建筑燃爆破坏的影响与防治

许 博 超

(中北大学理学院，山西 太原 038507)

当今随着国家经济社会的高速发展，城镇居民生活使用燃气、工业生产使用燃气日益增长与普及，燃气的广泛使用，在惠及百姓的同时，频发的燃爆事故，也给社会经济、人民生命财产造成极大的危害。所以，对燃爆的研究有着重要的现实意义和工程价值。鉴于此，本文在调研统计及前人研究成果的基础上，对燃爆现象、机理、影响、防治及抗燃爆计算等方面的核心内容做了分析与梳理。

1 燃爆的机理

爆炸是能量突然释放，而引发的空气压力和冲击波向周围空间快速传播的现象，可分为燃爆、化爆和核爆。燃爆是可燃介质引发的爆炸，化爆是化学制品如火药引发的爆炸，核爆是核聚变或者核裂变引发的爆炸。燃爆是一种离居民最近、对居民危害极大且多发的爆炸。

1.1 燃爆机理与特点

燃爆是爆炸的一种常见类型，燃气爆炸是需要氧气的助燃，燃爆的诱发与其所处环境紧密相关，爆炸介质以一定的浓度分散分布在周围介质环境中，当浓度达到一定限值时，就会诱发爆炸。燃爆本质上属于爆燃，其分散分布的特点，导致已爆介质向相邻未爆介质引燃引爆过程的速度较慢，使其压力波传播速度也较慢，始终小于爆炸物质的声速，导致燃爆作用主要表现为热效应和静压力即超压，同时伴有某种程度的动力冲击效应，此类爆炸属于分散相爆炸。

1.2 燃爆压力的变化特性

在爆炸过程中从起爆开始，随着时间延续，爆炸引起的压力也不断增加，很快达到最大压力即峰值压力，随后压力迅速衰减，甚至会出现短暂的负压力。根据各种实验资料和爆炸统计分析发现，燃爆、化爆及核爆三种不同类型爆炸的压力变化，具有如下的鲜明特点：

燃爆的升压速度较慢，达到峰值压力pp的时间tp相对较长，大约为100 ms～300 ms，峰值压力pp相对较小，大约为60 kPa～700 kPa，没有明显的负压时段，压力缓慢衰减；化爆的升压速度较快，达到峰值压力pp的时间tp相对较短，大约几毫秒至几十毫秒，峰值压力pp相对较大，且有较短的负压时段出现；核爆的升压速度很快，在几毫秒甚至不足1 ms，即可达到峰值压力pp，且峰值压力pp很高，在正压力作用时段以后，还会出现一段明显的负压力时段。

2 燃爆对建筑物的影响与防治原则

2.1 燃爆对建筑物的影响

燃爆能引发火灾和其他次生灾害，燃爆作为一种多发且极具人为特征的灾害，常与火灾相伴随，而不同于一般火灾，燃爆引发的火灾，由于其爆炸动力效应，导致可燃介质及其火势迅速蔓延，且比一般火灾要严重得多。

由于燃爆冲击波会引发静力超压作用和动力冲击效应即动压作用，在冲击波超压和动压共同作用下，结构物受到巨大的推挤作用，同时结构前后面存在压力差，使得结构受到很大的水平推力，使结构平移和倾斜。对于塔楼、烟囱及桅杆等细长结构，由于它们的横向尺寸相对较小，其静力的超压合力较小，动压作用更为显著，使结构遭到明显的动力拋掷和弯折，有时会导致建筑物发生局部破坏、整体破坏，甚至是连续性倒塌。

2.2 建筑燃爆的防治措施原则

建筑燃爆的防治措施原则主要有四条：泄爆、阻断、远离和抵抗。1)泄压泄爆：对于经常使用燃气的建筑物，需要考虑泄爆措施，泄爆的方式，可以考虑使用泄爆窗和泄爆屋顶，设置足够大的窗口或柔性屋顶，来满足泄爆的要求。所以才有建筑设计当中的俗套，明厨暗厕。2)阻断阻隔：阻隔阻断主要是靠设置挡波墙或防爆墙来阻挡爆炸冲击压力，墙上可以设置防爆门和防爆窗，防爆墙的设置主要用于具有爆炸介质的工业厂房和大型的公共建筑，在民用建筑的设计中较少采用，但可以加厚加强厨房周围的墙体等主体结构。3)拉远距离：所谓拉远距离，也就是考虑防爆的一个安全距离，在建筑设计中，要求民用建筑要与具有爆炸可能性的危险源，诸如储油储气站，燃爆危险化学品仓库和厂房等保持一定的安全距离即防爆距离，以减小一旦发生燃爆时所造成的破坏影响和损失。4)加强抵抗：加强抵抗是指通过加强结构构件的强度、韧性，来抵抗爆炸冲击波带来的强大的静力超压作用和动力冲击作用，以避免因结构构件的局部损坏，而导致建筑结构的整体破坏或者连续性倒塌。

