建筑物泄爆結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)方法*

盧 浩， 王明洋， 高康華， 邱艷宇

(陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

泄爆設(shè)計(jì)是有氣體(粉塵)爆炸危險(xiǎn)的廠房、倉庫廣泛采用的防爆方法之一.關(guān)于泄爆現(xiàn)象和機(jī)理的研究成果較多[1-2]，美國消防協(xié)會(huì)NFPA68-2013[3]、歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)EN14994-2007[4]以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50016-2014[5]分別給出了泄壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出了泄爆面積計(jì)算公式.上述標(biāo)準(zhǔn)都是在給定爆炸災(zāi)害水平下滿足給定性能的要求，簡單易行，但不能充分體現(xiàn)爆炸災(zāi)害自身的隨機(jī)性以及破壞后果的不確定性.建筑物內(nèi)氣體爆炸是發(fā)生概率很低的風(fēng)險(xiǎn)事件，根據(jù)近年來天然氣用戶總量以及事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6]，我國城市燃?xì)馐鹿事蕿?.6～2.6起/百萬人，按最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)必然會(huì)大大降低經(jīng)濟(jì)效益，造成計(jì)算結(jié)果偏保守，按確定性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)難以考慮后果的不確定性.

風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)已在橋梁安全設(shè)計(jì)、大壩設(shè)計(jì)、核安全等多個(gè)領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用.陳艾榮等[7]基于風(fēng)險(xiǎn)理念提出了考慮災(zāi)害危害性和橋梁多級(jí)性能水平的抗災(zāi)設(shè)計(jì)方法；劉光文[8]提出以風(fēng)險(xiǎn)率為基礎(chǔ)的防洪安全設(shè)計(jì)方法；肖義等[9]建立了可接受風(fēng)險(xiǎn)水平約束下的大壩防洪安全標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)決策模型；美國在多個(gè)安全標(biāo)準(zhǔn)制定中采用了風(fēng)險(xiǎn)管理的理念.在氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)方面也開展了一些研究.Weerheijm等[10]針對(duì)隧道內(nèi)氣體爆炸事故開展定量風(fēng)險(xiǎn)分析；Junaid Hassan等[11]給出了粉塵爆炸發(fā)生概率的評(píng)估模型；王若菌等[12-13]針對(duì)蒸氣云爆炸事故存在的不確定因素，建立了蒸氣云爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型.風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)是目前抗爆研究的重要方向，目前針對(duì)建筑物內(nèi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率、爆炸荷載不確定性、爆炸風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)等一系列問題相關(guān)研究成果較少，尚未形成一套基于風(fēng)險(xiǎn)的泄爆設(shè)計(jì)方法.

本文引入風(fēng)險(xiǎn)分析方法，將爆炸事件處理成風(fēng)險(xiǎn)事件，從概率的角度出發(fā)，深入分析爆炸事件發(fā)生概率、爆炸毀傷概率，根據(jù)可接受風(fēng)險(xiǎn)水平指導(dǎo)建筑物泄爆設(shè)計(jì)，形成了一套建筑物爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，指導(dǎo)泄爆結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)理論

1.1 不確定性分析

建筑物內(nèi)爆炸影響因素復(fù)雜，不確定性強(qiáng)，主要體現(xiàn)在：

(1) 影響因素既有人的不安全行為，又有物的不安全狀態(tài)，以及環(huán)境因素等，這些因素都具有相當(dāng)大的不確定性，導(dǎo)致事故的發(fā)生具有隨機(jī)性[14].

(2) 爆炸強(qiáng)度的不確定性，爆源的種類、組分及濃度、初始?jí)毫Α囟?、點(diǎn)火源位置、點(diǎn)火強(qiáng)度、爆室空間特性、內(nèi)部障礙物的布置與位置、泄放結(jié)構(gòu)型式、面積、開啟規(guī)律等因素都會(huì)影響爆炸荷載的大小，在針對(duì)某一特定建筑物進(jìn)行爆炸危害性評(píng)估時(shí)，爆源的種類、爆室空間特性、內(nèi)部障礙物、泄放結(jié)構(gòu)、初始?jí)毫?、初始溫度等因素是基本確定或變化不大的，造成爆炸超壓值不確定性的主要因素是氣體濃度、點(diǎn)火源位置、點(diǎn)火強(qiáng)度，而這些因素對(duì)爆炸荷載影響顯著，必須考慮其隨機(jī)性.

