)距離取決于恐怖威脅的程度、建筑結(jié)構(gòu)類型和所要達(dá)到的防護(hù)水平。若防護(hù)距離不夠，應(yīng)采取必要的防爆抗爆措施。另外，采用多層建筑要比高層建筑安全性高。

在條件允許的情況下，盡量利用自然環(huán)境選址，三面倚山靠水或有天然屏障的建筑物可極為有效地防止恐怖爆炸襲擊。

2)重要建筑物的出入口。

在重要建筑物出入口附近應(yīng)建立控制區(qū)，安排警衛(wèi)人員對(duì)進(jìn)出建筑物的人員及車輛進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和管理。出入口控制區(qū)主要包括：進(jìn)入建筑物的道路、建筑物附近的障礙物、警衛(wèi)室、出入口大門等。

出入口前的道路應(yīng)避免采用垂直于建筑物方向的直線布置，也可以在道路上設(shè)置水池、噴泉等景觀，不給汽車獲得加速的機(jī)會(huì)，以防止汽車沖過(guò)出入口控制區(qū)。出入口前的道路平行于建筑物正面時(shí)，采用高路肩、適當(dāng)間距的樹(shù)木或景觀等措施，可有效地防止汽車駛離路面。

出入口前的障礙物可以對(duì)進(jìn)入建筑物的車輛進(jìn)行限制和阻滯，也可以給恐怖分子造成心理上的震懾作用，從而有效地阻止恐怖活動(dòng)的發(fā)生或者減輕爆炸危害，警衛(wèi)室通常通過(guò)窗戶或監(jiān)控設(shè)備監(jiān)視出入口前方道路和進(jìn)入建筑物的車輛。

由于平時(shí)使用和建筑美觀的要求，出入口大門結(jié)構(gòu)主要考慮防汽車沖撞設(shè)計(jì)，不主張進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)。若非要進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)，建議在大門后面一定距離設(shè)計(jì)防爆屏障來(lái)代替。

3)重要建筑物的停車場(chǎng)。

重要建筑物停車場(chǎng)的設(shè)計(jì)直接影響到建筑物安全。目前停車場(chǎng)主要分三類：公共停車場(chǎng)、路邊停車場(chǎng)和地下停車場(chǎng)。

公共停車場(chǎng)遠(yuǎn)離建筑物，可減輕停車場(chǎng)發(fā)生爆炸時(shí)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。但這種停車場(chǎng)占用大面積土地，經(jīng)濟(jì)效益低。路邊停車場(chǎng)使用方便，但安全性不高，一旦發(fā)生汽車炸彈事件，易造成道路混亂。地下停車場(chǎng)相對(duì)造價(jià)經(jīng)濟(jì)、使用方便，但這種停車場(chǎng)由于空間大、封閉等特點(diǎn)，發(fā)生汽車炸彈事件后，極易發(fā)生火災(zāi)，且人員疏散困難，加重災(zāi)害程度。此外，還危及地面建筑物。

因此，重要建筑物停車場(chǎng)和服務(wù)區(qū)應(yīng)遠(yuǎn)離建筑物且在建筑物的視線范圍之內(nèi)，從而減輕汽車炸彈爆炸引起的破壞效應(yīng)。如果條件允許，應(yīng)將地面停車場(chǎng)設(shè)計(jì)成單行線，以便更好地觀察可疑車輛。如果受客觀條件所限，必須采用地下停車場(chǎng)時(shí)，則應(yīng)配備電子監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)出入口進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)要確保目標(biāo)主體結(jié)構(gòu)有較高的抗爆等級(jí)。

2.2 重要建筑物的建筑設(shè)計(jì)

確定建筑物的平面、立面和體型，通常要綜合考慮其使用要求、建筑美觀、結(jié)構(gòu)合理及便于施工等因素，但對(duì)重要建筑物更要考慮反恐怖爆炸的要求。重要建筑物防爆抗爆設(shè)計(jì)，應(yīng)與抗震和抗風(fēng)等自然災(zāi)害兼顧考慮，這樣既可提高建筑物的綜合防災(zāi)能力，又能降低工程造價(jià)。

從沖擊波對(duì)建筑物的作用原理和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系可知：簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱、長(zhǎng)寬比不大的平面，對(duì)防爆抗爆是有利的。而平面凸出部分長(zhǎng)度過(guò)大、形成凹凸?fàn)畈糠诌^(guò)多、有過(guò)小開(kāi)放式平面內(nèi)折角、折角過(guò)多和角部重疊、太狹長(zhǎng)和細(xì)腰平面等布置，則對(duì)防爆抗爆是不利的[3]。

由于沖擊波遇到建筑物及孔洞后會(huì)產(chǎn)生反射、繞流等作用，因此對(duì)防爆抗爆有利的立面應(yīng)規(guī)則、均勻，從上到下外形不變或變化不大，沒(méi)有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，建筑造型總體呈凸?fàn)钅酥翀A形[3]。

面向街道的立面，禁止采用大面積的玻璃幕墻，如非用不可則應(yīng)采用特殊的防爆玻璃；同時(shí)，外墻立面最好采用涂料粉刷，盡量避免粘貼磁磚或干掛大理石。窗戶開(kāi)設(shè)應(yīng)盡量小且少，最好不超過(guò)立面面積的15%；若如有可能，開(kāi)設(shè)窗戶的一面應(yīng)盡量側(cè)向街道。

