王 子 琪

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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基于性能的建筑構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)流程研究

王 子 琪

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

將基于性能的設(shè)計(jì)方法引入建筑構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)中，從確定爆炸荷載、性能等級、參數(shù)選擇范圍、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面，介紹了基于P—I曲線圖法的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)步驟，并根據(jù)“投資—效益”準(zhǔn)則，提出了抗爆構(gòu)件的費(fèi)用優(yōu)化模型。

建筑構(gòu)件，抗爆設(shè)計(jì)，爆炸荷載，性能等級

基于性能的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)業(yè)主要求與建筑的具體情況完成其性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)，對于基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)外許多學(xué)者在抗震和抗爆設(shè)計(jì)方面做了大量研究。Cornell CA與Krawinkler H[1]將災(zāi)害強(qiáng)度指標(biāo)(IM)、工程需求參數(shù)(EDP)、損傷指標(biāo)(DM)和決策變量(DV)等參數(shù)通過整體概念表達(dá)式整合到一起，將性能評估過程有機(jī)地聯(lián)系起來。Whittaker等[2]將樣品強(qiáng)度評估、工程需求參數(shù)和性能等級應(yīng)用到抗爆設(shè)計(jì)，并比較了性能設(shè)計(jì)方法在抗爆和抗震設(shè)計(jì)中的異同。Mohamed Ali與Louca[3]在總結(jié)了各國設(shè)計(jì)規(guī)范之后，提出了一般設(shè)計(jì)步驟，如圖1所示。國內(nèi)于潤清等[4]提出了建筑結(jié)構(gòu)的基于性能設(shè)計(jì)主要有3個(gè)步驟:1)根據(jù)業(yè)主或使用者提出的要求確定性能目標(biāo)；2)根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能目標(biāo)的驗(yàn)證。唐玉等提出了基于“投資—效益”準(zhǔn)則的性能目標(biāo)優(yōu)化決策模型計(jì)算結(jié)構(gòu)全壽命總費(fèi)用。

綜上所述，基于性能的結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的研究剛剛起步，基于性能的構(gòu)建抗爆設(shè)計(jì)也遠(yuǎn)未成熟，還有許多系統(tǒng)性的研究需要進(jìn)行。

1 基于性能的構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)基本流程

作為結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的一部分，構(gòu)件的抗爆設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵與核心。借鑒國內(nèi)外基于性能的抗震設(shè)計(jì)和基于性能的抗爆設(shè)計(jì)的研究，提出結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于性能的抗爆設(shè)計(jì)的基本流程，如圖2所示。并以鋼筋混凝土梁為例，提出基于性能的構(gòu)建抗爆設(shè)計(jì)的具體步驟。

1.1 確定爆炸荷載

根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或已有設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的設(shè)防等級確定爆炸荷載。丁陽等[5]提出了建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防烈度及其對應(yīng)的炸藥TNT當(dāng)量，如表1所示。GB 50038—2005人民防空地下室設(shè)計(jì)

規(guī)范[6]則給出了不同防核武器抗力等級與防常規(guī)武器抗力等級下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的等效靜荷載。

表1 抗爆設(shè)防烈度及其對應(yīng)的炸藥TNT當(dāng)量

1.2 確定性能等級

在確定梁構(gòu)件可能承受的爆炸荷載后，根據(jù)客戶的需求與建筑的使用功能確定整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級；然后根據(jù)鋼筋混凝土梁構(gòu)件的重要程度，查找CEDAW[7]提出的構(gòu)件損傷等級劃分,如表2所示，以確定梁構(gòu)件的性能等級；再根據(jù)構(gòu)件的性能等級，查找表3，確定構(gòu)件的性能限值。

表2 構(gòu)件損傷等級劃分

表3 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件損傷準(zhǔn)則 %

1.3 確定參數(shù)選擇范圍

以荷載的超壓與沖量值為參考，利用式(1),式(2)[8]所示超壓及沖量漸近線的計(jì)算公式，反推出梁構(gòu)件目標(biāo)性能等級對應(yīng)的最大抗力和構(gòu)件質(zhì)量的最小值與最大值，確定參數(shù)選取的大致范圍。

(1)

(2)

1.4 確定設(shè)計(jì)參數(shù)及驗(yàn)證

提出多組組合進(jìn)行試算，繪制P—I曲線圖，對設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合性能目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。如圖2所示為利用數(shù)值模擬擬合出的標(biāo)準(zhǔn)的RC梁構(gòu)件彎曲與剪切破壞各性能等級P—I曲線，由圖2可知，彎曲破壞超壓漸近線值較小，沖量漸近線較大；剪切破壞超壓漸近線值較大，沖量漸近線較小。剪切輕微破壞準(zhǔn)靜態(tài)漸近線以下區(qū)域?yàn)閺澢冃慰刂疲瑥澢雌茐臎_量漸近線以左為直剪破壞控制，其余區(qū)域由彎曲和剪切破壞共同控制。