(3) 爆炸后果的不確定性，爆炸影響范圍內(nèi)人員的數(shù)量、結(jié)構(gòu)抗力參數(shù)、人員抗力水平的隨機(jī)性都會(huì)造成損失的不確定性.

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件中不確定的合理描述和科學(xué)表征是風(fēng)險(xiǎn)分析的重要步驟.概率提供了相應(yīng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于事故發(fā)生的不確定性，可以描述為：

P(A)=f1[P(X1)，P(X2)，…，P(Xn)].

(1)

式中：P(A)為爆炸事件A的發(fā)生概率；Xi為影響事件發(fā)生的第i個(gè)基本事件；P(Xi)為第i個(gè)基本事件的發(fā)生概率；f1為第一個(gè)算子.

對(duì)于爆炸強(qiáng)度的不確定性，可以用概率分布來表征：

f(φ)=f2[f(x1)，f(x2)，…，f(xn)]，

(2)

式中：f(φ)為表征爆炸強(qiáng)度的隨機(jī)變量φ的概率密度函數(shù)，xi為影響爆炸強(qiáng)度的第i個(gè)因子，f(xi)為第i個(gè)因子的概率密度函數(shù).

對(duì)于爆炸后果(人員、結(jié)構(gòu))的不確定性，可以用下式來表征：

P(Ci,j)=P(Ri,j-S<0)，

(3)

式中：P(Ci,j)為事故發(fā)生條件下第i種損失第j種損傷狀態(tài)的發(fā)生概率；Ri,j為造成第i種損失第j種損傷狀態(tài)時(shí)抗力的隨機(jī)量；S表示作用荷載效應(yīng)的隨機(jī)量.

1.2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

卡普蘭將系統(tǒng)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)描述為三相量的集合：

(4)

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)，Ai是事件集，Pi是事件頻率集，Ci是事件后果集.

評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)大小，不僅考慮風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率，還要分析風(fēng)險(xiǎn)對(duì)個(gè)體、社會(huì)或環(huán)境造成的損失，為了將風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量化，可將風(fēng)險(xiǎn)看作爆炸影響范圍內(nèi)遭受損失的數(shù)學(xué)期望值[15]：

(5)

式中：φ用來描述爆炸事故的強(qiáng)度；Sr為積分域(主要是爆炸影響范圍)；φmin、φmax表示爆炸強(qiáng)度最小值和最大值；P(φ)表示在參數(shù)φ的影響下?lián)p失概率；ψ(x,y)為爆炸范圍內(nèi)人員設(shè)施分布；f(x,y,φ)為坐標(biāo)(x,y)范圍內(nèi)參數(shù)φ的分布情況.

1.3 風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的選擇本質(zhì)上就是風(fēng)險(xiǎn)決策問題，涉及安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡，不同風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的安全風(fēng)險(xiǎn)以及工程經(jīng)濟(jì)關(guān)系，最優(yōu)泄爆設(shè)計(jì)方法應(yīng)能使防爆安全標(biāo)準(zhǔn)提高所耗費(fèi)的投資可從破壞發(fā)生時(shí)減少的風(fēng)險(xiǎn)損失中得到最大的補(bǔ)償.國際上目前普遍使用的風(fēng)險(xiǎn)管理準(zhǔn)則是ALARP原則，該原則將風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)區(qū)域：不可接受區(qū)域、ALARP區(qū)和可接受區(qū).基于該原則，2014年我國大陸地區(qū)頒布了《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，規(guī)定了個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn).

后果包括經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響、人員傷亡等，風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的制定要考慮后果的種類和統(tǒng)一，《標(biāo)準(zhǔn)》中僅考慮了人員死亡率.從爆炸事故案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，相比于經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡往往更能反應(yīng)事故的嚴(yán)重程度，并且人員傷亡會(huì)產(chǎn)生更大的社會(huì)影響，利用人員死亡率制定風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)是合理的，具體形式為：

(6)

式中：P(D1|φ)為參數(shù)φ的影響下人員死亡概率；f(φ)為參數(shù)φ的概率分布密度；RP,u為個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)；RS,u為社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)盡可能降低區(qū)的上限.

