陳祖元，高振婷，梁海生，劉能科，陳　佳

(1. 國(guó)網(wǎng)上海電力設(shè)計(jì)有限公司，上?！?00080；2. 上海同瑞土木工程技術(shù)有限公司，上海　200092)

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變電站建筑抗爆安全性評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)建議

陳祖元1，高振婷1，梁海生1，劉能科2，陳佳2

(1. 國(guó)網(wǎng)上海電力設(shè)計(jì)有限公司，上海200080；2. 上海同瑞土木工程技術(shù)有限公司，上海200092)

對(duì)變電站房屋遭受內(nèi)部爆炸后進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，給出變電站房屋抗爆設(shè)計(jì)建議。首先，在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定可表征荷載特征和結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的“損傷標(biāo)識(shí)”；其次，建立災(zāi)害場(chǎng)景局部數(shù)值模型，采用試算法，當(dāng)實(shí)測(cè)和計(jì)算的“損傷標(biāo)識(shí)”相接近時(shí)，確定此局部爆炸荷載；然后，依據(jù)爆炸相似律得到房屋內(nèi)的爆炸荷載分布，并等效為靜力荷載；最后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，評(píng)價(jià)變電站建筑的安全性能，給出設(shè)計(jì)建議。

變電站；爆炸；損傷標(biāo)識(shí)；設(shè)計(jì)建議

一般認(rèn)為，變電站爆炸由高壓設(shè)備短路造成。短路發(fā)生時(shí)，高壓設(shè)備中的電弧瞬間釋放較大電火花及熱量，可能引燃設(shè)備中的冷卻油而發(fā)生爆炸。爆炸會(huì)損壞變電站建筑的主體結(jié)構(gòu)(如混凝土框架結(jié)構(gòu)的板、梁和柱)。在房屋重新使用或修復(fù)加固前，需要評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性。這一程序中最關(guān)鍵的一點(diǎn)，是確定爆炸荷載的大小與分布。

爆炸荷載的確定大致有三種方法：

(1) 基于爆炸源可釋放能量及能量釋放速率，預(yù)測(cè)自由場(chǎng)中沖擊波和正反射沖擊波導(dǎo)致的荷載。這種方法適用于爆炸源能量信息可大致確定，且波傳遞路徑較簡(jiǎn)單的情況；

(2) 采用流固耦合計(jì)算方法模擬復(fù)雜的爆炸場(chǎng)[1-4]，適用于爆炸源情況基本可以確定，但波傳遞路徑復(fù)雜的情況，比如有較多阻礙物形成多次反射和折射，或者有較多泄壓口的內(nèi)部爆炸；

(3) 由災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力反應(yīng)“反算”和估計(jì)荷載[5]。即在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，首先確定可表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的“損傷標(biāo)識(shí)”，然后建立災(zāi)害場(chǎng)景的數(shù)值模型，采用試算法，當(dāng)實(shí)測(cè)和計(jì)算的“損壞標(biāo)識(shí)”相接近時(shí)，認(rèn)為數(shù)值地重現(xiàn)了災(zāi)害場(chǎng)景并得到爆炸荷載。

對(duì)于變電站建筑內(nèi)的設(shè)備爆炸，爆炸源可釋放能量及能量釋放速率未知，考慮到流固耦合計(jì)算消耗大且耗時(shí)長(zhǎng)，本研究采用第三種方法確定爆炸荷載。

采用“損傷標(biāo)識(shí)”方法評(píng)估爆炸后結(jié)構(gòu)安全，目前少有報(bào)道。本研究首先對(duì)S市某變電站爆炸后結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估，然后給出此類結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)建議，最后給出爆炸后結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的一般方法。

