1、建筑工程防灾与减灾 第4章 建筑防爆与抗爆,蒋秀根 中国农业大学 水利与土木工程学院 土木工程系,第4章 建筑防爆与抗爆,4.1 爆炸灾害与对策 4.2 燃爆及其对策 4.3 武器爆炸与建筑防护,4.1 爆炸灾害与对策,一、爆炸成因与分类 1. 爆炸能量突然释放并产生空气压力波向周围传播的现象 2. 爆炸的分类,一、爆炸成因与分类,3爆炸特性 （1）凝聚相与分散相（2）爆轰与爆燃,二、爆炸灾害机理,1. 压力波或冲击波 2. 高温或火灾 3. 化学污染 4. 光污染 5. 辐射污染,三、爆炸压力波,1. 压力空间分布 （1）波阵面 （2）压缩区 （3）稀疏区,三、爆炸压力波,2压力时间分布 主
2、要参数： （1）压力峰值 （2）升压时间 （3）超压时间 （4）负压时间 （5）恢复正常,三、爆炸压力波,3压力波和冲击波,四、建筑防爆对策,1防爆 （1）防止爆炸物质的产生 （2）防止爆炸环境的产生 2卸压 3抗爆 4隔爆 （1）空间隔爆 （2）结构隔爆,4.2 燃爆及其对策,一、燃爆及其机理 1燃爆 可燃烧气体（如乙炔、燃气等） 或可燃烧液体（如酒精、汽油等）挥发的气体 或可燃烧粉尘（如纤维粉尘）遇明火燃烧瞬间爆炸释放大量能量产生压力波的现象。,一、燃爆及其机理,2燃爆机理 （1）燃爆的必要物质是可燃气体（包括燃气、可燃挥发气、可燃粉尘）和氧气； （2）燃爆本质上是瞬间燃烧（氧化）、快速传
3、播和曼延的过程； （3）瞬间、快速的燃烧导致气体温度升高、体积膨胀，燃烧的曼延，导致气体被压缩和发生扩散，当体积膨胀受到阻碍时，产生超压波面； （4）超压波面遇到阻碍发生反射时，空气压力波的叠加产生压力波的高频振荡现象。,一、燃爆及其机理,3燃爆特点 （1）频率高，偶然性大； （2）与火灾常形成相互诱发、相互伴生的灾害关系； （3）燃爆由于其传播、蔓延、扩散较快，且为瞬间发生，燃爆灾害较火灾严重； （4）燃爆灾害大多具备人为特征，预防灾害的发生相对较为容易； （5）燃爆灾害对建筑物的影响是局部的，设计得当，可以最大程度减小对建筑物的影响； （6）燃爆的发生有其必然条件，即氧气的存在、燃气浓度、
4、环境温度，缺一不可； （7）燃爆过程相对核爆和化学爆炸时间较长、传播较慢，因而爆炸产生的空气压力可简化为静态的超压力波； （8）燃爆最大压力取决于燃烧空间的泻压能力。,二、燃爆危险性分析,（一）燃气 1可燃气体种类 （1）氢气 （2）一氧化碳 （3）碳氢化合物 烷类 醇类 烯类 苯类,二、燃爆危险性分析 （一）燃气,2气体的爆炸极限 （1）气体的燃烧条件 氧气的参与 气体的浓度 温度 （2）气体的爆炸极限 气体燃烧传播速度较快，形成爆燃。 其中可燃气体与氧气的相对含量（浓度）决定了燃烧 速度以及是否发生爆炸。 浓度过低，燃烧不会发生；浓度过高，气体氧化不能充分，燃烧不会发生；当浓度在最佳范围时
5、，燃烧传播速度最快，形成爆炸。,2气体的爆炸极限,爆炸下限：可燃蒸气、气体或粉尘与空气组成的混合物遇火源即能发生爆炸的最低浓度（可燃蒸气、气体的浓度，按体积比计算）。 爆炸上限：可燃蒸气、气体或粉尘与空气组成的混合物遇火源能发生爆炸的最高浓度（可燃蒸气、气体的浓度，按体积比计算）。 爆炸极限：可燃蒸气、气体或粉尘与空气组成 的混合物遇火源能燃烧并发生爆炸的浓度范围 （可燃蒸气、气体的浓度，按体积比计算）。,燃气的爆炸极限,燃气成分爆炸极限（%）,2气体的爆炸极限,（3）民用燃气的爆炸 燃气的成分民用燃气的分类及成分,民用燃气爆炸极限,燃气的爆炸极限常用民用燃气的爆炸极限（体积比%）,二、燃爆危