在滿足上述風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上可采取費(fèi)用-效益進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化.

2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

2.1 發(fā)生概率計(jì)算

計(jì)算爆炸事件發(fā)生概率通常思路是通過識(shí)別、分析事件的可能原因，建立事件和可能原因之間的邏輯關(guān)系，最后通過計(jì)算因素發(fā)生概率來確定事件發(fā)生概率，目前常用的方法有因果圖、故障樹分析、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等，其中應(yīng)用最廣泛的是故障樹分析.對(duì)于事故統(tǒng)計(jì)資料比較完善，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)健全的系統(tǒng)來說，故障樹分析能夠較全面分析事故原因、發(fā)生路徑，并可通過基本事件的概率得到頂事件(危險(xiǎn)事件)的發(fā)生概率，具有較強(qiáng)的可信性.然而，對(duì)于大多數(shù)爆炸事件來說，影響因素多，因素之間的關(guān)系獲取難度大，基本事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，這就導(dǎo)致故障樹路徑不完整，受基本事件統(tǒng)計(jì)信息的影響，頂事件概率可信性不強(qiáng).鑒于此，基于觀測(cè)統(tǒng)計(jì)法的事件概率計(jì)算方法在當(dāng)前得到廣泛的應(yīng)用.

表1為2011-2017年度燃?xì)馐鹿蕯?shù)、用氣人口、事故頻率統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)表可以看出，我國用氣人口在增加，燃?xì)馐鹿时壤谙陆?，事故頻次為4.3×10-6～8.2×10-6.表1中數(shù)據(jù)包含了民用、工業(yè)、商業(yè)、交通等，對(duì)于各類建筑物比如工業(yè)廠房、倉庫沒有相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).在開展具體建筑物發(fā)生概率計(jì)算時(shí)，可以利用統(tǒng)計(jì)頻次乘以相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制系數(shù)，并結(jié)合具體建筑物爆炸的危險(xiǎn)性得出，即

(7)

式中：Pa為事故發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)最高值，根據(jù)表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可取1×10-5；K1為風(fēng)險(xiǎn)控制系數(shù)，根據(jù)防護(hù)目標(biāo)的危險(xiǎn)性進(jìn)行設(shè)定，參考國外在確定可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)中的做法，分別選定10%、1%應(yīng)用于不同防護(hù)目標(biāo)，其中10%應(yīng)用于危險(xiǎn)性較小的民居類建筑，1%應(yīng)用于危險(xiǎn)性較大的有爆炸危險(xiǎn)的工業(yè)廠房、倉庫類建筑；K2為當(dāng)前建筑物爆炸危險(xiǎn)性指數(shù)，在進(jìn)行新建建筑物泄爆設(shè)計(jì)時(shí)，可取1，在進(jìn)行已建建筑物爆炸評(píng)估時(shí)，可根據(jù)與同類建筑物相比當(dāng)前建筑物的危險(xiǎn)性進(jìn)行調(diào)整.

表1 2011-2017年度燃?xì)馐鹿蕯?shù)、用氣人口、事故頻率統(tǒng)計(jì)

注: (1) 燃?xì)馐鹿蕯?shù)據(jù)主要來自博燃網(wǎng)，2011-2014年度用氣人口數(shù)據(jù)來源于住建部編寫的《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2015-2017年度根據(jù)前幾年度的數(shù)據(jù)擬合預(yù)測(cè)得出.

(2) 事故頻率=事故數(shù)量/用戶數(shù)量，用戶數(shù)量根據(jù)用戶人口與每戶平均人口計(jì)算得出，根據(jù)統(tǒng)計(jì)每戶平均人口在3.1左右.

