韓永利，陳龍珠

（1．上海原構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200232；2．上海交通大學(xué) 船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所，上海200240）

自從1968年Ronan公寓燃?xì)獗ㄒ疬B續(xù)性倒塌以來(lái)，該類事故逐漸引起了人們的注意［1－3］。相比于普通炸藥爆炸或核爆炸，發(fā)生于住宅內(nèi)部的燃?xì)獗ㄍ苄。ǔＶ挥?～50 k Pa的超壓，但其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、構(gòu)件受力方向改變，仍較易造成樓板、墻體等構(gòu)件的破壞，這是除燒傷之外造成人員嚴(yán)重傷亡的主要原因。

防爆研究造價(jià)較高且目前中國(guó)研究多是針對(duì)炸藥爆炸，關(guān)于住宅燃?xì)獗ǚ矫娴奈恼露酁殍b定部門所進(jìn)行的災(zāi)后調(diào)查和加固、修復(fù)意見(jiàn)，很少有針對(duì)性的深入研究，如有關(guān)燃?xì)獗ㄔ斐山ㄖ锲茐牡脑蚝蜋C(jī)理［4－5］。

結(jié)合發(fā)生于上海的2起燃爆事故（由上海市房屋質(zhì)量檢測(cè)站提供相關(guān)技術(shù)資料），從構(gòu)件抗力和爆炸超壓2個(gè)角度進(jìn)行分析，研究其帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失的原因和特點(diǎn)。

1 2起燃爆事故簡(jiǎn)介

1．1 案例1

2009年3月18日，上海市松江區(qū)谷陽(yáng)北路881弄104號(hào)102室發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?，造?死3傷。該住宅樓為6層磚混結(jié)構(gòu)，承重墻采用多孔磚砌筑，樓板為鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。

104號(hào)102室為爆炸中心，破壞最為嚴(yán)重。爆炸造成天井圍墻倒塌，見(jiàn)圖1；室內(nèi)裝修、電器等均損毀，墻面粉刷大面積剝落；客廳平頂東側(cè)樓板斷裂，鋼筋外露，斷裂處樓板上下錯(cuò)位約8 mm；其它墻體、過(guò)梁、樓板等多處開(kāi)裂。

104號(hào)其它房間以及相鄰的97—99號(hào)、103—105號(hào)房屋出現(xiàn)不同程度的裝修損壞，包括門框開(kāi)裂、瓷磚脫落、吊頂損壞、塑鋼門窗變形斷裂等，但主體結(jié)構(gòu)未受損壞。

處理意見(jiàn)為：對(duì)102室樓蓋結(jié)構(gòu)鑿除后重新澆筑，新老結(jié)構(gòu)連接處采用膨脹混凝土處理。其它輕微損傷按原樣進(jìn)行修繕處理。

圖1 案例1天井圍墻倒塌

1．2 案例2

2009年6月20日，上海市青浦區(qū)章浜新村10號(hào)404室發(fā)生煤氣爆炸事故，導(dǎo)致8人受傷。該住宅樓為磚混結(jié)構(gòu)，樓板為預(yù)制多孔板。

爆炸致使整幢居民樓的玻璃窗全部碎裂，10號(hào)4層局部承重墻體嚴(yán)重塌陷，404室西外墻、北外墻被炸成“鏤空”狀態(tài)，見(jiàn)圖2；504室預(yù)制板也因爆炸而塌陷，南側(cè)陽(yáng)臺(tái)也均有變形。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，10號(hào)房屋已經(jīng)部分拆除。剩余部分1—6層房屋除裝修損壞嚴(yán)重外，主體結(jié)構(gòu)存在一定的損壞現(xiàn)象，部分承重墻體及平頂開(kāi)裂。周圍多個(gè)單元房屋均存在一定程度的裝修損壞，包括玻璃破碎、門窗變形等，房屋主體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)有明顯損壞。

