基于有限元方法的燃?xì)獗瑩p結(jié)構(gòu)應(yīng)急性鑒定方法

侯東序, 劉 曉, 馬云飛, 南國(guó)海, 孟凡程, 馬悅獻(xiàn)

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044;2. 法庫(kù)縣城鄉(xiāng)建設(shè)事務(wù)服務(wù)中心 工程質(zhì)量監(jiān)督服務(wù)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110400;3. 康平縣城鄉(xiāng)建設(shè)事務(wù)服務(wù)中心 建設(shè)工程安全質(zhì)量事務(wù)服務(wù)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110500;4. 沈陽(yáng)市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司 技術(shù)咨詢部, 遼寧 沈陽(yáng) 110004)

燃?xì)獗ㄊ且环N不穩(wěn)定的燃燒波傳播過(guò)程,烴類物質(zhì)爆轟波速可達(dá)1 800 m·s-1,溫度會(huì)迅速升至2 500 ℃以上.多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間狹小,可燃物質(zhì)釋放的能量被氣體本身所吸收,爆炸壓力會(huì)瞬間升至初始?jí)毫Φ?～8倍[1],因此一旦發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?即會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨額的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[2],對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的損傷更是不容小覷.

在爆炸事故的處理過(guò)程中,盡快掌握爆損建筑結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)是一切后續(xù)工作的前提.然而由于爆炸事發(fā)突然,結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況錯(cuò)亂復(fù)雜,結(jié)構(gòu)鑒定工作無(wú)法第一時(shí)間開展,加之傳統(tǒng)評(píng)估方法步驟煩瑣,導(dǎo)致事故善后處理工作低效拖沓,在此過(guò)程中容易引發(fā)更為嚴(yán)重的二次事故或社會(huì)問(wèn)題.因此高效準(zhǔn)確地評(píng)估爆損結(jié)構(gòu)安全性是處理燃?xì)獗ㄊ鹿实闹匾h(huán)節(jié),意義重大.

目前已有很多學(xué)者針對(duì)燃?xì)獗▽?duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷及評(píng)估方法進(jìn)行了研究,李建國(guó)等[3]研究認(rèn)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)只要現(xiàn)澆成整體,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造牢固可靠,具有良好通暢的泄爆路徑,即可很好地防止連續(xù)倒塌.季海峰等[4]通過(guò)有限元研究提出了針對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定及加固方法,指出檢測(cè)時(shí)應(yīng)詳細(xì)檢測(cè)墻體損傷情況,以判斷墻體在峰值壓力作用下的受力狀態(tài).張志偉等[5]以2例煤氣爆燃工程實(shí)例,分析了降低煤氣爆炸損失的舉措及建議.蔡向榮[6]以某多層住宅樓燃?xì)獗槔?介紹了燃?xì)獗ê笞≌瑯堑闹黧w結(jié)構(gòu)損傷破壞情況,并給出了受損結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定結(jié)果和相應(yīng)的處理方案.然而上述研究均是基于常規(guī)方法進(jìn)行的檢測(cè)鑒定,側(cè)重于對(duì)爆損結(jié)構(gòu)應(yīng)急性評(píng)估的方法研究還未見報(bào)道.

本文基于實(shí)際爆損工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究,利用燃?xì)獗ɡ碚摻⒈瑩p結(jié)構(gòu)有限元模型;通過(guò)有限元ABAQUS軟件Explicit動(dòng)態(tài)模塊模擬爆炸狀態(tài),并劃定結(jié)構(gòu)爆損范圍;以爆損范圍內(nèi)的局部構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析鑒定,提出高效準(zhǔn)確的爆損結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法.

1 實(shí)際爆損工程檢測(cè)與鑒定

1.1 工程概況

某建造于1997年的7層民用住宅建筑,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),樓板由空心預(yù)制板搭鋪,結(jié)構(gòu)層高為2.8 m,內(nèi)隔墻為黏土實(shí)心磚填充,外墻為黏土實(shí)心磚砌筑,樁基礎(chǔ)形式.建筑平面布置如圖1所示,整個(gè)建筑由3個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元組成,單元之間設(shè)置伸縮縫.2018年5月,該建筑4層3-4-2室南側(cè)房間(粗實(shí)線框范圍)內(nèi)發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?造成人員傷亡和一定的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失.

