抗内爆炸间的墙身经济性分析

郭万东 张建军 张 盟 马素鹏

(1.北京城建兴泰房地产开发有限公司，北京 100000;2.中国兵器工业规划研究院，北京 100053;3.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100000;4.北京道有道应用技术有限公司，北京 100053)

1 概述

总结民爆行业出现的几起重大爆炸事故教训，需加强民爆企业安全生产管理，防止药品殉爆，减少破坏面。而民爆行业特点为原料、半成品和成品大多是易燃、易爆品。我国借鉴国外抗爆设计经验并进行了相关实验，陆续颁布了相应的设计规定［1，2］。为了不殉爆，并能排除故障后迅速组织生产，在新增或改造的民爆项目中，对抗爆建筑物均提出了明确的抗爆设计规定和要求。在易燃易爆部位需要采取防护措施，设置发生爆炸事故时能承受设计药量爆炸空气冲击波和碎片的局部作用而不发生震塌、飞散和穿透的钢筋混凝土结构，它广泛用于生产或贮存民爆行业危险品的建筑物，承受爆炸破坏产生能量，保护人员财产。钢筋混凝土抗爆结构中最典型的是危险品建筑物中的抗内爆炸间，抗内爆炸间主要承受爆炸事故的偶然性瞬时荷载，结构在弹塑性阶段工作。结构设计时通常可根据间室内生产或贮存的危险品性质、恢复生产的要求，按能承受一次或多次爆炸荷载进行设计。其墙体和屋盖宜为抗爆现浇钢筋混凝土，当设计药量大于1 kg时，墙厚不宜小于 250 mm［2］。

本文通过一工程设计实例，总结抗内爆结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土墙的墙身设计及经济性分析。

2 抗内爆炸间结构内力分析及墙身计算

抗内爆炸间内的爆炸为化学爆炸。其化学反应表现为产生大量能量，短期释放，产生压力波。抗内爆炸间墙身设计需满足以下前提条件［2］:1)墙(板)的长边与短边之比不宜大于除此之外，抗内爆炸间墙(板)墙身的设计还与支承条件有关。通过抗内爆炸间的墙身要求及边界支撑条件，做抗内爆炸间设计时，抗内爆炸间房屋墙板的长短比不宜过大，抗内爆炸间的边界条件为固定边或者为部分固定边时，抗内爆炸间的墙厚能达到较好的经济效果。抗内爆炸间及屏院的墙(板)厚度h按下列规定确定［2］其中，h为墙(板)估算厚度，mm;C为设防等级系数;f为钢筋设计强度，N/mm2;K0为构件跨中较大弯矩系数;Ω为频率系数，按本规范附录D规定采用;n为频率折减系数。其中，i为墙(板)面上平均冲量，N·s/mm2;k为系数，根据所计算墙(板)面的相邻面(相邻的墙、板或地面)数量N和爆心位置确定;Q为设计药量，kg;η为考虑抗内爆炸间内爆炸冲击波多次反射使能量集聚的能效系数，根据抗内爆炸间的几何尺寸、相邻面数量、有无相对面以及爆心位置确定;U为角度和距离因子;kα为角度和距离的影响系数，根据计算墙(板)面的尺寸及爆心位置确定。

依据规范规定，抗内爆炸间的墙厚和设计药量、设防等级、爆心位置有关。设计药量越大，墙厚越厚，当墙厚不能满足设计及经济性要求时，需要扩大抗内爆间室的尺寸，对抗内爆炸间的墙厚进行调整。随着工艺的发展，需适当确定设防等级来调整抗内爆间的墙厚。依据设计理论，爆心位置最好在抗内爆间中心位置。

3 抗内爆炸间影响墙厚其他因素

抗内爆炸间如果爆心位置不当，需要进行墙厚的抗震塌破坏厚度计算及防护层厚度计算。

背爆面的抗震塌破坏厚度计算要求如下［2］:

