建筑结构构件基于性能的抗爆设计方法

2020-09-14 12:24:19 中国房地产业·上旬 2020年9期

李文华

【摘要】在我国,基于性能的设计方法已运用于工程结构抗震设计,但尚没有运用在结构抗爆设计。该文将基于性能的设计方法引入结构抗爆领域,提出了基于性能的结构抗爆设计方法,明确了基于性能的抗爆设计中的关键问题,给出了设计思路与步骤。

【关键词】建筑结构构件;基于性能;抗爆设计方法

基于性能的设计方法是根据业主要求与建筑的具体情况完成其性能目标的设计,对于基于性能的建筑结构抗爆设计方法,国内外许多学者在抗震和抗爆设计方面做了大量研究。基于性能的结构抗爆设计的研究刚刚起步,基于性能的构建抗爆设计也远未成熟,还有许多系统性的研究需要进行。

1、基于性能的建筑结构抗爆设计方法

基于性能的设计方法广泛运用于抗震领域,其基本思想大体上可以用表1的北欧建筑标准委员会等级体系诠释。

表1 北欧建筑标准委员会规定的水准体系

从表1可以看出,与传统的设计方法相比,基于性能的设计方法不仅强调性能目标的确定,而且还增加了性能目标的验证,这样就能最大限度的保证工程结构能够达到预期的性能。

本文借鉴基于性能的抗震设计和国外基于性能的抗爆设计的相关研究,提出建筑结构结构基于性能的抗爆设计大致流程,如图1所示。

由图1可知,基于性能的抗爆设计主要分以下3个步骤:1)根据业主或使用者的要求确定合适的性能目标;2)根据性能目标进行结构设计;3)对结构进行性能目标的验证。

若水平拉结力不满足要求,则采用图1中措施B对结构进行重新的设计;若水平拉结力满足要求,而竖向拉结力不满足要求,则采用去除构件的方法,评估结构连续性倒塌的风险,若风险较低,则设计满足抗连续性倒塌设计要求,否则,采用图1中措施A对结构进行抗爆再设计或是对结构的薄弱构件进行加强。

此外,在很多情况下,还需对建筑的全寿命花费进行评估,作为决策的参考。结构的全寿命花费主要包括结构的初始费用、爆炸后结构的损失和结构的维修费用。一般而言,结构的初始费用越高,结构的抗爆措施越全面,爆炸后的损失就越低,结构维修费用也越低,但是若无限度的增加结构的初始费用也是不经济的,因此需要权衡初始造价、损失和维修费用三者的关系,对结构进行合理的设计或加固,使得建筑的全寿命花费最小。

本节提出的建筑结构基于性能的抗爆设计思想不仅适用于建筑结构,也可以用于其他工程结构。对其他的工程结构进行基于性能的抗爆设计时,需要充分考虑该工程结构的特点进行有侧重的设计,但是设计的思路仍如图1所示,仅是设计中具体考虑的细节有所变化。

为更加清晰地说明图1的建筑结构基于性能的抗爆设计思想与流程,本文以较简单的RC柱为例,阐述基于性能的抗爆设计方法及步骤。主要研究内容有:1)根据已有的研究成果,以RC柱承载力损失为性能参数,划分性能水平;2)设定爆炸场景,定义4个爆炸烈度;3)根据结构的实际需求,确定了2个水准的性能目标;4)对RC柱进行抗爆设计。

2、RC柱性能水平和性能目标的确定

2.1性能水平

性能水平要根據实际需求,选择恰当的参数,进行合适的划分。延性比、端部转角、柱端剪力、承载力损失等都可以表征RC柱的性能水平,但是每种参数所侧重的需求不同。例如,柱端剪力侧重于RC柱的直剪破坏,而承载力损失比例侧重于RC柱的竖向承载能力。考虑到RC柱为建筑的主要承重构件,选取轴心受压承载力损失作为柱的性能水平参数。

2.2性能目标

文献建议了5个等级的爆炸烈度:30kg、200kg、500kg、1000kg、4000kg。其中,30kg为典型的箱包炸弹TNT当量;200kg、500kg、1000kg为小型轿车炸弹或厢式货车炸弹的TNT当量,在恐怖袭击中较为常见;4000kg是大型汽车炸弹的TNT当量,在恐怖袭击中较为罕见。现实情况中,箱包炸弹一般放置在柱子的旁边,主要是对柱子造成局部破坏,对于此种爆炸形式,采用增大配筋率或是加大柱子的横截面积等结构措施通常难以达到预期的效果,此时需要采用其他的防爆措施,如表面覆盖吸能材料、FRP加固等。本文主要考虑RC柱结构上的设计(配筋率、截面尺寸等),因此取4个等级的爆炸烈度:200kg、500kg、1000kg、4000kg。

在建筑结构防爆设计中,一般会运用设定防爆路障、出入口检查等方式保证一定的防爆距离。根据防爆距离和爆炸烈度,既可以确定爆炸荷载峰值和冲量。对于有出入口检查的人员聚集的建筑,车辆可距建筑最近10m处停放,于是本文取安全距离为10m,根据TM5-1300可以计算出作用在建筑上的爆炸荷载,如表2。根据建筑功能和客户需求,必要的情况下可以进行费效比的计算,综合考虑后确定较为合适的建筑结构性能目标。本文取RC柱的性能目标如表3。

结语:

本文将基于性能的设计方法引入工程结构抗爆设计领域,给出了基于性能的工程结构构件抗爆设计的一般流程,并对基于性能抗爆设计中的关键环节及步骤进行了详细描述。

参考文献:

[1]徐龙河,吴耀伟,李忠献,等.基于性能的钢框架结构失效模式识别及优化[J].工程力学,2015:32(10):44-51.

[2]郝际平,袁昌鲁,樊春雷,等.钢板剪力墙结构基于性能的塑性设计方法研究[J].工程力学,2015,32(7):118-127.