1　結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

1.1爆炸荷載確定

某變電站建筑物占地面積960 m2，總建筑面積2 405 m2。為梁板式筏板基礎(chǔ)的現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，地上二層，半地下一層。建筑物長(zhǎng)42.45 m，寬22.60 m，建筑物總高12.4 m。±0.000 m以上樓板、梁、柱、樓梯均為C30混凝土?！?.000 m標(biāo)高以下填充墻采用240厚MU10燒結(jié)環(huán)保型淤泥磚，RM10商品砂漿砌筑。標(biāo)高±0.000 m以上墻體采用240厚MU7.5燒結(jié)環(huán)保型淤泥磚，除底層采用RM10商品砂漿砌筑，其余樓層均采用RM7.5混合砂漿砌筑。爆炸發(fā)生在1號(hào)主變室。假設(shè)爆炸發(fā)生在主變壓器的幾何中心位置(圖1)。

圖1　某變電站1號(hào)主變室爆炸場(chǎng)景

爆炸導(dǎo)致房屋外部的鋁合金窗戶和內(nèi)部隔墻嚴(yán)重?fù)p壞。綜合考慮，選取圖1中窗戶為“損傷標(biāo)識(shí)”，窗戶距離爆炸源平均約13.26 m。此鋁合金窗戶通過6個(gè)膨脹螺栓錨固在墻體中。爆炸時(shí)螺栓邊緣的鋁合金被拉斷而導(dǎo)致窗戶掉落或飛出，但錨固部位以外的窗戶部分基本完整。

采用LS-DYNA軟件[7]建立一個(gè)窗戶(平面尺寸1 200×600 mm)在動(dòng)力荷載下的有限元模型如圖3所示，可確定作用在窗戶上的爆炸荷載。窗戶采用六面體SOLID164顯式積分單元。由于窗戶基本完整，采用線彈性材料(MAT_ELASTIC)模擬，材料破壞準(zhǔn)則取較高值，使得材料在擬施加的動(dòng)力荷載下不會(huì)發(fā)生破壞。六個(gè)膨脹螺栓處的鋁合金失效采用非線性彈簧模擬，彈簧一段連接窗戶，另一段固結(jié)。綜合考慮此破壞形態(tài)和鋁合金材料性能，近似確定每個(gè)彈簧力—位移關(guān)系見圖2。彈簧的極限拉力為6kN，關(guān)鍵字“MAT_SPRING_ELASTIC”。此處的極限拉力已考慮材料動(dòng)力效應(yīng)的因素。爆炸是設(shè)備受熱膨脹和部分油燃燒引起，因而在空氣自由場(chǎng)中，與TNT炸藥相比，其超壓—時(shí)間曲線上超壓達(dá)到峰值的時(shí)間較長(zhǎng)。近似取窗戶受到的荷載—時(shí)間曲線見圖3。其中，荷載升壓時(shí)間10 ms，降壓時(shí)間90 ms，合計(jì)100 ms，峰值荷載通過試算確定。采用單點(diǎn)高斯積分，但可能引起零能模式或稱沙漏模態(tài)。采用沙漏粘性阻力的辦法來解決沙漏問題。單調(diào)增加圖3中的荷載峰值，不斷試算直至彈簧失效，得到此時(shí)荷載峰值4.5 kPa。

下一步是確定窗戶以外區(qū)域的動(dòng)力荷載，包括以下步驟：(1)由窗戶受到的動(dòng)力荷載峰值確定該處入射超壓峰值；(2)根據(jù)入射波超壓峰值預(yù)測(cè)表達(dá)式確定爆炸源等效TNT當(dāng)量；(3)基于爆炸相似律確定其他區(qū)域入射超壓峰值和動(dòng)力荷載峰值。在步驟(1)中假設(shè)反射系數(shù)取2，即動(dòng)力荷載峰值是空氣自由場(chǎng)入射波超壓峰值的兩倍。對(duì)于本例超壓相對(duì)較低以及入射角大多為60～90度的情況，近似取2是基本合理的。由此得到窗戶處入射超壓峰值2.25 kPa。在步驟(2)中采用Henrych提出的入射波超壓峰值ΔPs的預(yù)測(cè)表達(dá)式[6]：

(1)