其中，Q0为产生震塌破坏的TNT有效装药量，kg;Ra为爆心与计算墙(板)面的垂直距离，m;h为墙(板)的厚度，m;rz为介质材料的震塌破坏半径，m;Kz为介质材料的震塌屈服系数;r0为球形集团装药半径，m;hi为墙(板)迎爆面抗震塌复盖防护层的第i层厚度，m。

迎爆面抗飞散破坏TNT的防护层厚度计算如下［2］:

其中，Q0为产生飞散破坏的TNT有效装药量，kg;Ra为爆心与计算墙(板)面的垂直距离，m;hi为墙(板)迎爆面抗飞散复盖防护层的第i层厚度，m;βi为墙(板)迎爆面抗飞散覆盖防护层的第i层材料折算为钢筋混凝土的抗飞散材料系数;rf为介质材料的飞散破坏半径，m;Kf为介质材料的飞散屈服系数;r0为球形集团装药半径，m。

通过对背爆面的抗震塌破坏厚度计算及迎爆面抗飞散破坏的防护层厚度分析，可知:

药量较小时，可以采用加大抗内爆炸间墙体厚度进行设计。

如果药量较大及抗震设防等级为一级的抗内爆炸间时可以采用内衬钢板等措施进行抗内爆间墙体厚度设计。

可以在屋面板上覆有其他材料(如覆土)，对自振频率进行修正，修正后的自振频率再进行抗内爆间墙体厚度计算及设计。

4 抗内爆炸间墙厚的经济化分析

当抗内爆间的墙(板)厚度，不能满足墙(板)截面的合适配筋率时，我们可以结合抗内爆间的受力特点及混凝土结构的材料特性，对抗内爆炸间的墙厚及钢筋的配筋率进行调整。

5 抗内爆炸间墙厚计算结果及分析

以下通过一个工程实例，对墙厚调整计算及优化分析如下。

本工程为新疆某化工厂的延期药生产工房，工程地上1层，建筑物总长83 m，总宽16.4 m，建筑高度4.6 m;建筑结构类型:框架结构，部分工序为危险工序，设计抗爆间室。抗爆间室为现浇钢筋混凝土抗爆结构，设防等级为二级。墙体及屋盖钢筋混凝土厚度均为300 mm，基础为钢筋混凝土条形基础，抗爆间室外为无盖抗爆屏院。设计要求:1)抗爆结构混凝土强度等级为C30;2)抗爆间室(含抗爆屏院)的药量均为10.0 kg的设计药量(TNT当量)，设防等级均为二级。通过设计计算，本工程抗爆间室墙厚计算500 mm厚，因为墙体太厚，抗内爆间的空间尺寸狭小，利用率降低，而且不经济。在设计过程中通过调整爆心位置，不必进行背爆面的抗震塌破坏厚度计算及迎爆面抗飞散计算，减少钢板用量。进一步优化抗内爆间设计。通过调整钢筋用量，将抗内爆炸间墙厚调整为350，抗内爆间的爆炸空间变大，利用率提高。

6 结语

1)抗内爆炸间结构墙身计算边界条件有很大影响;2)爆心位置影响墙厚的抗震塌破坏厚度计算及防护层厚度计算，必要的时候需与工艺沟通调整爆心位置;3)抗内爆炸间应根据内爆间的受力特点及混凝土结构的材料特性调整墙厚及配筋。

［1］程国防，张建军，王春芝.抗爆间室的抗爆设计［J］.山西建筑，2012，38(19):39-40.

［2］GB 50907-2013，抗爆间室结构设计规范［S］.

［3］GB 50089-2007，民用爆破器材工程设计安全规范［S］.

［4］郭 晶.浅谈抗爆结构钢筋混凝土施工工艺［J］.建材技术与应用，2004(4):10-11.

［5］王泽溥，郑志良.爆炸及其防护［M］.北京:兵器工业出版社，2008.

［6］应付钊.抗爆建筑物的抗爆设计浅谈［J］.医药工程设计，2007(6):55-57.