2.2 損傷概率計(jì)算

氣體爆炸對(duì)人員的直接傷害因素有沖擊波、碎片沖擊、燒傷等，發(fā)生爆炸時(shí)車間、庫房存放有易燃物時(shí)，還會(huì)造成火災(zāi)，造成人員燒傷；高空作業(yè)人員受沖擊波或震蕩作用，造成高空墜落；爆炸導(dǎo)致建筑物坍塌時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致人員傷亡.本文僅考慮爆炸波所產(chǎn)生的傷害方式：沖擊波和建筑物坍塌.

(1) 爆炸強(qiáng)度概率分布.俄羅斯科學(xué)家彼留金[16]通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，考慮屋室構(gòu)造、尺寸、泄爆構(gòu)件類型及分布規(guī)律等因素對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響，給出了準(zhǔn)靜態(tài)超壓的計(jì)算公式：

(8)

式中：μH為火焰基本燃燒速度，與可燃?xì)怏w種類有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得；αz表示湍流增強(qiáng)因子，可以根據(jù)爆炸室內(nèi)設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)的阻塞比θ3和可燃混合物燃燒產(chǎn)物所占的爆炸室容積V確定；εc為計(jì)算增壓比，由燃?xì)饣瘜W(xué)性質(zhì)決定，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得；βμ表示考慮可燃混合物充填程度對(duì)壓力的影響，一般取1；KB表示考慮爆室形狀對(duì)壓力的影響；VB是爆炸屋室的凈空容積，m3；ρ0是爆炸前腔體內(nèi)氣體的初始密度，kg/m3；Ab.i表示i型泄爆構(gòu)件的面積；Kj.i表示i型泄爆構(gòu)件的擊穿系數(shù)，該系數(shù)表示泄放構(gòu)件擊穿對(duì)于室內(nèi)荷載形成的影響，其取值范圍為0≤Kj≤1，通過大量實(shí)驗(yàn)，確定了玻璃、樓板、隔墻等常用構(gòu)件在不同泄放壓力及空間分布條件下的擊穿系數(shù).

文獻(xiàn)[17]通過研究爆炸后果分布形式，運(yùn)用案例統(tǒng)計(jì)方法反推出氣體爆炸荷載的可能分布規(guī)律，結(jié)果表明單室荷載分布符合截尾正態(tài)分布形式，該結(jié)論與氣體爆炸超壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符：

(9)

式中：f(Δp)是概率密度函數(shù)，μΔp是超壓分布期望值，σΔp是超壓分布標(biāo)準(zhǔn)差.得到超壓分布期望值與標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式：

μΔp=0.72Δpm，σΔp=0.23Δpm.

(10)

根據(jù)式(8)～(10)，考慮理論計(jì)算超壓在計(jì)算過程與實(shí)際超壓的差異，設(shè)計(jì)超壓值可在計(jì)算超壓的基礎(chǔ)上乘以設(shè)計(jì)安全系數(shù)，即

Δpm,k=kpΔpm，

(11)

式中：Δpm,k為設(shè)計(jì)超壓值，kp為設(shè)計(jì)安全系數(shù).

(2) 沖擊波導(dǎo)致的人員傷亡概率.國內(nèi)外多名學(xué)者給出爆炸沖擊波對(duì)于人員的傷害估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要采用超壓值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示.

表2 爆炸沖擊波對(duì)于人員的傷害估計(jì)

表2中分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有一定的隨機(jī)性，比如當(dāng)人員承受超壓值為70 kPa時(shí)，既有重傷的可能性，也有死亡的可能性，采用概率的方法進(jìn)行處理，圖1為根據(jù)表2中數(shù)據(jù)給出的以超壓為指標(biāo)的人員死亡概率曲線，概率曲線從中位數(shù)75 kPa處分為兩段，50～75 kPa段死亡概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于75～100 kPa，當(dāng)超壓為75 kPa，認(rèn)為死亡概率為0.1，當(dāng)超壓為100 kPa，認(rèn)為死亡概率為1，相對(duì)于表中數(shù)據(jù)，為安全起見，圖中死亡概率曲線偏保守.

