爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)及修復(fù)加固研究進(jìn)展

師燕超,劉少增,崔健,郭宗明

（1.天津大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

現(xiàn)代城市的安全運(yùn)行面臨著來自地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)和爆炸等多種極端災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。自20世紀(jì)中葉以來，爆炸事件已逐漸發(fā)展成為嚴(yán)重威脅城市安全、導(dǎo)致重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因之一。如1983年貝魯特軍營(yíng)恐怖爆炸事件造成241人遇難、105人受傷；1995年美國(guó)俄克拉何馬城聯(lián)邦大廈汽車炸彈爆炸事件造成168人遇難、680多人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失6.52億美元；2005年倫敦地鐵公交連環(huán)爆炸事件造成56人遇難、700多人受傷[1-4]。與此同時(shí)，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，由于城市規(guī)劃的遲滯導(dǎo)致居民區(qū)、商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)的距離逐漸縮小。在這種情況下，一旦發(fā)生意外爆炸事件，爆炸沖擊波傳播并作用在周邊城市建筑群上，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。例如，2015年天津港“8·12”特別重大火災(zāi)爆炸事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失68.66億元；2019年江蘇響水“3·21”特大爆炸事故造成78人遇難、76人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失19.86億元；2020年黎巴嫩貝魯特港特大爆炸事故共造成178人遇難、超過6 500人受傷，超30萬人無家可歸，經(jīng)濟(jì)損失超150億美元[5-7]?，F(xiàn)有針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗爆分析與設(shè)計(jì)的研究多為預(yù)防性研究，其目的是通過合理的抗爆、減爆及防爆技術(shù)，盡可能避免爆炸災(zāi)害的發(fā)生及爆炸災(zāi)害發(fā)生后建筑結(jié)構(gòu)的損傷破壞[8]，而對(duì)于爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)及處置的研究還鮮見報(bào)道。建立有效的爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能評(píng)價(jià)和修復(fù)的理論與方法仍十分重要。原因在于，無論采用何種預(yù)防措施，都不能從根本上避免恐怖或意外爆炸的發(fā)生，而恐怖或意外爆炸一旦發(fā)生，爆炸沖擊波的傳播必將造成周邊建筑群的損害[9-10]，爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)是確保爆炸災(zāi)后應(yīng)急救援快速、科學(xué)、有效以及建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)后重建方案經(jīng)濟(jì)、合理、安全的關(guān)鍵。

為了促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)爆炸災(zāi)后性能評(píng)價(jià)和修復(fù)領(lǐng)域相關(guān)研究的發(fā)展，綜述了建筑結(jié)構(gòu)爆炸損傷評(píng)估、爆炸受損結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能分析和損傷修復(fù)與加固等領(lǐng)域的最新研究成果，對(duì)爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)涉及的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)介紹與總結(jié)，并對(duì)一些熱門的建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與評(píng)述，對(duì)目前研究的不足之處進(jìn)行討論，并對(duì)今后的工作進(jìn)行展望。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆炸損傷評(píng)估

在開展建筑結(jié)構(gòu)爆炸災(zāi)后性能評(píng)價(jià)及修復(fù)工作之前，首先需要對(duì)爆炸規(guī)模及其造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的程度和分布情況進(jìn)行評(píng)估。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆炸損傷評(píng)估最為關(guān)鍵的是建立可靠的損傷評(píng)估準(zhǔn)則。地震荷載和爆炸荷載都是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的偶然荷載，相比于抗震研究，建筑抗爆研究起步稍晚，期間借鑒了建筑抗震的相關(guān)研究思路，如等效單自由度方法、基于數(shù)值手段的多參數(shù)分析法、蒙特卡洛方法及人工智能算法等，在建筑結(jié)構(gòu)抗震和抗爆領(lǐng)域均有應(yīng)用。但是，不同于地震荷載低周往復(fù)加載的特點(diǎn)，爆炸荷載具有持時(shí)短、幅值大、衰減快、作用位置不定和分布不均等特征，因此，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變率效應(yīng)更明顯，且結(jié)構(gòu)大多傾向于彎曲破壞、彎剪破壞或局部破壞。雖然建筑抗震和抗爆領(lǐng)域的研究方法基本大同小異，但由于所提出的構(gòu)件損傷評(píng)估模型大多是針對(duì)預(yù)定荷載場(chǎng)景的經(jīng)驗(yàn)方法，具有各自的適用范圍，不能一概而論。近年來，學(xué)者們對(duì)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)及破壞模式展開了研究，提出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度評(píng)估方法。根據(jù)評(píng)估方法輸入?yún)?shù)的不同，可以將這些方法分為兩類：一類是基于爆炸荷載的損傷評(píng)估方法，包括超壓—沖量曲線圖及各類采用比例距離和炸藥當(dāng)量為主要輸入指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)方法；另一類方法則依賴于災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行損傷評(píng)估，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)容包括相對(duì)殘余變形、混凝土剝落程度和振動(dòng)頻率變化等。