按使用功能要求應(yīng)對(duì)建筑物的室內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的防護(hù)分區(qū)，即將高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分開(kāi)，兩者之間可布置防爆墻。從防爆抗爆的角度，這些高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)可設(shè)置在建筑物的外部或邊緣，即利用建筑物外側(cè)的裙樓布置，避免建筑物的主樓因爆炸破壞導(dǎo)致坍塌[4]。防護(hù)要求高的建筑物可以在停車場(chǎng)與辦公樓核心筒之間設(shè)置緩沖空間。

建筑物緊急出口所要求的電梯間或樓梯間，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離爆炸可能發(fā)生的區(qū)域，以防止爆炸產(chǎn)生的濃煙和熱量妨礙了人員疏散并導(dǎo)致窒息傷亡。

重要建筑物的內(nèi)部裝修應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，慎用易產(chǎn)生爆炸碎片的裝修材料，墻壁上不宜懸掛裝飾品，辦公家具、計(jì)算機(jī)顯示器等布置在遠(yuǎn)離臨街窗戶的部位，以防止產(chǎn)生飛行碎片。

2.3 重要建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滿足使用要求的前提下，重要建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮抗震、抗風(fēng)、防火和防爆抗爆要求，以提高其綜合防災(zāi)能力，降低工程造價(jià)。

建筑物單元的開(kāi)間和層高應(yīng)盡量小，結(jié)構(gòu)豎向布置應(yīng)做到剛度均勻而連續(xù)，避免剛度突變，避免錯(cuò)層，避免軟弱層，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度呈下大上小、自下而上連續(xù)，逐漸減小。

防止結(jié)構(gòu)漸進(jìn)坍塌的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)體系具有整體性和冗余度，以致部分結(jié)構(gòu)局部倒塌或構(gòu)件嚴(yán)重破壞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承載力，避免發(fā)生第二次破壞。設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)采用超靜定結(jié)構(gòu)體系，并設(shè)置“骨架結(jié)構(gòu)”或在可能的情況下適當(dāng)增加一些關(guān)鍵構(gòu)件，如超靜定的水平支撐和垂直的抗壓構(gòu)件等；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用延性材料，應(yīng)考慮抗反復(fù)荷載作用，并保證具有足夠的抗剪強(qiáng)度；構(gòu)件相互之間應(yīng)有可靠的連接和錨固措施。

當(dāng)爆炸沖擊波擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，梁和樓板都會(huì)受到向上的推力。因此，重要目標(biāo)應(yīng)禁止采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁、樓板應(yīng)考慮反向荷載作用，即采用雙筋截面配筋；對(duì)于外挑的陽(yáng)臺(tái)、雨篷等懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的構(gòu)造連接方式，尤其要考慮爆炸荷載的反向作用。

當(dāng)建筑物外墻采用輕型混凝土砌塊、空心磚等脆性材料時(shí)，除砌筑時(shí)與柱或墻采用拉結(jié)筋連接外，外墻粉刷前應(yīng)在墻體內(nèi)側(cè)設(shè)鋼絲網(wǎng)或高強(qiáng)度織物，并與地板和天花板留有一定的錨固；外墻上開(kāi)設(shè)的門窗，其門框、窗框與外墻應(yīng)有可靠的錨固措施。當(dāng)防爆要求很高時(shí)，應(yīng)避免采用脆性材料墻體。

3 結(jié)語(yǔ)

由案例分析可知，重要建筑物的防爆抗爆設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮其規(guī)劃布局、建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1)規(guī)劃布局應(yīng)做到建筑物與爆源盡量隔開(kāi)，且防止爆源的進(jìn)入。

2)建筑設(shè)計(jì)要符合沖擊波的作用原理，盡量簡(jiǎn)單、規(guī)則、不突兀。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮抗震、抗風(fēng)和防火要求，增加結(jié)構(gòu)的整體性和冗余度。

[1] 美國(guó)國(guó)家地理雜志.重返危機(jī)現(xiàn)場(chǎng)[DB/CD].中國(guó)中央電視臺(tái)，2204.

[2] FEMA.Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Building[M].2003.

[3] 田志敏,張想柏,杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(1)：34-41.

[4] 田志敏,郁永剛,張想柏，等.淺論建筑物對(duì)恐怖爆炸防護(hù)的一些設(shè)計(jì)理念[J].特種結(jié)構(gòu)，2007，24(2)：34-37.

Discussion on the blast protection design of important buildings

Zhang Jianliang Zhou Jingyang* Wang Xihao

(CollegeofDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007,China)

This paper introduced the important role of establishing blast protection system of important buildings, from the planning layout, architectural design, structure design and other aspects, discussed the blast protection design measures of important buildings, helpful to ensure the safety of building structure, improved the comprehensive disaster prevention ability of buildings.

building, blast protection design, planning layout, structure design

1009-6825(2016)05-0011-03

2015-12-04

張建亮(1990- )，男，在讀碩士； 王曦浩(1990- )，男，在讀碩士

周競(jìng)洋(1991- )，男，在讀碩士

TU312.3

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