1）對(duì)拆除的10號(hào)104—604室按照原樣重建，抗震設(shè)防比原結(jié)構(gòu)適當(dāng)提高，樓屋面采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，在縱橫墻體交接處設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁。重建部分和保留結(jié)構(gòu)要有可靠連接。

圖2 案例2爆炸現(xiàn)場(chǎng)破壞情況

2）對(duì)10號(hào)103—603室及樓梯間保留，嚴(yán)重?fù)p壞部位可參照相關(guān)規(guī)程采用水泥砂漿面層和鋼筋網(wǎng)砂漿面層對(duì)墻體進(jìn)行加固。其它非結(jié)構(gòu)性損壞進(jìn)行對(duì)癥修復(fù)。

2 樓板抗力及爆炸超壓分析

案例1僅需對(duì)1塊樓板進(jìn)行加固，而案例2不僅發(fā)生爆炸的單元全部拆除重建，剩余部分的加固修復(fù)工作量也很大。結(jié)構(gòu)的破壞程度取決于構(gòu)件自身抵抗力和爆炸荷載的大小，故研究2起事故破壞后果相差較大的原因，首先必須解決這2個(gè)問(wèn)題。

2．1 樓板抗力的計(jì)算

案例1現(xiàn)澆板尺寸為3．6 m×5．0 m，由于資料有限，假定混凝土等級(jí)為C20，板厚90 mm，雙層雙向配筋均為Φ8＠200，層高2．6 m。

案例2預(yù)制板寬1．0 m，跨度3．2 m，簡(jiǎn)支邊界，雙層配筋，底部為 Φ8＠100，上部為 Φ8＠200；C20混凝土，板厚90 mm。

1）數(shù)值模擬

建立樓板分離式有限元模型，鋼筋和混凝土分別使用LS－DYNA提供的3號(hào)和111號(hào)材料模型，使用圖3所示具有燃?xì)獗ê奢d特征的簡(jiǎn)化曲線［6－8］，Pv、Pm表示泄爆超壓和峰值超壓，tv、tm為其對(duì)應(yīng)時(shí)間。盡管升壓時(shí)間可達(dá)數(shù)百ms，但大部分的超壓產(chǎn)生于最后幾十ms。計(jì)算時(shí)為減少計(jì)算量，可以只選取ABC段。對(duì)于普通住宅房間，升壓和降壓時(shí)間可取50 ms［6］。有限元模型如圖4、5所示，2樓板均是反向加載。

圖3 燃?xì)獗ê奢d曲線

圖4 預(yù)制板有限元模型

圖5 現(xiàn)澆板有限元模型

氣體爆炸所引起的材料應(yīng)變速率典型值為（50～500）×10－6s－1。使用文獻(xiàn)［9］引用的 CEB、Malvar修正、K＆C模型、Tedesco和Ross公式，以及 肖詩(shī)云［10］、Grote［11］等學(xué)者提供的多組計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算。綜合分析以后最終決定，對(duì)于C20混凝土材料，抗拉、抗壓DIF（動(dòng)力提高系數(shù)）分別取1．3和1．2；不考慮鋼筋強(qiáng)度的提高。

失效準(zhǔn)則的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響極大，其取值一直沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各學(xué)者給出的數(shù)值相差極大。如對(duì)于混凝土材料的失效主拉應(yīng)變，各文獻(xiàn)中使用的數(shù)值有0．002［12］、0．003 5［13］、0．01［14］、0．5［15］等。故擬根據(jù)中國(guó)多所高校的靜載試驗(yàn)建立幾十組樓板模型，反推出適用于燃?xì)獗ê奢d的材料失效準(zhǔn)則的取值。經(jīng)過(guò)修正以后決定，文中C20混凝土的失效主應(yīng)力取3．45 MPa，鋼筋失效主應(yīng)變?nèi)?．012。

以樓板混凝土大量開(kāi)裂或鋼筋拉斷作為樓板破壞判定標(biāo)志，計(jì)算出圖4、圖5中樓板抗爆能力分別為9．0～10．0 k Pa和25．0～28．0 k Pa。