3 建筑抗燃爆计算

3.1 燃爆压力

1)燃爆超压：所谓超压是指爆炸压缩周围的空气而产生的超过正常大气压力的空气压力，所谓燃爆压力是指燃气爆炸引起的超过正常大气压的超压。在燃爆过程中，产生的最大的超压即为峰值超压，所有的爆炸诸如燃爆、化爆和核爆都会产生超压，如图1所示。2)燃爆动压：化爆和核爆本质属于爆轰，在极短的时间几毫秒内就能达到峰值压力，急速地挤压和推动周围的空气，使周围的空气产生很高的运动速度，形成高速运动的冲击波，在这个冲击波的作用下，除了有爆燃挤压周围空气引起的超压，还有一个由于爆燃推动周围空气高速运动引起的冲击动压，超压只是燃爆气体向空间表面挤压的作用，超压荷载属于静力荷载，而燃爆引起的冲击动压，属于动力荷载，类似于风载，与物体的形状、受力面的方位等有关，燃气爆炸的作用效应，主要以超压为主即静力效应为主，动压即动力效应很小，所以燃气爆炸波主要属于压力波，而冲击波的效应不是很显著。

3.2 抗燃爆计算

1)抗燃爆计算的核心思想。抗爆设计计算方法总体分为动力法，静力法和拟静力法。

在爆炸荷载作用下，通过建立结构的动力平衡方程、几何方程及物理方程，用弹塑性力学的方法进行求解。但在实际结构抗爆计算中，很难用这样的解析方法来进行求解。所以，现在更多的是利用有限元动力分析方法，来进行结构抗爆的数值模拟分析。对于燃气爆炸荷载，由于他的升压时间远大于结构的基本自振周期，爆炸荷载的加载时间较为缓慢，以至于不会使建筑结构产生显著的加速度，从而也不会产生明显的惯性力，认为燃爆荷载主要以超压静载荷为主，而动力冲击效应相对较弱。为了简化设计计算，又不致于产生较大的误差，将燃爆荷载视为静载荷，其燃爆的破坏荷载取燃爆压力波的峰值压力，抗燃爆计算也可以按照结构体系的静力分析方法进行简化计算，其动力效应所引起的破坏，可以通过采取一些构造措施来有效归避[1]。

2)燃爆的泄压保护。在进行具有可燃介质的化工厂房、居民住宅的厨房设计时，需要估算一个燃爆的峰值压力，作为确定窗户面积和屋盖质量的一个依据。当爆炸发生在密闭结构中时，在围护结构上直接遭受冲击波骤然增大的超压，并产生高压区，使窗户破损、屋盖翻覆，导致室内压力下降，起到泄压泄爆的作用，从而起到了保护建筑结构主体安全的作用，进而可以避免主体结构的严重受损，甚至是整体的连续性倒塌。而使窗户破损或者使屋盖翻覆的压力即是泄爆压力pv。

3.3 燃爆峰值压力

在具有可燃介质的建筑结构设计中，需要估算燃爆的峰值压力，作为确定窗户面积和屋盖质量的依据之一。对于燃爆峰值压力的确定，许多专家在试验的基础上，基于不同的假设和基础理论，给出了不同的燃爆压力波峰值压力的计算方法和由峰值压力确定的卸爆面积公式，本文介绍几种常用的峰值压力确定方法[2]。

1)Rasbash峰值压力计算公式:

P=10Pv+3.5K

(1)

其中，P为最大爆炸压力及峰值压力，kPa；Pv为泄爆压力，kPa；K为泄压比，K=Ak/Av，Av为泄压总面积，Ak为封闭空间内最小正截面面积。

适用条件：该公式适用正常燃烧速度，且没有考虑湍流的影响，并须满足，k=1～5，房间最大最小尺寸比不大于3，泄压构件的面密度不大于24 kg/m2，Pv<7 kPa等条件, 否则误差较大。

2)Dragosavic峰值压力计算公式。

Dragosavic给出了室内理想化的燃气爆炸的理论升压曲线模型(见图2)。该升压曲线模型，是基于体积为20 m3的实验房屋内测得的包含泄爆影响的压力时间曲线。

图2中压力从O点开始上升到A点出现泄爆(窗玻璃压碎)，A点是泄爆点，对应的压力为泄爆压力，泄瀑后压力随即迅速下降，且有时会出现短暂的负超压段，随着压力波的运行，由于压力波的反射及波阵面后的湍流效应，后期会出现高频振荡。其中，Pv为泄爆压力；Pw为高频振荡峰值压力；P1为初次峰值压力；P2为二次峰值压力。Dragosavic的试验是在空旷房屋内进行的，若室内有其他器物、家具等障碍物，则高频振荡会明显减轻。

随着燃气使用的普及，在易爆建筑物设计时，需要有一个燃爆压力峰值的估算，作为确定窗户面积、屋盖轻重等的依据，使得易爆场所一旦发生燃爆能及时泄爆减压。Dragosavic给出了最大爆炸压力计算公式：

P=3+0.5Pv+0.04/ψ2

(2)

P≥3+Pv

(3)

其中，P为最大爆炸压力即峰值压力，kPa；ψ为泄压系数，为房间体积与泄压面积之比；Pv为泄爆压力，kPa。

适用条件：上式不适用于大体积空间中爆炸压力估算和泄压计算。

4 结语

燃气的应用无论是民用还是工业都日益普及，所以，对于燃爆的研究越来越受到业界的重视，燃爆给社会经济、人民生命财产造成了极大的损失，所以本文从燃爆的概念、燃爆对建筑结构的影响、燃爆的防治措施和原则、抗燃爆计算核心思想及峰值压力计算等诸多方面进行了探讨和梳理，以资与同行交流，也为建筑燃爆的防治尽绵薄之力。