圖1 受損結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 Layout of damaged structure

1.2 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

事故發(fā)生后,檢測(cè)鑒定人員第一時(shí)間趕至現(xiàn)場(chǎng).但由于現(xiàn)場(chǎng)狀況混亂,結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷狀況尚不明確,加之現(xiàn)場(chǎng)彌漫爆燃產(chǎn)生的毒性氣體,鑒定人員無(wú)法直接進(jìn)行檢測(cè)操作.為避免發(fā)生二次事故,鑒定人員待結(jié)構(gòu)內(nèi)部安全支撐及防護(hù)條件完善后,爆炸后8 h后方進(jìn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè).

該工程爆炸事故發(fā)生于乙單元,且與甲、丙單元之間存在伸縮縫區(qū)隔有關(guān),故檢測(cè)鑒定工作以乙結(jié)構(gòu)單元為重點(diǎn).由于無(wú)法確定爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)影響的確切范圍,依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344—2019)[7]的相關(guān)規(guī)定,現(xiàn)場(chǎng)抽取乙單元內(nèi)共計(jì)80個(gè)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè).經(jīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及批量評(píng)定后,依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—2015)[8]評(píng)定方法,將該工程評(píng)定為Dsu級(jí),鑒定工作共歷時(shí)4 d.

2 爆損結(jié)構(gòu)應(yīng)急性安全評(píng)估方法探索

由上述燃?xì)獗瑩p工程檢測(cè)鑒定案例可見,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性鑒定耗時(shí)費(fèi)力,效率低下,無(wú)法滿足燃?xì)獗瑩p結(jié)構(gòu)應(yīng)急性安全評(píng)估速度的要求,亟需探索針對(duì)爆損結(jié)構(gòu)的更為高效準(zhǔn)確的災(zāi)后安全性評(píng)估方法.

2.1 無(wú)人機(jī)宏觀勘察爆炸現(xiàn)場(chǎng)

無(wú)人機(jī)小巧輕便,且可任意搭載便攜式可見光及紅外光攝像頭.使用搭載攝像設(shè)備的無(wú)人機(jī)深入爆炸核心現(xiàn)場(chǎng),不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制.無(wú)人機(jī)搭載可見光鏡頭可以第一時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)外觀及內(nèi)部進(jìn)行清晰的勘察,搭載紅外鏡頭更能準(zhǔn)確地進(jìn)行構(gòu)件損傷識(shí)別及生命搜救,且無(wú)人機(jī)有距離定位功能,遙感控制可獲取準(zhǔn)確的方位參數(shù),特別適合于爆損建筑結(jié)構(gòu)外部與內(nèi)部的勘察.

2.2 爆炸中心位置初估

通過(guò)無(wú)人機(jī)檢測(cè),即可第一時(shí)間識(shí)別爆炸核心區(qū)內(nèi)各構(gòu)件損傷狀況及位置,根據(jù)各相鄰構(gòu)件狀態(tài)進(jìn)行分析,估算爆炸中心位置.

此次爆炸事故中,爆炸核心位于圖1粗實(shí)線框范圍內(nèi).通過(guò)宏觀檢查,受損范圍頂預(yù)制板嚴(yán)重?zé)?斷裂變形,向上凸起約260 mm,預(yù)制板邊緣與框架梁頂部全部脫離,梁表面有燒灼痕跡(圖2(a)),但支座梁未見可見變形.底預(yù)制板全部下凹斷裂坍塌,掉落下層(圖2(b)).西側(cè)隔墻及外墻在爆炸沖擊作用下全部倒塌(圖2(c)).東側(cè)墻體未倒塌,但灼損痕跡明顯(圖2(d)).綜合爆炸核心區(qū)的狀況,核心區(qū)局部構(gòu)件損壞嚴(yán)重,但整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定.

(a) 頂板凸起(b)底板下凹(c) 西側(cè)隔墻及外墻倒塌(d) 東側(cè)墻體燒灼嚴(yán)重

爆炸區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)件均不同程度受損,構(gòu)件損傷情況及承受超壓范圍如表1所示,由結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷狀況可以初估各構(gòu)件爆炸瞬間承受沖擊波超壓狀況[9],在同一空間中,構(gòu)件承受統(tǒng)一沖擊波,不同構(gòu)件所承受的超壓隨構(gòu)件剛度及爆炸核心距離不同存在差異.

表1 爆炸核心區(qū)構(gòu)件損傷情況Table 1 The situation ofspecimens in explosion core area

按照構(gòu)件變形理論,爆炸點(diǎn)到相鄰構(gòu)件垂直距離ai可按式(1)計(jì)算.