式中Z——為比例距離(R為爆炸距離；W為TNT炸藥的當(dāng)量)。

當(dāng)R取13.26 m時(shí)，得到發(fā)生爆炸的TNT炸藥當(dāng)量為150 g。然后，基于爆炸學(xué)中廣為接受的爆炸相似律(表述為：兩個(gè)不同尺寸、相同成分、幾何相似的炸藥在相同大氣中爆炸時(shí)，在相同的比例距離上產(chǎn)生幅值相等的相似爆炸波)由式(1)得到其他區(qū)域入射波超壓峰值。仍然考慮反射系數(shù)取2，得到這些區(qū)域相應(yīng)的動(dòng)力荷載峰值。

圖2　爆炸荷載下窗戶有限元模型

圖3　模型中的爆炸荷載—時(shí)間曲線

窗戶時(shí)間—位移曲線如圖4所示。

圖4　窗戶時(shí)間—位移曲線

1.2等效靜力荷載分布

在目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與框架中，動(dòng)力荷載(風(fēng)、地震等)一般是轉(zhuǎn)化成等效靜力荷載，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。對(duì)于爆炸荷載，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，以及靜力和動(dòng)力荷載下內(nèi)力等效原則，可得到構(gòu)件的動(dòng)力系數(shù)。用動(dòng)力系數(shù)乘以爆炸荷載峰值得到等效靜荷載[6-7]。此處選擇“人防規(guī)范”中的方法，即

qe=KdPc

(2)

式中qe——作用在墻上的均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Kd——?jiǎng)恿ο禂?shù)；Pc——作用在墻上的動(dòng)荷載峰值。

其中Kd的取值按式(3)計(jì)算：

(3)

式中[β]——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性系數(shù)，在本例取1.25。

由此得到距離爆炸源不同距離處的等效靜力荷載見表1。

表1　距離爆炸源不同距離處等效靜力荷載表

1.3結(jié)構(gòu)分析與評(píng)估結(jié)果

采用等效靜荷載法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算時(shí)，宜將結(jié)構(gòu)體系拆成頂板、外墻、底板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別驗(yàn)算[8]。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隔墻Q1損壞明顯。該墻長(zhǎng)9.6 m高5 m，該墻與主體結(jié)構(gòu)采取柔性連接，故取四邊簡(jiǎn)支。施加等效靜力荷載時(shí)，將Q1沿長(zhǎng)度和高度方向分別劃分7個(gè)和5個(gè)單元，根據(jù)單元距離爆炸點(diǎn)的距離施加不同的等效靜力均布荷載，如圖6所示。砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.272 MPa[11]，不考慮材料動(dòng)力效應(yīng)。僅考慮自重，不考慮地震和風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果顯示，Q1墻體中間位置偏上和下部剪應(yīng)力最大，最大值為0.291 MPa，大于砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。其他部位應(yīng)力相對(duì)較小。墻體中部水平向位移最大值為12.1 mm。這和圖1中的墻體開裂情況基本相符。建議該墻拆除重砌。類似地，對(duì)混凝土頂板、柱和梁逐一進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果均滿足承載力要求。

圖5　墻Q1等效靜力荷載分布

2　評(píng)價(jià)一般流程

從上例可以看出，房屋遭受爆炸后的安全性評(píng)價(jià)一般流程如下：

(1)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

包括查明爆炸源地點(diǎn)、類型和原因；受爆結(jié)構(gòu)受損情況描述與記錄；擬房屋結(jié)構(gòu)的幾何、配筋、材料、荷載等信息。

(2)確定“損傷標(biāo)識(shí)”

該標(biāo)識(shí)的目的是估計(jì)局部爆炸荷載的大小，它應(yīng)可最大程度地表征爆炸荷載特征和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。常見的“損傷標(biāo)識(shí)”包括非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損特征或位移，如本例。此外，也可是結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同部位的破壞程度信息鏈，比如，通過比較不同距離處玻璃的破碎和非破碎情況，估計(jì)爆炸源信息。