6、险性分析 （一）燃气,3可燃气体爆炸危害性分类可燃气体爆炸危险性分类,二、燃爆危险性分析 （二）可燃液体,1可燃液体的闪点液体挥发的蒸气与空气形成混合物遇火源能够闪燃的最低温度。 2可燃液体的危险性分类可燃液体的分类,二、燃爆危险性分析 （三）可爆燃固体,可燃固体的分类,二、燃爆危险性分析 （四）可燃粉尘,1可燃粉尘 可燃烧的蒸气、颗粒、粉尘等可燃烧粉尘,二、燃爆危险性分析 （四）可燃粉尘,2粉尘爆炸条件条件：粉尘浓度、助燃氧气、火源粮食粉尘爆炸特性,三、燃气爆炸压力,1. 燃气爆炸压力时间曲线 几个概念： （1）静压 （2）最大压力 （3）超压 （4）泄爆压力,三、燃气爆炸压力,2. 爆炸压
7、力特点 （1）动压力，有正超压和负压。 （2）在墙壁和楼板处发射、振荡，出现多次压力峰值，压力峰值逐渐减小。 （3）升压时间和泄压时间均较长，计算时可以忽律冲击波作用，将最大超压力以静压考虑，忽律动压作用。,三、燃气爆炸压力,3. 最大压力影响因素 （1）燃爆气体类型及其浓度 （2）爆炸空间体积 （3）爆炸空间围护结构刚度 （4）房间薄弱点及其泄爆压力,三、燃气爆炸压力 3. 最大压力,当以窗为泄压部件时，可按弹性薄板理论计算玻璃的最大近似弯距：， ， ，得到玻璃破坏时的压力为：当以屋盖为泄压部件时，可按屋盖的自重作为泄压压力,三、燃气爆炸压力,4. 爆炸最大压力 （1）Rasbash模型符号
8、含义：最大爆炸压力（kPa）；泄压时的压力（kPa）；泄压比房间内最小正截面面积；泄压总面积。,三、燃气爆炸压力 4. 爆炸最大压力,应用条件：； 房间的最大、最小尺寸比不大于3； 泄压构件面密度24kg/m2； 。,三、燃气爆炸压力 4. 爆炸最大压力,（2）Dragosavic模型（适用于小体积空间的计算）泄压系数：,三、燃气爆炸压力 4. 爆炸最大压力,（3）Simmonds-Cubbage模型燃气的燃烧速度（m/sec），正常燃烧时， 等于正常燃烧速度；出现不稳定燃烧时， 取正常燃烧速度的2倍。燃气爆炸空间的体积（m3）泄压面积系数泄压时的压力（kPa）,四、燃爆对策,1事故控制 （1
9、）环节控制储存、生产、运输、使用 （2）要素控制浓度、温度、火源、震动,2建筑防爆 （1）规划 （2）平面布置隔爆 （3）泄压构件 3结构抗爆 （1）结构抗爆 （2）防止连续倒塌,五、建筑防爆设计,1建筑防爆措施 （1）拉开距离 （2）隔断 （3）泄爆 2防爆分区同防火间距 3泄压门窗、轻质墙体、轻质屋盖规范要求：有爆炸危险的甲、乙类厂房 （1）轻质墙体和轻质屋盖的自重不超过120kg/m2 （2）泄压面积与厂房体积的比值宜采用0.050.22m2/m3，不宜小于0.03 m2/m3。 4防爆隔断防爆墙、防爆窗、防爆门防爆结构的设计按照最大爆炸超压验算设计。,六、结构抗爆设计,1. 抗爆设计原
10、理 （1）事故控制避免爆炸发生 （2）直接设计 替代路径设计 允许局部破坏，避免连续倒塌 爆炸作用验算 不允许局部破坏 （3）间接设计结构整体性（牢固性）设计,六、结构抗爆设计,2. 结构整体性设计方法 （1）设计原则 结构选型 选择抗爆性能良好的结构型式结构材料、结构延性、节点整体性能 选择有较好抗竖向冲击荷载的结构型式结构体系（少采用装配、混合结构）、构件受力特性（避免采用无梁楼盖） 结构布置 墙体：避免孤墙，避免薄弱墙体 楼盖：采用整体性好的楼盖，加强楼盖的拉接 节点：加强节点整体性和延性,六、结构抗爆设计 2. 结构整体性设计方法,设计校核 改变构件边界条件的验算和设计 楼板支承边的减