1.1 基于爆炸荷載的損傷評(píng)估方法

超壓—沖量曲線是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載作用下對(duì)應(yīng)某一損傷程度的等損傷曲線。在對(duì)二戰(zhàn)中遭到炸彈破壞的英國(guó)砌體建筑進(jìn)行評(píng)估時(shí)首次引入該方法，隨后被廣泛應(yīng)用于對(duì)爆炸荷載作用下各類結(jié)構(gòu)損傷及人體傷亡情況的評(píng)估[11]?；诓煌愋偷慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件和不同的損傷定義，可以得到爆炸荷載作用下包括鋼筋混凝土柱、板、梁以及鋼柱等常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。Shi等[12]通過數(shù)值模擬，對(duì)爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的損傷程度評(píng)估進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了基于豎向剩余承載力的破壞準(zhǔn)則，建立了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。Mutalib等[13]基于相同方法，給出了典型纖維復(fù)合材料（Fibre Reinforced Polymer,FRP）加固后鋼筋混凝土柱超壓—沖量曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式與Shi等[12]給出的經(jīng)驗(yàn)公式具有相同的表達(dá)形式，也可用于未加固鋼筋混凝土柱的損傷評(píng)估。Parisi等[14]在已有鋼筋混凝土柱超壓—沖量曲線的基礎(chǔ)上，通過考慮鋼筋混凝土柱的材料及構(gòu)件屬性的不確定性，采用蒙特卡洛方法，建立了鋼筋混凝土柱的爆炸易損性曲線。Wang等[15]和Xu等[16]研究了鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷破壞模式，采用單自由度方法并考慮彎曲和剪切破壞模式，建立了鋼筋混凝土板的超壓—沖量曲線。Al-Thair等[17]考慮到軸力對(duì)鋼柱水平向抗力的影響，對(duì)其抗力函數(shù)進(jìn)行修正，建立了鋼柱抗爆分析的等效單自由度方法，并在此基礎(chǔ)上提出了鋼柱損傷程度評(píng)價(jià)的超壓—沖量曲線。Shi等[18]通過數(shù)值模擬方法，建立了預(yù)測(cè)爆炸荷載作用下波紋板損傷程度的超壓—沖量曲線。Zhang等[19]基于試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)，提出了超高性能混凝土填充空心鋼管（Ultra-High Performance Concrete Filled Double-skin Steel Tube,UHPCFDST）柱損傷程度評(píng)估的超壓—沖量曲線。Liao等[20]開展了高強(qiáng)鋼筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁的野外爆炸試驗(yàn)，比較了二者的抗爆性能，基于最大鋼筋拉應(yīng)變的破壞準(zhǔn)則，建立了高強(qiáng)鋼筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。Zhang等[21]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，建立了浮法玻璃及PVB（polyvinyl butyral）夾層玻璃損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。陳俊杰等[22]提出了運(yùn)用圖像法計(jì)算阻尼耗能，在原有單自由度方法和理想彈塑性抗力模型的基礎(chǔ)上考慮阻尼影響，得到了與數(shù)值結(jié)果較一致的鋼筋混凝土構(gòu)件超壓—沖量曲線。Huang等[23]采用超壓—沖量圖的模態(tài)逼近法分析爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的響應(yīng)和損傷，根據(jù)不同的失效模式，考慮剪切破壞、彎曲破壞和聯(lián)合破壞模式，建立了結(jié)構(gòu)剪切和彎曲破壞的臨界方程，給出了不同失效模式下鋼筋混凝土板快速損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。上述成果采用的超壓—沖量曲線大多符合反比例函數(shù)的形式，如表1所示，其中，P0和I0是與損傷大小、構(gòu)件尺寸、混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度和配筋率等參數(shù)相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。

表1 典型構(gòu)件超壓-沖量曲線Table 1 Pressure-impulse curves of typical structural components

除超壓—沖量曲線方法外，另一種基于爆炸荷載的構(gòu)件損傷評(píng)估方法主要采用炸藥當(dāng)量或比例距離作為輸入?yún)?shù)。例如，Chen等[24]通過現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)，觀察出柱形炸藥兩端引爆時(shí)鋼筋混凝土柱的壓剪破壞模式，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，給出了以比例距離等作為輸入?yún)?shù)的柱形炸藥兩端引爆的情況下鋼筋混凝土損傷評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)公式。李忠獻(xiàn)等[25]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大量數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了訓(xùn)練，以截面寬度、截面高度、構(gòu)件長(zhǎng)度、箍筋配箍率、縱筋配筋率、軸壓比、混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、炸藥質(zhì)量和比例距離作為輸入，以損傷作為輸出，建立了爆炸作用下鋼筋混凝土柱損傷分區(qū)圖，如圖1所示。Li等[26]將爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的剝落損傷分為3類，基于數(shù)值研究結(jié)果，提出了考慮炸藥質(zhì)量、距離、柱深、配筋情況的混凝土剝落損傷估算公式。Ibrahim等[27]以比例距離和炸藥當(dāng)量等作為輸入?yún)?shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析了鋼筋混凝土板在近距離爆炸荷載作用下混凝土剝落或炸坑損傷的數(shù)值結(jié)果，并編制了相應(yīng)的程序代碼。