(3)建立結(jié)構(gòu)局部數(shù)值模型

采用試算法，依據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算的“損傷標(biāo)識(shí)”相吻合的原則，確定“損傷標(biāo)識(shí)”部位的爆炸荷載信息。根據(jù)爆炸相似律，獲得房屋遭受爆炸荷載的分布信息。

(4)評(píng)估受爆結(jié)構(gòu)的安全性能

將爆炸動(dòng)力荷載轉(zhuǎn)化為等效靜力荷載。進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，根據(jù)結(jié)果評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性能。必要時(shí)綜合其他現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，給出評(píng)估結(jié)論。

3　設(shè)計(jì)建議

變電站房屋防爆設(shè)計(jì)可從建筑選址、房間布置、結(jié)構(gòu)選型、抗爆及泄壓措施等方面考慮。

變電站盡量避免建設(shè)在人員聚集、學(xué)校、繁忙道路等處。條件允許時(shí)，可以規(guī)劃為地下變電站，減少發(fā)生爆炸時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的危害。由于爆炸發(fā)生在主變室，故不宜將主變室布置在房屋臨街一側(cè)。此外，可考慮采用具有一定防爆功能的隔墻，將主變室與周圍房間隔開，減少爆炸擴(kuò)散范圍。條件允許時(shí)，主變室布置在變電站當(dāng)?shù)厝曛鲗?dǎo)風(fēng)向下方，以考慮防火。采用延性好，抗倒塌能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系，比如混凝土框架結(jié)構(gòu)。

抗爆及泄壓措施包括：

①主變室周圍墻體優(yōu)先采用網(wǎng)狀配筋砌體，或設(shè)置構(gòu)造柱和扶壁柱，以提高墻體承受爆炸荷載的能力；

②主變室周圍墻體與周圍梁柱應(yīng)有可靠牢固的拉結(jié)措施；

③在墻體上應(yīng)力比較大的區(qū)域設(shè)置泄壓口。同時(shí)，應(yīng)泄壓口的位置也要仔細(xì)考慮，使得無論泄壓至相鄰房間還是室外，應(yīng)確保沖擊超壓不會(huì)對(duì)設(shè)備和人群造成傷害；

④安裝防爆門窗或防爆窗網(wǎng)；

⑤爆炸源上方的樓板可適當(dāng)配置鋼筋，以抵抗作用方向向上的爆炸荷載作用。

4　結(jié)語

基于“損傷標(biāo)識(shí)”方法，以某變電站受爆為例，給出了變電站房屋發(fā)生爆炸后的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)一般性方法。方法的步驟包括災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、確定“損傷標(biāo)識(shí)”、建立結(jié)構(gòu)局部數(shù)值模型、以及評(píng)估受爆結(jié)構(gòu)的安全性能。此外，從建筑選址、房間布置、結(jié)構(gòu)選型、抗爆及泄壓措施等方面，還給出了變電站建筑防爆設(shè)計(jì)一般性建議。

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(本文編輯：趙艷粉)

Blast-Resistant Safety Evaluation and Design Suggestions of Substation Constructions

CHEN Zhu-yuan1, GAO Zhen-ting1, Liang Hai-sheng1, LIU Neng-ke2, CHEN Jia2

(1. Shanghai Electric Power Design Co., Ltd., Shanghai 200080, China；2. Shanghai Tongrui Civil Engineering Technology Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

This paper made safety evaluation after internal explosion of the substation buildings, and gave substation building antiknock design suggestions. First of all, on the basis of investigation at the scene of the disaster, it determined the load characteristics and damage identification of structural dynamic response. Second, the disaster scene local numerical model was set up, and when the measured and calculated damage identification were close, the test algorithm was used to determine the local explosion load. Then, on the basis of the explosion similarity law to get the house explosion load distribution, and obtain the equivalent static load. Finally, after the structural static analysis, the substation construction safety performance was evaluated and design suggestions were proposed.

substation; explosion; damage identification; design suggestions

10.11973/dlyny201604010

陳祖元(1963)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力工程設(shè)計(jì)工作。

TM63

A

2095-1256(2016)04-0448-04

2016-02-29