11、少； 楼板由简支板变为悬臂板； 楼板由中间连续板变为大跨的简支板 改变构件荷载条件的验算和设计 楼板由于支承的破坏承受上层墙体或柱的荷载 楼板的抗冲切验算,六、结构抗爆设计 2. 结构整体性设计方法,（2） 砌体结构整体性设计构造 墙体的布置 均匀、连续、上下贯通 承重墙体交接处咬槎砌筑，构造柱拉筋连接 墙板圈梁拉筋连接 防止水平连续倒塌的构造 圈梁连接 楼盖结构布置纵向现浇带和横向现浇带 纵向设止推结构。 防止垂直连续倒塌的构造 墙体上部增加抗拉能力 设构造柱，防止墙体全部坍塌。,4.3 武器爆炸与建筑防护,一、核爆与防护 1. 武器及其效应 2. 建筑防护原则 （1）基本原则 全面规划，突
12、出重点，平战结合，质量第一 长期坚持，平战结合，全面规划，重点建设 居安思危，常备不懈,一、核爆与防护,2. 建筑防护原则 （2）一般要求 应能防御预定的核爆炸产生的地面冲击波以及与其相适应的热辐射、早期核辐射、放射性沾染、核电磁脉冲； 能防御预定的化学武器、生物武器和常规武器的杀伤、破坏作用； 应能防御地面建筑物倒塌和城市火灾等次生灾害的杀伤、破坏作用。 对于核武器只考虑一次作用。 对于常规武器的防御，主要从提高生存概率方面考虑，不考虑抵御炸弹直接命中的破坏作用。,一、核爆与防护,2. 建筑防护原则 （2）一般要求 防化地下室的防化功能，由其战时功能确定。 坚持人防建筑对开发城市地下空间利用
13、、促进城市建设和经济发展、增强城市综合防护能力等方面的综合功能。 人防工程建设必须“贯彻与经济建设协调发展、与城市建设相结合的原则” 人防工程应保证“战备效益、社会效应、经济效应”共同实现，必须坚持“平战结合”的方针，统筹考虑建筑设计、结构选型、通风防潮、采光照明和给水排水的战时、平时需要。,一、核爆与防护 3. 建筑防护对策,防空地下室工程防护措施,一、核爆与防护,4. 防空建筑物分类 5人防建筑分级 （1）分级依据人民防空工程战术技术要求（绝密） （2）主要技术参数 抗力分级 防化分级,一、核爆与防护,5人防建筑分级 （2）抗力分级 反映人防建筑物抵御核袭击能力的强弱 确定方法：与建筑物类
14、型有关但没有直接关系与人防建筑的使用功能有联系，但没有一一对应的关系 人民防空地下室抗力等级：4级，4B级，5级，6级 （3）防化分级 反映人防建筑对化学武器、生物武器和核武器放射性沾染的防护标准和要求 确定方法由人防建筑的使用功能确定，与抗力等级没有直接关系。 人民防空地下室防化等级：乙级，丙级，丁级 （4）设计参数由人民防空工程战术技术要求提供,二、防护建筑设计,1. 防护分区 （1）防护分区及其目的 防护分区：将人防建筑划分为若干独立的区域，独自具备抵御炸弹伤害的能力。 分区目的：缩小炸弹破坏范围，提高生存概率。 （2）防护单元与防爆单元 防护单元：在防空地下室中，其防护设施和内部设备均