(1)

式中:a為房間總開間尺寸或總進(jìn)深;Pi為估算的構(gòu)件承受沖擊波超壓最大值,數(shù)值如表1所示;ti為所計(jì)算構(gòu)件厚度;li為所計(jì)算構(gòu)件跨度;i=1,2.

在此例工況中,經(jīng)計(jì)算,爆炸點(diǎn)位于距離外墻約為1 650 mm處,且接近爆炸房間開間方向的中線位置.

2.3 爆炸當(dāng)量估算

在氣體爆炸相關(guān)研究中,目前最常用的爆炸力模型方法即TNT當(dāng)量法,即將燃?xì)獗芰哭D(zhuǎn)化為TNT爆炸能量,以TNT等效當(dāng)量折算燃?xì)獍l(fā)生爆炸的能量.

根據(jù)文獻(xiàn)[8]理論,室內(nèi)燃?xì)獗óa(chǎn)生的蒸汽云TNT當(dāng)量按式(2)計(jì)算.

WTNT=AρQvtQf/QTNT.

(2)

式中:WTNT為燃?xì)獗ㄕ羝频腡NT當(dāng)量,kg;A為質(zhì)量系數(shù),取0.04;ρ為天然氣密度,取0.746 kg·m-3;Qv為天然氣體積流量,按15 mm直徑燃?xì)夤艿烙?jì)算,取7.88×10-4m3·s-1;t為燃?xì)庑孤r(shí)間,s;Qf為天然氣的燃燒值,取28.97 MJ·kg-1;QTNT為TNT爆炸熱,取4.52×103kJ·kg-1.

將WTNT轉(zhuǎn)化為TNT炸藥體積為

VTNT=WTNT/ρTNT.

(3)

式中ρTNT為TNT的平均密度,取1.5 g·cm-3.

經(jīng)燃?xì)獠块T調(diào)查,此次燃?xì)獗ㄈ細(xì)庑孤r(shí)長(zhǎng)約為7 200 s,由式(2)及式(3)可計(jì)算出其相當(dāng)于723 mm3TNT炸藥爆炸.

2.4 爆炸影響范圍估算

2.4.1 有限元模型

通過(guò)爆炸核心區(qū)構(gòu)件狀態(tài)及剛度確定爆炸點(diǎn)位置,也可以通過(guò)燃?xì)獗═NT當(dāng)量法求出燃?xì)獗ㄋ刃У腡NT炸藥體積.通過(guò)有限元建模方法模擬確定燃?xì)獗ǖ挠绊懛秶?

采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析,以動(dòng)態(tài)分析模塊Explicit模擬爆炸作用.以TNT當(dāng)量法模擬燃?xì)獗ㄐ?yīng).

由無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況可見,單點(diǎn)燃?xì)獗▽?duì)于相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定影響,但結(jié)構(gòu)相鄰層與爆炸區(qū)域非直接接觸,構(gòu)件受爆炸影響并不大,因此有限元建模時(shí)僅以本層結(jié)構(gòu)為一個(gè)模擬單元.結(jié)構(gòu)主體墻體及層間預(yù)制板均采用Solid實(shí)體單元模擬,預(yù)制混凝土板與橫向圈梁間采用鉸接約束方式,即僅進(jìn)行豎向約束而不進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)約束,以此模擬預(yù)制板的搭接.為提高建模分析結(jié)構(gòu)效率,構(gòu)件混凝土和砌體均采用彈塑性模型進(jìn)行模擬[10].

TNT體積可按爆炸當(dāng)量體折算為立方體,仍采用Solid實(shí)體單元進(jìn)行模擬,TNT材料選取EOS模型中JWL狀態(tài)方程(式(4)),相關(guān)參數(shù)取值如表2所示[11].

(4)

式中:P為壓力;V為相對(duì)體積;E為初始比內(nèi)能;A、B為直線系數(shù);R1、R2、w為非直線系數(shù).

表2 數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Parameters in numerical simulation

2.4.2 爆炸全過(guò)程模擬

經(jīng)上述方法建模分析,模擬爆炸結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖3所示.此次燃?xì)獗ㄊ鹿蕦賳吸c(diǎn)爆炸,爆炸區(qū)域頂板及底板受損嚴(yán)重,爆炸區(qū)域相鄰墻體及墻下梁受損嚴(yán)重,對(duì)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件并未造成較大影響.各預(yù)制板縫之間在爆炸作用下出現(xiàn)微小位移,但并未形成損傷.模擬受損構(gòu)件與實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞基本吻合.