圖1 爆炸作用下RC柱損傷的分區(qū)[25]Fig.1 Damage partition of of RC columns under blast[25]

1.2 基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)的損傷評(píng)估方法

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，基于爆炸荷載的構(gòu)件損傷評(píng)估方法已相對(duì)成熟，但這種方法僅適用于爆炸荷載或炸藥當(dāng)量已知的情形。在爆炸災(zāi)后，作用于損傷結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載嚴(yán)重依賴于災(zāi)后爆炸源反演和沖擊波傳播計(jì)算結(jié)果，很難確定。為了克服上述缺點(diǎn)，學(xué)者們基于相對(duì)殘余變形、混凝土剝落或炸坑、自振頻率變化等災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)可檢測(cè)指標(biāo)，通過試驗(yàn)或數(shù)值方法，提出了典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度評(píng)估的判別準(zhǔn)則或經(jīng)驗(yàn)公式。例如，Bao等[28]基于數(shù)值模擬結(jié)果，提出將鋼筋混凝土柱在近距離爆炸后的殘余承載力表示為相對(duì)變形、軸壓比、配筋率、配箍率、長(zhǎng)細(xì)比的函數(shù)。Cui等[29]研究了近距離爆炸作用下鋼筋混凝土柱的破壞機(jī)理，通過參數(shù)分析研究了柱子尺寸、箍筋和保護(hù)層厚度等參數(shù)對(duì)典型鋼筋混凝土柱損傷程度的影響，提出了一種基于相對(duì)殘余位移的損傷判別準(zhǔn)則，并給出了對(duì)應(yīng)的適用范圍。周龍?jiān)频萚30]引入相對(duì)撓度的概念，基于數(shù)值模擬結(jié)果，研究了爆炸荷載作用下H型鋼柱剩余承載力系數(shù)與相對(duì)撓度的關(guān)系，提出了鋼柱爆炸損傷等級(jí)的快速判定依據(jù)。師燕超等[31]提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻率變化的鋼筋混凝土柱爆炸損傷快速評(píng)估方法，建立了柱損傷程度與頻率變化之間的公式，從而實(shí)現(xiàn)了在爆炸現(xiàn)場(chǎng)通過頻率測(cè)試對(duì)矩形鋼筋混凝土柱爆炸損傷程度的快速評(píng)估。

綜上所述，爆炸災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷評(píng)估仍面臨挑戰(zhàn)。一方面，爆炸災(zāi)后作用于建筑上的爆炸荷載很難及時(shí)準(zhǔn)確地獲取；另一方面，現(xiàn)有研究針對(duì)同一構(gòu)件提出了不同的破壞準(zhǔn)則，如剩余承載力、殘余變形、混凝土剝落程度、局部應(yīng)力和應(yīng)變及模態(tài)信息等，不同破壞準(zhǔn)則的有效性及適用范圍有待進(jìn)一步研究。在爆炸荷載未知的情況下，如何通過現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)方法，結(jié)合受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能等參數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度與破壞模式，是建立爆炸災(zāi)后構(gòu)件損傷評(píng)估方法的關(guān)鍵。

2 災(zāi)后建筑性能評(píng)價(jià)

災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)是在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆炸損傷評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在剩余使用壽命期限內(nèi)的持久工況、短暫工況和偶然工況下的性能進(jìn)行深入研究，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)判斷，其結(jié)果將直接為建筑結(jié)構(gòu)的留用、修復(fù)或拆除等最終處置提供科學(xué)依據(jù)[32-33]。目前，有關(guān)爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的研究仍處于探索階段，類似于建筑物抗震性能評(píng)價(jià)體系[34]，根據(jù)研究對(duì)象的不同，現(xiàn)有研究成果主要分為兩類，分別為單體建筑性能評(píng)價(jià)與城市建筑群性能評(píng)價(jià)。

2.1 災(zāi)后單體建筑性能評(píng)價(jià)