(3) 建筑物倒塌導(dǎo)致的人員傷亡概率事故案例表明[13,21-22]，砌體結(jié)構(gòu)建筑物由于承載能力低，內(nèi)爆事故中結(jié)構(gòu)坍塌是人員死亡的主要因素，計(jì)算人員死亡率時(shí)必須考慮，而框架結(jié)構(gòu)中由于主體結(jié)構(gòu)承載力大，在爆炸事故中一般以局部破壞為主，不會(huì)發(fā)生整體坍塌，計(jì)算人員損失時(shí)可不考慮結(jié)構(gòu)坍塌造成的人員傷亡.目前關(guān)于內(nèi)爆條件下建筑物倒塌與人員傷亡之間的關(guān)系研究很少，關(guān)于房屋倒塌率與人員死亡率之間的關(guān)系主要集中在地震災(zāi)害后果分析中，結(jié)合內(nèi)爆事故特點(diǎn)以及地震災(zāi)害研究成果，初步給出內(nèi)爆條件下建筑物倒塌造成人員傷亡的估計(jì)方法.

尹之潛等[21]將地震死亡人員數(shù)據(jù)信息處理整合，并以房屋結(jié)構(gòu)類型為根據(jù)，得出了房屋倒塌率與地震人員死亡率的表達(dá)關(guān)系式，與地震造成建筑坍塌繼而導(dǎo)致的死亡率相比，內(nèi)爆事故應(yīng)更為嚴(yán)重.一方面因?yàn)閮?nèi)爆事故的突然性更強(qiáng)，事故發(fā)生時(shí)幾乎沒有反應(yīng)時(shí)間；另一方面內(nèi)爆沖擊波壓力會(huì)造成人員的受傷，在受傷狀態(tài)下房屋倒塌造成人員的死亡率會(huì)更高.為此在地震經(jīng)驗(yàn)公式[21]的基礎(chǔ)上增加危險(xiǎn)性系數(shù)KFR,即

(12)

式中：FR為人員死亡率，CR為房屋倒塌率.

為評(píng)價(jià)建筑物整體倒塌情況，可采用破壞系數(shù)KL來評(píng)估內(nèi)爆事故時(shí)建筑物可能的坍塌情況.若KL=0，實(shí)際上就排除了發(fā)生嚴(yán)重破壞的可能性；若KL=1，則建筑物將完全破壞.

(13)

式中：Pi是發(fā)生爆炸事故時(shí)因承載結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致第i塊樓板塌落的概率；SL,i是因承載結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的樓板塌落面積；n是所有計(jì)算樓板的數(shù)量；SL,ALL是所有樓板的總面積.

Pi的值可通過承載結(jié)構(gòu)的破壞概率以及承載結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)于建筑物整體的影響分析得出.承載結(jié)構(gòu)破壞概率為：

(14)

式中：R表示結(jié)構(gòu)抗力的隨機(jī)量，通過作用形式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定；S表示作用在結(jié)構(gòu)上荷載效應(yīng)的隨機(jī)量，氣體爆炸作用下用Δps=ΔpKd來表示，Kd為動(dòng)荷系數(shù).

3 實(shí)例與分析

以某框架結(jié)構(gòu)廠房氫氣爆炸為例，爆室尺寸長、寬、高分別為33 m、24 m 、12 m，室內(nèi)設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)的占有率θ2=10%，其中50%是小尺寸的設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)，其余50%是大尺寸的，室內(nèi)凈空為8 554 m3，爆炸前其內(nèi)的氣體壓力和溫度取為：p0=101.3 kPa，T0=293 K，準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算參數(shù)值：μH=2.67 m/s，αz=11.2，εc=6，βμ=1，KB=0.8，不考慮結(jié)構(gòu)坍塌對(duì)于人員的傷亡影響.

3.1 泄爆面積影響分析

泄爆結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的破壞荷載特征值為：期望值μve=3.6 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差σve=0.4 kPa.建筑物為危險(xiǎn)性較大的有爆炸危險(xiǎn)的工業(yè)廠房、倉庫類，發(fā)生概率計(jì)算中K1取1%，K2取1，統(tǒng)計(jì)頻率Pa取為1×10-5.根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)，可接受人員死亡率為1×10-5.不考慮泄爆結(jié)構(gòu)的打開時(shí)間，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1，利用式(8)～(10)，可計(jì)算得出不同泄爆面積Sve下理論計(jì)算超壓及其分布參數(shù)，如圖2所示.