15、能自成体系的使用空间。 防爆单元：在防空地下室中，为减少人员伤亡人数，用抗爆隔墙（阻挡炸弹气浪和碎片，可在临战时砌筑）或抗爆挡墙（设置在抗爆隔墙洞口一侧）分隔的使用空间。,二、防护建筑设计 1. 防护分区,（3）防护分区要求防护单元和防爆单元的掩蔽面积（m2）,二、防护建筑设计,2. 口部设计 （1）分类,二、防护建筑设计 2. 口部设计,（2）数量人防建筑出入口数量,二、防护建筑设计 2. 口部设计,（3）做法 室外出入口宜布置在上部建筑物倒塌范围以外，且口部上方建筑宜采用单层轻型建筑；当条件所限，室外出入口位于上部建筑倒塌范围以内时，室外出入口口部建筑应采用防倒塌棚架，以避免口部堵塞。地面
16、建筑物倒塌范围室内出入口宜与上部建筑的楼梯间结合布置，以满足平战结合的需要。 建筑的电梯口应设置在防护单元的密闭门之外。,二、防护建筑设计 2. 口部设计,（4）尺寸 战时出入口最小尺寸,战时出入口最小尺寸（m）,二、防护建筑设计 2. 口部设计,（4）尺寸 掩蔽入口（袭击报警后、袭击前人员入口）宽度 百人指标：0.375m/100人 每门指标：最大通过500人 总入口最小宽度：0.375*N/100 (m) 掩蔽入口梯段 每个梯段不少于3级，不应超过18级。 踏步高度不宜大于180mm，踏步宽度不宜小于250mm，不应采用扇形踏步。 楼梯至少一侧设置扶手；楼梯净宽达2m时应在两侧设扶手；宽度
17、大于2.5m， 应加中间扶手。,二、防护建筑设计 3. 通风排风设计,（1）应尽量单独设立室外通风口 （2）设消洗间、简易消洗间的防空地下室要利用超压通风换气，排风口最好设在室外出入口附近，且与竖井相连 （3）通风口应设置防爆波活门和扩散室保证战时空气流动的单向性要求。,二、防护建筑设计 4. 消毒滤毒设计,（1）防毒分区将防空地下室分隔为有集体防护功能（包括抵御冲击波、防御射线，及防毒要求）的清洁区和允许染毒但能抵御预定核爆动载的染毒区（供专业防护队员通行） （2）消洗间及其布置 消洗间：供战时染毒人员通过，并清除全身有害物的通道和房间。 消洗间组成：染毒通道、脱衣室、淋浴室、检查穿衣间 设
18、置位置：室外出入口 （3）各房间独立设置向外开启密闭门 （4）通风换气超压排风换气,三、结构防护设计,（一）冲击波与压缩波 （二）波的反射 （三）波的衰减 （四）结构的动力效应 （五）结构荷载 （六）结构设计,（一）冲击波与压缩波,1. 空气冲击波 （1）地面空气冲击波简化为无升压时间三角形荷载 （2）最大超压 由人民防空工程战术技术要求按抗力等级给定,（一）冲击波与压缩波,2. 土中压缩波 （1）波形 有升压时间的三角形，简化为有升压时间的平台荷载 （2）升压时间常见土的弹性波速 和塑性波速,（一）冲击波与压缩波 2. 土中压缩波,（3）峰值压力理论值：简化值：,（二）波的反射,1空气冲击波
19、的反射 （1）正反射与斜反射 正反射系数：,（二）波的反射 1空气冲击波的反射,（1）正反射与斜反射 斜入射反射系数：斜入设时，反射系数与波的传播方向与反射面法线的夹角有关：角度小于400500（与入设波压有关），斜反射系数与正反射系数大致相近；角度大于400500（与入设波压有关），斜反射系数急剧下降；角度等于900时，斜反射系数为0。（见陈肇元：地下防护结构，p.9图23）,（二）波的反射 1空气冲击波的反射,（2）口部反射与口部超压口部超压 受地面反射作用而增加，但由于一般将空气冲击波按水平方向传播（人防工程按远离爆心设计），故入设角为900，反射系数为1。（3）防护门反射与门上超压口内