類似于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷評(píng)估，對(duì)于單體建筑，其整體損傷評(píng)價(jià)也有對(duì)應(yīng)的超壓準(zhǔn)則或超壓—沖量準(zhǔn)則。例如，Pape等[35]通過總結(jié)前人的研究成果，依據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)類型，分別給出了超壓與建筑物破壞程度的關(guān)系。Stephens[36]給出了爆炸荷載作用下砌體結(jié)構(gòu)的超壓破壞準(zhǔn)則。FEMA[37]綜合考慮了結(jié)構(gòu)形式、材料強(qiáng)度及爆炸荷載效應(yīng)等多方面因素，將建筑物的損傷程度分為5個(gè)等級(jí)，并且給出了砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度與爆炸荷載超壓參數(shù)對(duì)應(yīng)的表格。除了上述超壓準(zhǔn)則外，學(xué)者們也提出了建筑結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)的超壓—沖量準(zhǔn)則。例如，Chee等[38]基于單自由度體系理論，提出了爆炸荷載作用下淺埋盒式建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析方法，考慮屋頂破壞模式以及土—結(jié)構(gòu)相互作用，進(jìn)一步得出了分別對(duì)應(yīng)于屋頂彎曲破壞和直剪破壞的淺埋盒式建筑結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。Elliott等[39]將磚砌體結(jié)構(gòu)破壞分為4個(gè)等級(jí)，并給出了相應(yīng)損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線。綜上可以看出，超壓準(zhǔn)則多基于爆炸災(zāi)后或試驗(yàn)觀察的結(jié)構(gòu)損傷破壞結(jié)果得出，由于爆炸現(xiàn)場(chǎng)條件及試驗(yàn)條件的不同，得到的同一類型結(jié)構(gòu)的超壓準(zhǔn)則往往差異很大，僅能應(yīng)用于災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)損傷程度的初步評(píng)估。李殷[40]基于爆炸荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷評(píng)估方法的簡(jiǎn)化，編制了可以繪制建筑損傷分布的程序，并應(yīng)用于天津港“8·12”特別重大火災(zāi)爆炸事故中某交警大樓的損傷評(píng)價(jià)，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，如圖2、圖3所示。不過需要注意的是，作者同時(shí)指出，該方法在評(píng)估出現(xiàn)局部倒塌的建筑時(shí)存在較大誤差。

圖2 天津港爆炸中交警大樓損傷情況現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍[40]Fig.2 Scene of the damage of the traffic cop building in Tianjin Port explosion[40]

圖3 天津港爆炸中交警大樓損傷評(píng)估[40]Fig.3 Damage assessment of the traffic cop building in Tianjin Port explosion[40]

災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也是單體建筑災(zāi)后性能評(píng)價(jià)的重要方式，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)不僅可以直觀地理解爆炸損傷和結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理，也可以有效地對(duì)受損建筑物進(jìn)行分類。表2給出了在二戰(zhàn)倫敦空襲中英國(guó)磚砌體結(jié)構(gòu)的損傷分級(jí)及依據(jù)[41-42]。此外，Sorensen等[43]概括了爆炸災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)勘查需要的調(diào)查事項(xiàng)，包括結(jié)構(gòu)損傷的類型及特征、炸藥的等效TNT質(zhì)量和位置、結(jié)構(gòu)損傷的后果分析等。Turgut等[44]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，揭示了引起爆炸事故的原因，解釋了鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷破壞機(jī)理。方秦等[5]基于爆炸現(xiàn)場(chǎng)人員和建筑物的損毀情況，對(duì)天津港“8·12”特大火災(zāi)爆炸事故中建筑結(jié)構(gòu)受災(zāi)害程度進(jìn)行了定量評(píng)估。陳大鵬等[6]對(duì)江蘇鹽城響水化工園區(qū)“3·21”?；繁ㄊ鹿蔬M(jìn)行了爆炸威力分析及災(zāi)害后果評(píng)估。

表2 建筑爆炸損傷分類[41-42]Table 2 Blast damage classification of buildings[41-42]

2.2 城市建筑群受損區(qū)域快速評(píng)估

針對(duì)城市建筑群的災(zāi)后評(píng)價(jià)，通常做法是先對(duì)涉災(zāi)的各個(gè)建筑逐一進(jìn)行評(píng)價(jià)，劃定某一分類等級(jí)，然后匯總得到不同等級(jí)的受災(zāi)區(qū)域。在江蘇響水“3·21”特別重大爆炸事故調(diào)查報(bào)告中，依據(jù)該方法將涉災(zāi)城市建筑群劃分為嚴(yán)重受損、中度受損和玻璃受損3個(gè)區(qū)域[45]，如圖4所示。由于涉及的建筑物數(shù)量較多，該方法效率并不高。為克服這一缺點(diǎn)，Zheng等[46]提出采用高分辨率遙感成像技術(shù)對(duì)城市建筑群爆炸受損區(qū)域進(jìn)行快速評(píng)估，并對(duì)貝魯特港等爆炸事件中建筑的毀損情況進(jìn)行了分析，繪制了可以標(biāo)識(shí)建筑毀損級(jí)別的遙感云圖，如圖5所示。圖6給出了更高分辨率的巴塔軍營(yíng)爆炸建筑損傷遙感分析圖。

圖4 江蘇響水“3·21”爆炸沖擊影響區(qū)域示意圖[45]Fig.4 Schematic diagram of affected areas by” 3·21” explosion in Xiangshui,Jiangsu Province[45]