由有限元分析可見.爆炸起爆于圖3所示范圍內(nèi)板上.兩側(cè)墻體及底板首先出現(xiàn)較大應(yīng)力,如圖3(a)所示.隨后爆炸云膨脹,雙側(cè)墻體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖3(b)),同時(shí)頂板、梁瞬間應(yīng)力增大,爆炸云向后端墻蔓延(圖3(c)),爆炸沖擊效應(yīng)通過(guò)板間縫隙及通道傳遞,爆炸核心相鄰構(gòu)件全部受損,如圖3(d)所示.由圖3可見,爆炸影響區(qū)域模擬受損構(gòu)件與實(shí)際檢查受損構(gòu)件一致性較強(qiáng).

(a) 爆炸過(guò)程墻體波及區(qū)域(b) 爆炸波及區(qū)域擴(kuò)大(c) 爆炸過(guò)程外墻及側(cè)墻波及區(qū)域(d) 爆炸極限結(jié)構(gòu)形態(tài)

2.5 爆損結(jié)構(gòu)應(yīng)急性安全評(píng)估鑒定

經(jīng)有限元分析,在爆炸作用下,應(yīng)力增大范圍內(nèi)共涉及21個(gè)構(gòu)件.對(duì)涉及的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、變形、燒灼深度檢測(cè),并將檢測(cè)結(jié)果帶入結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行計(jì)算,非涉及構(gòu)件均按設(shè)計(jì)強(qiáng)度及尺寸進(jìn)行計(jì)算,即可完成對(duì)爆損結(jié)構(gòu)的應(yīng)急安全評(píng)估.經(jīng)分析計(jì)算,該結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)被評(píng)定為Dsu級(jí)[8],評(píng)定結(jié)果與傳統(tǒng)評(píng)定方法一致.

3 鑒定方法比較

對(duì)燃?xì)獗瑩p結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)急性安全評(píng)估流程如圖4所示.由圖4可見,本文評(píng)估方法可以最大程度地統(tǒng)籌各流程,并且利用有限元分析后,可以大幅度減少檢測(cè)抽樣數(shù)量,從而節(jié)約了成本,提高了效率.經(jīng)對(duì)比,傳統(tǒng)方法鑒定該爆損結(jié)構(gòu)安全等級(jí)至少需要74 h,而本文論述方法僅需39 h即可完成,鑒定總體時(shí)長(zhǎng)約節(jié)省48%.

圖4 爆損結(jié)構(gòu)應(yīng)急性安全評(píng)估流程對(duì)比Fig.4 Comparison of safety evaluation process of damaged structure

4 結(jié) 論

1) 燃?xì)獗ㄊ鹿屎蟮默F(xiàn)場(chǎng)情況混亂復(fù)雜,采用無(wú)人機(jī)攜帶紅外光及可見光攝像設(shè)備進(jìn)行勘察,即可以高效準(zhǔn)確地辨識(shí)爆損結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷等內(nèi)部狀況,又有利于協(xié)助進(jìn)行生命體的搜尋,適合于此類爆損結(jié)構(gòu)的宏觀檢查.

2) 借助ABAQUS有限元軟件的Explicit動(dòng)態(tài)分析模塊,可以較為準(zhǔn)確地對(duì)爆炸影響構(gòu)件應(yīng)力集中狀態(tài)及結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸影響區(qū)域進(jìn)行模擬劃定.爆炸核心位置可通過(guò)相鄰構(gòu)件在沖擊波超壓下的狀態(tài)及構(gòu)件剛度決定;燃?xì)獗芰肯喈?dāng)?shù)腡NT炸藥體積可通過(guò)基于TNT當(dāng)量分析法推導(dǎo)的方法進(jìn)行計(jì)算.

3) 本文所述的基于無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)勘察、爆炸理論分析及有限元ABAQUS動(dòng)態(tài)模擬方法,可以高效準(zhǔn)確地對(duì)燃?xì)獗ǖ缺瑩p結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行應(yīng)急性的評(píng)估鑒定,在文中所示案例中,其鑒定結(jié)果與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鑒定方法鑒定結(jié)果一致,鑒定總體時(shí)長(zhǎng)約節(jié)省48%.