20、冲击波 遇到防护门，出现正反射，防护门受到的超压 为：,（二）波的反射 2. 土中压缩波在结构外壁的反射与顶板压力,2. 土中压缩波在结构外壁的反射与顶板压力 （1）影响因素 土中压缩波遇到结构顶板时遇到反射，反射系数与土的波速、弹塑性、顶板刚度、顶板尺寸、结构高度等因素有关，一般采用简化方法，用综合反射系数计算。 （2）土中压缩波综合反射系数 饱和土：非饱和土：三折线简化计算法 （3）顶板压力,（三）波的衰减,1. 空旷空间中空气冲击波的衰减 （1）衰减原因 空气扩散膨胀，地面摩擦 （2）衰减规律，单调函数,（三）波的衰减 2. 口内空气冲击波的衰减与口内超压,（1）衰减原因 空气扩散膨胀
21、通道墙壁摩擦 （2）衰减规律 与冲击波传播方向和出入口轴线夹角有关，角度越小，衰减越慢，角度越大，衰减越快。 与口部超压值有关，口部压力越小，衰减越慢，口部压力越大，衰减越快。,口内斜入射冲击波衰减系数,（三）波的衰减 2. 口内空气冲击波的衰减与口内超压,（2）衰减规律 与通道长度有关，长度越长，衰减越大。 与通道截面尺寸的变化有关，截面变小，导致压力加大，截面变大，压力减小。 与通道走向有关，转弯可导致压力降低。 （3）口内超压 计算,（三）波的衰减 3土中压缩波的衰减与土中压力,（1）衰减原因阻尼 （2）土中压力衰减系数：土中压缩波衰减系数近似值,（四）结构的动力效应,1. 结构的动力效
22、应 （1）结构动力反应与分析方法 结构爆炸荷载：爆炸荷载均为瞬间荷载，或冲击荷载。空气冲击波常简化为无升压三角形荷载，土压力波常简化为有升压平台荷载。 结构动力反应：结构在冲击荷载下产生振动，结构产生的最大内力和变形大于峰值压力静载下的内力和变形。,（四）结构的动力效应 1. 结构的动力效应,动力分析方法： 平衡法： ，求解 ，得到最大变形和最大内力能量法：任意时刻外荷载功结构变形能结构动能， ，求得结构的最大位移和内力,（四）结构的动力效应 1. 结构的动力效应,（2）弹性动力反应与塑性动力反应,弹性动力反应与塑性动力反应,突加平台荷载下的结构反应最大弹性内力 最大弹性位移 最大塑性内力 最
23、大塑性位移,突加平台荷载下的结构反应,突加平台荷载下的结构反应,突加平台荷载下的结构反应,几点结论： 结构的动力内力和位移大于静载内力和位移。 塑性内力与延性比有关，随着延性比的增大，结构的内力下降。 当延性比大于3后，结构内力下降不多。 允许延性比越大，结构位移近似比例增加。,（四）结构的动力效应 1. 结构的动力效应,（3）典型冲击荷载下的结构动力反应 突加平台荷载下的结构反应突加平台荷载模型弹性振动位移：弹塑性反应荷载系数：,（3）典型冲击荷载下的结构动力反应,突加三角形荷载下的结构反应弹性位移：,（3）典型冲击荷载下的结构动力反应,有升压时间平台荷载下的结构反应,弹性位移：弹塑性反应荷
24、载系数：,（四）结构的动力效应 2. 动力系数与荷载系数,结构动力反应的动力系数与荷载系数,（四）结构的动力效应,3. 结构的等效静载对于抗爆结构，一般均采用弹塑性方法设计，因 此，以内力相等的原则，得到结构的等效静载为：,（五）结构荷载,人防工程荷载工作流程（机理）,（五）结构荷载,（五）结构荷载,1.一般方法土中结构动力荷载计算方法,（五）结构荷载,2.防护门设计荷载空气冲击波可按突加平台荷载形式考虑 考虑波的传播方向与坡道入口方向平行，可取 或按给定值计算。 空气冲击波在通道中的衰减衰减系数 与口部超压有关，可查图计算 通道内空气冲击波在门上的反射系数为： 防护门的荷载系数为：,（五）结