圖5 貝魯特港爆炸建筑損傷遙感分析圖[46]Fig.5 Remote sensing analysis diagram of building damage in Beirut Port explosion[46]

圖6 巴塔軍營(yíng)爆炸建筑損傷遙感分析圖[46]Fig.6 Remote sensing analysis diagram of building damage in Bata military barracks explosion[46]

2.3 建筑爆炸災(zāi)后抗災(zāi)性能精確評(píng)價(jià)

針對(duì)單個(gè)建筑和城市建筑群的災(zāi)后損傷評(píng)價(jià)方法都只是對(duì)受損建筑進(jìn)行受損等級(jí)分類和區(qū)域劃分，屬于快速評(píng)價(jià)方法，適合于災(zāi)后應(yīng)急救援階段。在災(zāi)后重建階段，需要更為精確的建筑抗災(zāi)性能評(píng)價(jià)方法，為建筑結(jié)構(gòu)的留用、修復(fù)或拆除等最終處置方案提供科學(xué)依據(jù)?？尚械淖龇ㄊ窃诮Y(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究建筑結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件損傷與建筑整體性能之間的關(guān)系。然而，建筑結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件損傷與建筑整體性能之間的聯(lián)系是一個(gè)十分復(fù)雜的課題。為了建立上述關(guān)系，學(xué)者們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下因關(guān)鍵構(gòu)件失效引發(fā)的整體連續(xù)倒塌進(jìn)行了系統(tǒng)研究。例如，Luccioni等[9]建立了炸藥、空氣和結(jié)構(gòu)的三維流固耦合數(shù)值模型，通過與實(shí)際案例的對(duì)比，驗(yàn)證了該數(shù)值方法的有效性，并分析了在爆炸荷載引起局部破壞的情況下建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌機(jī)制。Shi等[10]在拆除構(gòu)件法的基礎(chǔ)上提出了一種可以考慮建筑初始位移、速度和臨近構(gòu)件損傷的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌數(shù)值分析方法，該方法在保證數(shù)值結(jié)果可靠性的前提下，極大地降低了數(shù)值計(jì)算成本，可直接應(yīng)用于爆炸荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的全過程分析；Elsanadedy等[47]和Al-Salloum等[48]采 用CONWEP爆炸荷 載模型，分析了內(nèi)爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱和鋼柱的失效行為引發(fā)的結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。在實(shí)際爆炸災(zāi)害中，建筑結(jié)構(gòu)未必一定發(fā)生連續(xù)倒塌，而目前對(duì)于爆炸作用下未倒塌受損結(jié)構(gòu)的損傷程度評(píng)估的研究較少。曾繁等[49]以砌體結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估為切入點(diǎn)，提出了一種基于構(gòu)件損傷加權(quán)的結(jié)構(gòu)評(píng)估方法，并將提出的評(píng)估方法應(yīng)用于某兩榀兩開間兩層磚混結(jié)構(gòu)的爆炸損傷評(píng)估，通過與已有文獻(xiàn)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提出的結(jié)構(gòu)評(píng)估方法的有效性。Gombeda等[50]提出了一種基于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆炸損傷的映射方法，用于建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌性能評(píng)估，通過某鋼筋混凝土原型建筑框架的損傷分布計(jì)算表明，所提出的方法可用于框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌性能評(píng)估。與建筑抗爆性能評(píng)價(jià)相比，現(xiàn)階段的抗震性能評(píng)價(jià)發(fā)展較為成熟，常用評(píng)價(jià)方法主要包括反應(yīng)譜法、非線性靜力push-over法和非線性動(dòng)力分析法等[51]，這種劃分主要考慮的是材料非線性。建筑抗爆同樣存在材料非線性，同時(shí)還存在爆炸沖擊波與建筑結(jié)構(gòu)流固耦合的難題，一般按照施加爆炸荷載的簡(jiǎn)易程度，將結(jié)構(gòu)與沖擊波的相互作用簡(jiǎn)化為直接施加超壓時(shí)程、COMWEP方法和分步流固耦合方法[52]。在后續(xù)建筑抗爆性能評(píng)價(jià)研究中，也可參照建筑抗震性能評(píng)價(jià)方法，結(jié)合爆炸荷載形式，提出高效合理的建筑抗爆性能評(píng)價(jià)方法。

綜上所述，現(xiàn)有爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件損傷與建筑整體性能關(guān)系的研究主要關(guān)注的是建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。然而，災(zāi)后建筑抗災(zāi)性能評(píng)價(jià)更為關(guān)心的是那些受損而未倒塌的建筑，災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能的精確評(píng)價(jià)可以為其災(zāi)后處置方案提供科學(xué)依據(jù)。如何依據(jù)局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞情況對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)性能進(jìn)行評(píng)估依然是這一研究領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。一種可能的解決辦法是基于建筑原始資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)，建立考慮爆炸引起初始損傷的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)值模型修正技術(shù)，并基于該模型對(duì)已損傷建筑結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。與此同時(shí)，受損建筑結(jié)構(gòu)能否長(zhǎng)期使用，除了承載力安全外，其抗震、抗爆等綜合抗災(zāi)性能也很重要。目前尚缺少對(duì)受損建筑結(jié)構(gòu)抗震、抗爆等綜合抗災(zāi)性能的研究。