結(jié)合圖1中人員爆炸死亡概率，可得到不同泄爆面積下單個(gè)人員死亡率，如圖3所示.當(dāng)泄爆面積大于415 m2時(shí)，人員死亡概率小于1×10-5，處于可接受風(fēng)險(xiǎn)水平.利用美國消防協(xié)會(huì)NFPA68-2013、歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)EN14994-2007以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50016-2014中的公式進(jìn)行計(jì)算，可得到最小泄壓面積分別為677 m2、420 m2、1 121 m2.計(jì)算結(jié)果表明，GB50016-2014標(biāo)準(zhǔn)中需要泄壓面積最大，結(jié)果偏保守，NFPA68-2013標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果與EN14994-2007相近，本文方法得到的泄壓標(biāo)準(zhǔn)與其相符.

3.2 發(fā)生概率的影響分析

分析不同發(fā)生概率下不同泄爆面積對(duì)于單個(gè)人員死亡率的影響，如圖4所示.發(fā)生概率取為10-5、10-4、10-3、10-2、10-1，隨著發(fā)生概率不斷增大，設(shè)計(jì)泄爆面積逐漸增大.當(dāng)發(fā)生概率取為10-5時(shí)，人員死亡概率必然處于可接受水平，對(duì)于設(shè)計(jì)泄爆面積沒有要求；當(dāng)發(fā)生概率取為10-4、10-3、10-2、10-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)泄爆面積為355 m2、415 m2、465 m2、500 m2.從結(jié)果看，發(fā)生概率呈指數(shù)變化時(shí)，對(duì)于泄爆面積的影響不大，都小于GB50016—2014設(shè)計(jì)中的泄爆標(biāo)準(zhǔn).

3.3 爆室體積的影響分析

在GB50016—2014標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)EN14994—2007中，爆室體積對(duì)泄爆面積的計(jì)算影響都很大，分析不同體積下不同泄爆面積對(duì)于單個(gè)人員死亡率的影響，如圖5所示.當(dāng)泄爆體積在1 000～10 000 m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)泄爆面積在70～470 m2之間，可以看出爆室體積對(duì)于設(shè)計(jì)泄爆面積的影響很大，與GB50016—2014計(jì)算結(jié)果之比在0.28～0.41之間.圖6分析不同爆室體積下不同設(shè)計(jì)安全系數(shù)對(duì)于泄爆面積的影響，從圖6可以看出，本文所采用的方法中，當(dāng)安全系數(shù)取值在5～7時(shí)，設(shè)計(jì)泄爆面積與GB50016—2014設(shè)計(jì)中的泄爆標(biāo)準(zhǔn)保持一致.

4 結(jié)論

(1) 結(jié)合建筑物內(nèi)爆炸中諸多不確定性因素，基于風(fēng)險(xiǎn)理念，提出一種泄爆設(shè)計(jì)新方法，該方法考慮爆炸事件發(fā)生概率、爆炸荷載的隨機(jī)性以及后果的不確定性，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)與安全的平衡，以風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.應(yīng)用該方法，可根據(jù)建筑物具體情況來確定防爆安全標(biāo)準(zhǔn)和泄爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

(2) 與GB50016—2014標(biāo)準(zhǔn)相比，本文計(jì)算方法考慮的因素更為全面，一方面考慮了爆炸事件發(fā)生概率，另一方面利用理論計(jì)算模型估計(jì)爆炸荷載，考慮了爆炸荷載的影響因素，以及爆炸荷載的隨機(jī)性.設(shè)計(jì)方法上，本文計(jì)算方法更加靈活，采用風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，能夠綜合考慮安全和成本，既經(jīng)濟(jì)又為公眾所接受.

(3) 風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)方法是近年來安全領(lǐng)域的新課題, 將其應(yīng)用到泄爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定還存在諸多問題,包括發(fā)生概率的分析與確定、事故損失的估算以及可接受風(fēng)險(xiǎn)水平的采用等.目前, 基于風(fēng)險(xiǎn)的泄爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn), 但可以作為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的補(bǔ)充和重要參考.