25、构荷载,3.顶板设计荷载土的压缩波按有升压时间平台荷载考虑 地面冲击波峰值压力 由抗力等级给定 衰减系数和综合反射系数由近似公式或规范给定 荷载系数按压缩波升压时间、顶板的自振周期及允许延性比计算确定,（五）结构荷载,4.侧墙设计荷载侧压系数的确定按半无限空间无无侧向应变（有侧限）、按自由场侧压原理计算确定，侧压系数与材料泊松比有关。 应变分析：侧向应力：峰值侧压：侧压系数,（五）结构荷载 4.侧墙设计荷载,（五）结构荷载 4.侧墙设计荷载,土力学教材侧压系数建议值,（五）结构荷载 4.侧墙设计荷载,防护设计教材侧压系数建议值计算土中压缩波峰值压力、升压时间、荷载系数时，按有升压平台荷载，取侧
26、墙平均深度计算。 侧墙的实际压力还与顶板的横向变形（平推）在侧墙顶部形成被动土压力（提高）、侧墙的内向弹性位移形成的主动土压力（降低）等因素有关。自由场理论结构偏于保守。,（五）结构荷载,5.底板设计荷载计算底板荷载时，土的压缩波按有升压时间平台荷载考虑，按板底埋深计算升压时间。 底压系数 与结构刚度和土的压缩性有关，一般可取近似值地下室底板底压底压系数,（六）结构设计,1荷载系数的计算结构抗爆设计时，通常用荷载系数将动力荷载峰值简化计算为等效静载 ，荷载系数除与荷载类型及升压时间有关外，还与结构自振周期、结构允许延性比有关。 （1）结构自振周期 理论计算值： ，求行列式的特征值 理论简化计算
27、公式： 单跨或多跨等跨梁（单向板）：,（1）结构自振周期,单跨及等跨梁的自振频率系数双向薄板： ，,（1）结构自振周期,矩形薄板自振频率系数,（1）结构自振周期,结构刚度的修正修正原因：结构在塑性状态下的开裂导致刚度降低；高应力 下材料的非线性导致变形模量下降： 修正计算公式： ，构件刚度折减系数 （陈肇元）构件刚度折减系数 （人防规范）,（1）结构自振周期,地下结构自振频率的修正修正原因：覆土（质量和刚度）参与结构振动，导致结构自振频率发生变化，当埋深较小时，覆土刚度很小，质量参与结构一起振动，结构自振频率降低；当埋深继续增加时，土的密度、刚度和阻尼加大，结构自振频率增加。,（1）结构自振周
28、期,地下结构自振频率计算公式：覆土影响系数,（六）结构设计 1荷载系数的计算,（2）结构允许延性比 允许结构进入弹塑性状态可以降低结构的最大内力和等效静载，但前提是保证结构足够的延性比，延性越大，等效静载越小，但大于3后降低幅度减小。 结构的延性比越大，结构出现裂缝的宽度和残余变形越大。 结构的允许延性比与构件的结构性能及使用功能（密闭性要求）有关。,（2）结构允许延性比,有关结构允许延性比规定：抗爆结构的允许延性比 （陈肇元）抗爆结构的允许延性比 （人防规范）,（六）结构设计 2内力计算,（1）防护结构的内力计算方法分为：直接动力分析法，等效静载作用下的静力分析法。由于直接动力法过于复杂，一般可采用静力分析法。 （2）大多数防护结构均为超静定结构，结构材料的的动载弹性模量比静载下弹性模量大。材料在动载下的弹性模量提高系数为：结构材料的弹性模量提高系数（3）结构在等效静载下的内力计算分为：弹性分析法，弹塑性分析法（塑性调幅法）。对于砌体结构，只能采用弹性分析方法计算内力。 （4）结构在等效静载下的内力计算可以采取对整体结构进行分析，但由于等效静载的计算大多针对单个构件（计算荷载系数时需计算构件的自振频率），因此结构的内力分析时，可将结构拆成若干个独立的构件计算。,（六）结构设计 3承载力设计,结构材料动载强度提高系数,（六）结构设计,4延性设计 混凝土受弯截面： ，,