3 爆炸災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷修復(fù)

在得到建筑性能評(píng)價(jià)結(jié)果之后，就可以依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)受損建筑進(jìn)行處置，包括修復(fù)和拆除。在爆炸災(zāi)后建筑性能修復(fù)與提升方面，修復(fù)技術(shù)和方案的選擇尤為重要，《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367—2013）[53]和《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51367—2019）[54]中給出了若干種較為常用的加固方法，例如，增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法等。與針對(duì)完好結(jié)構(gòu)的加固不同，修復(fù)面向的是受損結(jié)構(gòu)，其難度和工作量都更大。目前，有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)的研究主要集中在抗震、耐久性等非抗爆領(lǐng)域，常用修復(fù)方法包括纖維復(fù)合材料包裹修復(fù)[55-59]、鋼導(dǎo)架包裹[55,60-61]和鋼筋網(wǎng)水泥砂漿包裹[57,62]等。不過，爆炸損傷與地震損傷、腐蝕損傷在損傷原因及破壞模式上存在明顯不同：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最大問題是由混凝土碳化或氯離子侵蝕導(dǎo)致的材料劣化，特別是由鋼筋銹脹引發(fā)的自內(nèi)向外的混凝土開裂或剝落等，因而鋼筋除銹補(bǔ)強(qiáng)是其耐久性損傷的首要解決目標(biāo)；由地震災(zāi)害造成的建筑結(jié)構(gòu)損傷以剪切破壞為主，嚴(yán)重時(shí)還伴有整體破壞和地基液化的危險(xiǎn)，因而地震損傷的修復(fù)主要以恢復(fù)結(jié)構(gòu)抗剪承載能力為主，同時(shí),立足于建筑整體經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，協(xié)調(diào)平衡各部位的修復(fù)成本；相比于地震荷載，爆炸荷載具有持時(shí)短、幅值大和衰減快等特征，爆炸造成的結(jié)構(gòu)損傷基本以彎曲破壞或彎剪破壞為主，因而爆炸損傷的修復(fù)必須兼顧結(jié)構(gòu)抗剪和抗彎承載能力的修復(fù)。由于爆炸損傷與地震損傷、腐蝕損傷等具有差異，對(duì)于爆炸損傷結(jié)構(gòu)不能簡(jiǎn)單地采用現(xiàn)有的損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)方法，亟需開展爆炸災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷修復(fù)研究。目前，在抗爆領(lǐng)域，有關(guān)受災(zāi)建筑修復(fù)的研究十分少見，除少量有關(guān)碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP）修復(fù)加固的文獻(xiàn)之外，采用其他技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的研究仍未見報(bào)道。

纖維復(fù)合材料是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗爆研究領(lǐng)域中最為常用的加固材料，各國(guó)均出臺(tái)了特定的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，例如，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）、國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì)（FIB）以及日本土木工程學(xué)會(huì)（JSCE）均頒布了外貼FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[63-65]。作為纖維復(fù)合材料中最成熟的代表，碳纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大多數(shù)用在無損建筑物的加固或非爆炸損傷建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的修復(fù)上，以提高結(jié)構(gòu)的抗爆性能。例如，Morrill等[66]基于單自由度理論和抗力函數(shù)，提出了FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計(jì)方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)和室內(nèi)擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的有效性。Berger等[67]通過野外爆炸試驗(yàn)，對(duì)比了CFRP加固和鋼骨聚合物（Steel Reinforced Polymer,SRP）加固鋼筋混凝土柱的抗爆效果，結(jié)果表明，與SRP加固整體彎曲破壞不同，CFRP加固后的鋼筋混凝土柱趨于局部彎曲破壞。潘金龍等[68]、Cheng等[69]、Elsanadedy等[70]分別通過數(shù)值方法研究了CFRP布加固后提高鋼筋混凝土柱抗爆性能的可行性和設(shè)計(jì)方法。Yan等[71]和Hu等[72]則采用物理試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了不同CFRP包裹方式加固后鋼筋混凝土柱的抗爆性能。Li等[73]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練，提出了CFRP加固鋼筋混凝土柱在爆炸后殘余承載能力的評(píng)估公式。陳萬祥等[74]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，CFRP可以有效提高鋼筋混凝土梁的剛度，但加固梁的變形能力減小。郭樟根等[75]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，外貼FRP條帶加固能有效限制爆炸荷載下混凝土裂縫的發(fā)展。Shirinzadeh等[76]研究認(rèn)為，增加CFRP布層數(shù)有利于提高剪力墻的耗能能力，顯著降低剪力墻的爆炸損傷。陳力等[77-79]對(duì)CFRP加固砌體墻的抗爆性能展開了深入的研究，發(fā)現(xiàn)CFRP外貼加固砌體墻的破壞模式主要是彎曲破壞，與均布粘貼方法相比，集中粘貼CFRP抗爆性能更優(yōu)。此外，對(duì)CFRP加固鋼筋混凝土空心板、蒸壓加氣泡沫混凝土板和防護(hù)門等特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗爆性能也有不同程度的研究[80-82]。