實(shí)際建筑中構(gòu)件之間相互擠壓，這與該文建立的簡(jiǎn)支邊界有所區(qū)別，故圖4模型的結(jié)果應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高；借助軟件計(jì)算出約提高30%。由于是反向受力，兩樓板需加上4 kPa使用荷載。

經(jīng)修正，最終確定兩樓板的實(shí)際抗燃?xì)獗芰?9～32 k Pa（圖5）和15．7～17 k Pa（圖4）。

2）理論公式計(jì)算

根據(jù)塑性鉸線理論，由于現(xiàn)澆樓板雙層雙向配筋，各個(gè)方向配筋相同，各塑性鉸線單位寬度內(nèi)的極

式中，m表示沿短跨和長(zhǎng)跨方向塑性鉸線上單位寬度內(nèi)的極限彎矩；γ1、γ2為雙向板和單向板的雙筋截面單位寬度抗彎能力比單筋截面的提高系數(shù)，同樣借助有限元軟件計(jì)算出γ1＝1．2，γ2＝1．1；f y、As為受拉鋼筋強(qiáng)度和截面積；h0為計(jì)算高度，a′為保護(hù)層厚度；λ＝l y／l x，l y和l x分別為雙向板長(zhǎng)、短跨計(jì)算長(zhǎng)度，l為單向板計(jì)算長(zhǎng)度；q為板的極限承載能力。

由于薄膜效應(yīng)只在樓板變形相當(dāng)大時(shí)對(duì)其極限承載力的提高才有重要作用［16］。進(jìn)一步計(jì)算顯示，圖5模型達(dá)到極限承載能力之前中點(diǎn)撓度的最大值約為50 mm，該值要小于樓板厚度。因此，沒(méi)有考慮受拉薄膜效應(yīng)。文獻(xiàn)［17］在計(jì)算燃?xì)獗ㄏ码p向板抗爆能力時(shí)也未考慮大變形和邊界約束帶來(lái)的薄膜效應(yīng)。

使用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，結(jié)果約為16 kPa（圖5）和8 k Pa（圖4），該數(shù)值為靜載值，需修正以獲得燃爆荷載下的數(shù)值（提高約20%），式（3）還需考慮邊界修正，加上使用荷載后，分別為27 kPa和16．5 k Pa，與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。

2．2 爆炸超壓的估算

爆炸后可根據(jù)構(gòu)件的抗力和其破壞程度近似推求作用在其上面的超壓值，這也是目前災(zāi)后鑒定中常用的爆炸超壓估算方法。

通常認(rèn)為，小于30 k Pa的超壓人體是可以忍受的，達(dá)到66．2 k Pa可使50%成人鼓膜穿孔；達(dá)到100 k Pa時(shí)，鼓膜幾乎100%破裂［18］。預(yù)制板的承載能力只有十幾k Pa，現(xiàn)澆板可以達(dá)到幾十k Pa以上。結(jié)合相關(guān)資料、數(shù)值模擬結(jié)果以及媒體報(bào)道，整理出了燃?xì)獗▽?duì)建筑物及人員的損壞程度（除燒傷），匯總于表1。

1）根據(jù)表1，結(jié)合2起事故中主體結(jié)構(gòu)破壞情況，可以估算出2起事故的爆炸超壓分別為20～30 k Pa（現(xiàn)澆）和30～40 k Pa（預(yù)制）。

2）根據(jù)樓板抗力，案例1中現(xiàn)澆樓板并未被炸穿，實(shí)際超壓當(dāng)?shù)陀跇前宓目贡芰?；而案?中上部預(yù)制板已經(jīng)完全塌陷，其爆炸超壓當(dāng)比樓板抗爆能力高出許多。限彎矩應(yīng)該也是相同的，簡(jiǎn)化后的公式如式（1）和式（2）。式（3）為雙筋梁正截面受彎承載力計(jì)算公式，計(jì)算簡(jiǎn)支預(yù)制板承載力。

