建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于性能的抗爆設(shè)計(jì)方法

李文華

【摘要】在我國(guó)，基于性能的設(shè)計(jì)方法已運(yùn)用于工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，但尚沒(méi)有運(yùn)用在結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)。該文將基于性能的設(shè)計(jì)方法引入結(jié)構(gòu)抗爆領(lǐng)域，提出了基于性能的結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)方法，明確了基于性能的抗爆設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，給出了設(shè)計(jì)思路與步驟。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件;基于性能;抗爆設(shè)計(jì)方法

基于性能的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)業(yè)主要求與建筑的具體情況完成其性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)，對(duì)于基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在抗震和抗爆設(shè)計(jì)方面做了大量研究?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的研究剛剛起步，基于性能的構(gòu)建抗爆設(shè)計(jì)也遠(yuǎn)未成熟，還有許多系統(tǒng)性的研究需要進(jìn)行。

1、基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)方法

基于性能的設(shè)計(jì)方法廣泛運(yùn)用于抗震領(lǐng)域，其基本思想大體上可以用表1的北歐建筑標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)等級(jí)體系詮釋。

表1 北歐建筑標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)規(guī)定的水準(zhǔn)體系

從表1可以看出，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，基于性能的設(shè)計(jì)方法不僅強(qiáng)調(diào)性能目標(biāo)的確定，而且還增加了性能目標(biāo)的驗(yàn)證，這樣就能最大限度的保證工程結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的性能。

本文借鑒基于性能的抗震設(shè)計(jì)和國(guó)外基于性能的抗爆設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，提出建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基于性能的抗爆設(shè)計(jì)大致流程，如圖1所示。

由圖1可知，基于性能的抗爆設(shè)計(jì)主要分以下3個(gè)步驟：1）根據(jù)業(yè)主或使用者的要求確定合適的性能目標(biāo);2）根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能目標(biāo)的驗(yàn)證。

若水平拉結(jié)力不滿(mǎn)足要求，則采用圖1中措施B對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的設(shè)計(jì);若水平拉結(jié)力滿(mǎn)足要求，而豎向拉結(jié)力不滿(mǎn)足要求，則采用去除構(gòu)件的方法，評(píng)估結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，若風(fēng)險(xiǎn)較低，則設(shè)計(jì)滿(mǎn)足抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)要求，否則，采用圖1中措施A對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗爆再設(shè)計(jì)或是對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。

此外，在很多情況下，還需對(duì)建筑的全壽命花費(fèi)進(jìn)行評(píng)估，作為決策的參考。結(jié)構(gòu)的全壽命花費(fèi)主要包括結(jié)構(gòu)的初始費(fèi)用、爆炸后結(jié)構(gòu)的損失和結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用。一般而言，結(jié)構(gòu)的初始費(fèi)用越高，結(jié)構(gòu)的抗爆措施越全面，爆炸后的損失就越低，結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用也越低，但是若無(wú)限度的增加結(jié)構(gòu)的初始費(fèi)用也是不經(jīng)濟(jì)的，因此需要權(quán)衡初始造價(jià)、損失和維修費(fèi)用三者的關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)或加固，使得建筑的全壽命花費(fèi)最小。

本節(jié)提出的建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗爆設(shè)計(jì)思想不僅適用于建筑結(jié)構(gòu)，也可以用于其他工程結(jié)構(gòu)。對(duì)其他的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮該工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行有側(cè)重的設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)的思路仍如圖1所示，僅是設(shè)計(jì)中具體考慮的細(xì)節(jié)有所變化。

為更加清晰地說(shuō)明圖1的建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗爆設(shè)計(jì)思想與流程，本文以較簡(jiǎn)單的RC柱為例，闡述基于性能的抗爆設(shè)計(jì)方法及步驟。主要研究?jī)?nèi)容有：1）根據(jù)已有的研究成果，以RC柱承載力損失為性能參數(shù)，劃分性能水平;2）設(shè)定爆炸場(chǎng)景，定義4個(gè)爆炸烈度;3）根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求，確定了2個(gè)水準(zhǔn)的性能目標(biāo);4）對(duì)RC柱進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)。

2、RC柱性能水平和性能目標(biāo)的確定

2.1性能水平

性能水平要根據(jù)實(shí)際需求，選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)，進(jìn)行合適的劃分。延性比、端部轉(zhuǎn)角、柱端剪力、承載力損失等都可以表征RC柱的性能水平，但是每種參數(shù)所側(cè)重的需求不同。例如，柱端剪力側(cè)重于RC柱的直剪破壞，而承載力損失比例側(cè)重于RC柱的豎向承載能力?？紤]到RC柱為建筑的主要承重構(gòu)件，選取軸心受壓承載力損失作為柱的性能水平參數(shù)。

2.2性能目標(biāo)

文獻(xiàn)建議了5個(gè)等級(jí)的爆炸烈度：30kg、200kg、500kg、1000kg、4000kg。其中，30kg為典型的箱包炸彈TNT當(dāng)量;200kg、500kg、1000kg為小型轎車(chē)炸彈或廂式貨車(chē)炸彈的TNT當(dāng)量，在恐怖襲擊中較為常見(jiàn);4000kg是大型汽車(chē)炸彈的TNT當(dāng)量，在恐怖襲擊中較為罕見(jiàn)。現(xiàn)實(shí)情況中，箱包炸彈一般放置在柱子的旁邊，主要是對(duì)柱子造成局部破壞，對(duì)于此種爆炸形式，采用增大配筋率或是加大柱子的橫截面積等結(jié)構(gòu)措施通常難以達(dá)到預(yù)期的效果，此時(shí)需要采用其他的防爆措施，如表面覆蓋吸能材料、FRP加固等。本文主要考慮RC柱結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)（配筋率、截面尺寸等），因此取4個(gè)等級(jí)的爆炸烈度：200kg、500kg、1000kg、4000kg。

在建筑結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計(jì)中，一般會(huì)運(yùn)用設(shè)定防爆路障、出入口檢查等方式保證一定的防爆距離。根據(jù)防爆距離和爆炸烈度，既可以確定爆炸荷載峰值和沖量。對(duì)于有出入口檢查的人員聚集的建筑，車(chē)輛可距建筑最近10m處停放，于是本文取安全距離為10m，根據(jù)TM5-1300可以計(jì)算出作用在建筑上的爆炸荷載，如表2。根據(jù)建筑功能和客戶(hù)需求，必要的情況下可以進(jìn)行費(fèi)效比的計(jì)算，綜合考慮后確定較為合適的建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。本文取RC柱的性能目標(biāo)如表3。

結(jié)語(yǔ)：

本文將基于性能的設(shè)計(jì)方法引入工程結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)領(lǐng)域，給出了基于性能的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)的一般流程，并對(duì)基于性能抗爆設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及步驟進(jìn)行了詳細(xì)描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐龍河，吳耀偉，李忠獻(xiàn)，等.基于性能的鋼框架結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別及優(yōu)化[J].工程力學(xué)，2015：32（10）：44-51.

[2]郝際平，袁昌魯，樊春雷，等.鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)基于性能的塑性設(shè)計(jì)方法研究[J].工程力學(xué)，2015，32（7）：118-127.