在CFRP布修復(fù)裂縫結(jié)構(gòu)以提升其抗爆性能研究 方 面，Kong等[57]采用LS-DYNA研究 了CFRP布層數(shù)和大小對(duì)帶裂縫鋼筋混凝土板的加固效果，結(jié)果表明，2～3層700 mm×700 mm大小的CFRP布能有效減小板在爆炸荷載作用下的最大位移。曲艷東等[58]研究了CFRP布加固裂紋梁的抗爆效果并指出，當(dāng)CFRP布為4層且加固寬度為300 mm時(shí)，CFRP布可有效提高帶初始裂紋鋼筋混凝土梁的抗爆效果。Pereira等[59]采用CFRP修補(bǔ)開裂的鋼箱結(jié)構(gòu)以提高其抗爆性能，研究表明，CFRP貼片能有效減小裂紋周圍的應(yīng)力場(chǎng)，防止裂紋的擴(kuò)展，顯著提高帶裂紋鋼結(jié)構(gòu)的抗爆性能；CFRP貼片厚度（或?qū)訑?shù)）和方向?qū)堄嘧冃螣o明顯影響，而貼片寬度的最優(yōu)數(shù)值約為70 mm。

目前，針對(duì)受爆炸損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)及其性能提升的案例和研究仍舊很少。在爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷類型主要包括輕微裂縫或貫通裂縫、混凝土剝落、結(jié)構(gòu)殘余變形、鋼筋屈服或斷裂等。中國(guó)學(xué)者在這方面的研究多以某一爆炸事故為例，介紹爆炸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及檢測(cè)情況，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提出修復(fù)加固方法[83-84]。Hudson等[85]采用高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿和雙層三面CFRP布修復(fù)爆炸后的鋼筋混凝土梁，并通過靜載試驗(yàn)方法對(duì)比CFRP修復(fù)梁與無損梁、未修復(fù)損傷梁的承載能力，結(jié)果表明，CFRP布修復(fù)后的鋼筋混凝土梁雖然延性略微降低，但承載能力和剛度均有明顯提高。Chen等[86]通過二次爆炸試驗(yàn)研究了CFRP條帶粘貼和錨固兩種方法相結(jié)合修復(fù)爆炸受損后地下拱結(jié)構(gòu)的抗爆性能，證明了此加固方法可以有效增強(qiáng)爆炸損傷的地下拱結(jié)構(gòu)的抗爆性能，且不會(huì)發(fā)生CFRP條帶的剝落破壞，并給出了CFRP條加固比率最優(yōu)取值的計(jì)算公式。吳志昇[87]通過三分點(diǎn)加載靜力試驗(yàn)研究了CFRP布粘貼修復(fù)爆炸損傷后鋼筋混凝土板的承載性能，結(jié)果表明，修復(fù)后鋼筋混凝土板的承載能力可以恢復(fù)至與未損傷時(shí)相同。Lee等[88]采用物理試驗(yàn)的方法研究了鋼纖維補(bǔ)強(qiáng)膠結(jié)復(fù)合材（Steel Fiber Reinforced Cementitious Composite,SFRCC）修復(fù)爆炸損傷后鋼筋混凝土梁的抗彎承載力，結(jié)果表明，SFRCC不僅能有效恢復(fù)構(gòu)件的抗彎承載力，且其延性僅略小于無損構(gòu)件。