每個(gè)性能等級由剪切破壞和彎曲破壞的P0或I0較小值控制，圖3中，區(qū)域Ⅰ～Ⅴ依次對應(yīng)性能等級為輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和完全破壞。將荷載超壓—沖量組合投影到特定梁構(gòu)件的P—I坐標(biāo)圖中，便可快速定位此組梁構(gòu)件的性能等級。

2 基于“投資—效益”準(zhǔn)則的費(fèi)用優(yōu)化模型

一般利用如圖1所示設(shè)計(jì)流程可以得到多組符合性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)參數(shù)，此后還需對這些構(gòu)件的全壽命花費(fèi)進(jìn)行評估，在建筑結(jié)構(gòu)整體全壽命花費(fèi)評估的基礎(chǔ)上，本文提出基于“投資—效益”準(zhǔn)則的構(gòu)件性能目標(biāo)優(yōu)化模型，主要包括初始造價(jià)和失效損失兩個(gè)方面:

(3)

其中，Wmin(x,Id)為目標(biāo)函數(shù);x為設(shè)計(jì)變量(構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù));Id為目標(biāo)性能等級；α1,α2均為加權(quán)系數(shù)，可由設(shè)計(jì)人員根據(jù)業(yè)主對初始造價(jià)和失效損傷的期望進(jìn)行設(shè)置；C1(x,Id)為構(gòu)件的初始造價(jià)；PFi(x,Id)為構(gòu)件失效達(dá)到性能等級i(i≤Id)的概率；[PFi]為相應(yīng)的目標(biāo)值；CFi為達(dá)到性能等級i時(shí)的失效損失；gj(x)≤0為與設(shè)計(jì)方法有關(guān)的確定性約束條件。

選取Wmin(x,Id)的最優(yōu)解作為設(shè)計(jì)的最終方案，兼顧了安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。但需要注意的是，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，具體構(gòu)件的費(fèi)用優(yōu)化需要同整體的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相匹配。

3 結(jié)語

基于性能的構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)方法主要分為5個(gè)步驟，確定爆炸荷載、確定性能等級、確定參數(shù)選擇范圍、確定設(shè)計(jì)參數(shù)及驗(yàn)證、構(gòu)件全壽命費(fèi)用計(jì)算。其與現(xiàn)行的基于可靠度的抗爆設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的區(qū)別，基于可靠度設(shè)計(jì)是通過控制可靠度實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)性能，而基于性能的抗爆設(shè)計(jì)是研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到的不同的性能狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)直接控制結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，更能適應(yīng)多樣化的業(yè)主要求和性能目標(biāo)。

[1] Cornell CA, Krawinkler H. Progress and challenges in seismic performance assessment[J]. PEER Center News,2000,3(2):1-3.

[2] Whittaker A, Hamburger R O, Comartin C, et al. Performance-based engineering of buildings and infrastructure for extreme loadings[A]. Proceedings of the AISC-SINY Symposium on Resisting Blast and Progressive Collapse. American Institute of Steel Construction[C]. New York,2003:1-11.

[3] Ali R M M, Louca L A. Performance based design of blast resistant offshore topsides, Part I: Philosophy[J]. Journal of Constructional Steel Research,2008,64(9):1030-1045.

[4] 于潤清,方 秦,陳 力,等.建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于性能的抗爆設(shè)計(jì)方法[J].工程力學(xué),2016(11):75-83.

[5] 丁 陽,方 磊,李忠獻(xiàn),等.防恐建筑結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)分類設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(4):57-64.

[6] GB 50038—2005,人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] CEDAW (Component Explosive Damage Assess-ment Workbook) Final Report[R]. U. S. Army Corps of Engineers, Protective Design Center,2005.

[8] 陳俊杰,高康華,孫 敖.爆炸條件下結(jié)構(gòu)超壓—沖量曲線簡化計(jì)算研究[J].振動與沖擊,2016(13):224-232.

The study on performance-based design procedure of blast-resistant structure members

Wang Ziqi

(CollegeofDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

The paper leads the performance-based design methods to the blast-resistant structure members, introduces the design procedure and design steps based onP—Icurve from the identification of the blast load, performance gradation, parameter selection scopes, and design parameter, and according to the “investment benefit” principle, points out the cost optimization model for the blast-resistant members.

architectural component, blast-resistant design, blasting load, performance gradation

1009-6825(2017)11-0054-02

2017-02-09

王子琪(1991- )，男，在讀碩士

TU352.1

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