表1 燃?xì)獗ㄆ茐那闆r匯總

最終確定，2起爆炸事故的爆炸超壓分別為20～25 kPa（現(xiàn)澆）和30～35 kPa（預(yù)制）。可以看出，2起爆炸事故產(chǎn)生的超壓僅相差10 kPa左右，但產(chǎn)生的破壞后果卻相差較大。這是因?yàn)椋?起爆炸事故產(chǎn)生的超壓范圍為20～35 kPa，該值恰好介于普通單向預(yù)制板和現(xiàn)澆雙向板的抗爆能力值之間，故前者破壞嚴(yán)重，而后者卻可以承受住爆炸荷載。

3 房屋損壞特點(diǎn)分析

燃?xì)獗〞r(shí)室內(nèi)空氣的壓力瞬間急劇上升，并對(duì)周圍物體產(chǎn)生破壞作用。其發(fā)展過(guò)程及破壞機(jī)理見(jiàn)圖6所示。

圖6 燃?xì)獗óa(chǎn)生破壞機(jī)理

影響室內(nèi)燃?xì)獗ǔ瑝旱囊蛩赜泻芏啵?］，如混合氣體濃度越接近最優(yōu)配合比、泄爆壓力越大、泄壓面積越小、氣體燃燒速率越大，則超壓越大。另外，點(diǎn)火源位置、房間形狀、內(nèi)部障礙物等也都會(huì)對(duì)爆炸超壓產(chǎn)生影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)生的大量燃爆事故實(shí)例，可以得出以下具有普遍性的結(jié)論：

1）通常情況下，燃?xì)獗ǔ瑝狠^低，僅有十幾k Pa或者更低，故多數(shù)燃?xì)獗▋H造成了門窗、裝飾的破壞，主體結(jié)構(gòu)并未破壞。

2）當(dāng)遇到不利情況時(shí)，爆炸超壓可以達(dá)到幾十k Pa，局部超壓甚至更高。該數(shù)值要高于普通單向預(yù)制板以及填充墻體的抗爆能力，因此往往會(huì)造成部分預(yù)制樓板和墻體的破壞。例如本文中案例1中圍護(hù)墻體倒塌；案例2中預(yù)制樓板及部分墻體倒塌。

3）發(fā)生爆炸的空間直接受到壓力沖擊，故其破壞最為嚴(yán)重，而其它相鄰房間的損壞則是由于受到強(qiáng)烈震動(dòng)所引起的。因此，相比于固體炸藥爆炸，氣體爆炸同樣具有以下的特點(diǎn)：在一定范圍內(nèi)具有破壞力，距離爆裂點(diǎn)越遠(yuǎn)，影響越小。這一點(diǎn)也可以由一些爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)可以看出，房屋損壞越嚴(yán)重（爆炸越強(qiáng)烈）的爆炸事故，其周圍受損房屋范圍就越大。

4 結(jié)論

結(jié)合發(fā)生于上海的2起燃?xì)獗ㄊ鹿?，?duì)鋼筋混凝土樓板的抗爆能力以及爆炸超壓進(jìn)行了估算和分析，并分析了燃?xì)獗▽?duì)房屋帶來(lái)?yè)p壞的特點(diǎn)。使用的分析方法和得出的結(jié)論可為住宅燃?xì)獗ǖ臑?zāi)后鑒定和防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

進(jìn)一步計(jì)算表明，影響樓板抗爆能力因素較多。其中，邊界影響效果最為顯著，其次為厚度，混凝土強(qiáng)度和配筋率的影響相對(duì)較小。

選取的2個(gè)案例涉及到預(yù)制板和現(xiàn)澆板，均為多層磚混結(jié)構(gòu)，這也是在燃?xì)獗ㄏ螺^易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的結(jié)構(gòu)形式，案例具有普遍性和代表性。

今后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，以更好的研究其破壞機(jī)理，驗(yàn)證分析結(jié)果，并找到可行的防護(hù)措施。

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