采用CFRP外貼修復(fù)受爆炸損傷后鋼筋混凝土構(gòu)件施工簡(jiǎn)便，現(xiàn)有研究中多采用此類加固方法。外貼CFRP材料不僅能為受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供必要的抗拉強(qiáng)度，還可以對(duì)包裹混凝土產(chǎn)生約束作用。CFRP包裹修復(fù)爆炸損傷后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件一般包括預(yù)處理、填充高強(qiáng)砂漿、涂抹環(huán)氧膩?zhàn)雍驼迟NCFRP布4個(gè)主要步驟。大量試驗(yàn)研究表明，在試驗(yàn)過程中，F(xiàn)RP加固的試件比較容易產(chǎn)生纖維帶的剝離破壞[89-90]，除了粘貼工藝要求外，一般也可采用可靠的錨固方式來解決纖維剝落問題[78]。同時(shí)，由于采用高強(qiáng)砂漿與CFRP布組合可能會(huì)使結(jié)構(gòu)延性降低，可考慮采用鋼纖維混凝土或超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）代替高強(qiáng)砂漿來解決[88,91]。盡管如此，在實(shí)際情況中仍舊存在一些難以解決的問題，比如，殘余變形難以恢復(fù)、缺乏鋼筋破壞及修復(fù)后的性能評(píng)價(jià)方法等。此外，除爆炸損傷外，環(huán)境因素引起的鋼筋銹蝕和材料老化等問題也會(huì)給建筑的修復(fù)帶來一定難度。建筑結(jié)構(gòu)爆炸災(zāi)后修復(fù)加固是一項(xiàng)綜合工程，僅僅依靠CFRP技術(shù)修復(fù)爆炸受損結(jié)構(gòu)的做法是不可取的。在現(xiàn)有修復(fù)加固技術(shù)的基礎(chǔ)上，大力發(fā)展新材料、新結(jié)構(gòu)型式和新的施工工法，將會(huì)是建筑結(jié)構(gòu)爆炸災(zāi)后修復(fù)與加固研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，學(xué)者們?cè)诮ㄖY(jié)構(gòu)抗爆研究領(lǐng)域已取得許多重要成果，建立了用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆炸損傷評(píng)估的超壓—沖量曲線和殘余承載力經(jīng)驗(yàn)公式，提出了建筑損傷等級(jí)及受災(zāi)區(qū)域劃分方法，并在CFRP加固修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但是，目前關(guān)于災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)定及修復(fù)的研究仍處于起步階段，距離實(shí)際工程應(yīng)用還有很大的差距，主要不足：

1）在災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷評(píng)估方面，目前缺乏有效的損傷評(píng)估判定準(zhǔn)則。一方面，基于超壓—沖量曲線的損傷評(píng)估方法有賴于災(zāi)后爆炸源反演和爆炸荷載計(jì)算的結(jié)果；另一方面，在爆炸荷載未知的情況下，如何通過現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)方法，結(jié)合受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能等參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度與破壞模式，是建立爆炸災(zāi)后構(gòu)件損傷評(píng)估方法亟須解決的關(guān)鍵問題。

2）現(xiàn)有研究大多針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或圍護(hù)構(gòu)件損傷評(píng)估開展，而有關(guān)爆炸中建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷與整體性能聯(lián)系的研究也基本都是基于預(yù)定爆炸場(chǎng)景或荷載的連續(xù)性倒塌分析。對(duì)于在爆炸中未發(fā)生連續(xù)倒塌的建筑結(jié)構(gòu)，缺乏有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部破壞與整體結(jié)構(gòu)安全之間關(guān)系的定量研究。

3）災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)和性能提升十分復(fù)雜，目前相關(guān)研究匱乏，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅在試驗(yàn)條件下對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫等損傷進(jìn)行簡(jiǎn)單修復(fù)，且主要為CFRP外貼修復(fù)加固，尚未涉及實(shí)際工程中可能遇到的更為復(fù)雜的情況，離工程應(yīng)用還有很大的差距。

因此，急需開展詳細(xì)的災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)綜合抗災(zāi)性能評(píng)估理論與方法研究，提出爆炸受損建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)及加固技術(shù)，為爆炸災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的拆除或修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)，具體包括以下幾個(gè)方面：

1）建筑結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)與安全性能評(píng)估。針對(duì)爆炸受損但未倒塌的建筑結(jié)構(gòu)，揭示建筑結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件破壞與整體結(jié)構(gòu)安全之間的關(guān)系，提出建筑結(jié)構(gòu)整體損傷破壞準(zhǔn)則及損傷程度評(píng)定方法，建立爆炸荷載作用后建筑結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估方法。

2）建筑結(jié)構(gòu)綜合抗災(zāi)性能評(píng)價(jià)。在構(gòu)件損傷評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展構(gòu)件損傷映射、數(shù)值模型修正和建筑結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)價(jià)體系研究，提出考慮爆炸引起初始損傷的受損構(gòu)件及結(jié)構(gòu)數(shù)值模型修正技術(shù)，建立爆炸災(zāi)后構(gòu)件及結(jié)構(gòu)抗震、抗爆及綜合抗災(zāi)性能的分析方法，提出構(gòu)件及結(jié)構(gòu)綜合抗災(zāi)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)綜合抗災(zāi)性能評(píng)價(jià)方法。

3）災(zāi)后受損結(jié)構(gòu)的修復(fù)與加固。從結(jié)構(gòu)構(gòu)件、圍護(hù)構(gòu)件和建筑整體3個(gè)層面出發(fā)，研究爆炸受損建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固技術(shù)措施、圍護(hù)構(gòu)件減、防爆技術(shù)措施及建筑整體防倒塌（地震倒塌和爆炸連續(xù)倒塌）技術(shù)措施等。