燃氣爆炸事故對住宅建筑的破壞

韓永利，陳龍珠

（1．上海原構設計咨詢有限公司，上海200232；2．上海交通大學 船建學院安全與防災工程研究所，上海200240）

自從1968年Ronan公寓燃氣爆炸引起連續性倒塌以來，該類事故逐漸引起了人們的注意［1－3］。相比于普通炸藥爆炸或核爆炸，發生于住宅內部的燃氣爆炸威力很小，通常只有5～50 k Pa的超壓，但其持續時間較長、構件受力方向改變，仍較易造成樓板、墻體等構件的破壞，這是除燒傷之外造成人員嚴重傷亡的主要原因。

防爆研究造價較高且目前中國研究多是針對炸藥爆炸，關于住宅燃氣爆炸方面的文章多為鑒定部門所進行的災后調查和加固、修復意見，很少有針對性的深入研究，如有關燃氣爆炸造成建筑物破壞的原因和機理［4－5］。

結合發生于上海的2起燃爆事故（由上海市房屋質量檢測站提供相關技術資料），從構件抗力和爆炸超壓2個角度進行分析，研究其帶來嚴重損失的原因和特點。

1 2起燃爆事故簡介

1．1 案例1

2009年3月18日，上海市松江區谷陽北路881弄104號102室發生燃氣爆炸事故，造成1死3傷。該住宅樓為6層磚混結構，承重墻采用多孔磚砌筑，樓板為鋼筋混凝土現澆板。

104號102室為爆炸中心，破壞最為嚴重。爆炸造成天井圍墻倒塌，見圖1；室內裝修、電器等均損毀，墻面粉刷大面積剝落；客廳平頂東側樓板斷裂，鋼筋外露，斷裂處樓板上下錯位約8 mm；其它墻體、過梁、樓板等多處開裂。

104號其它房間以及相鄰的97—99號、103—105號房屋出現不同程度的裝修損壞，包括門框開裂、瓷磚脫落、吊頂損壞、塑鋼門窗變形斷裂等，但主體結構未受損壞。

處理意見為：對102室樓蓋結構鑿除后重新澆筑，新老結構連接處采用膨脹混凝土處理。其它輕微損傷按原樣進行修繕處理。

圖1 案例1天井圍墻倒塌

1．2 案例2

2009年6月20日，上海市青浦區章浜新村10號404室發生煤氣爆炸事故，導致8人受傷。該住宅樓為磚混結構，樓板為預制多孔板。

爆炸致使整幢居民樓的玻璃窗全部碎裂，10號4層局部承重墻體嚴重塌陷，404室西外墻、北外墻被炸成“鏤空”狀態，見圖2；504室預制板也因爆炸而塌陷，南側陽臺也均有變形。

現場檢測時，10號房屋已經部分拆除。剩余部分1—6層房屋除裝修損壞嚴重外，主體結構存在一定的損壞現象，部分承重墻體及平頂開裂。周圍多個單元房屋均存在一定程度的裝修損壞，包括玻璃破碎、門窗變形等，房屋主體結構未發現有明顯損壞。

1）對拆除的10號104—604室按照原樣重建，抗震設防比原結構適當提高，樓屋面采用現澆混凝土結構，在縱橫墻體交接處設置構造柱、圈梁。重建部分和保留結構要有可靠連接。

圖2 案例2爆炸現場破壞情況

2）對10號103—603室及樓梯間保留，嚴重損壞部位可參照相關規程采用水泥砂漿面層和鋼筋網砂漿面層對墻體進行加固。其它非結構性損壞進行對癥修復。

2 樓板抗力及爆炸超壓分析

案例1僅需對1塊樓板進行加固，而案例2不僅發生爆炸的單元全部拆除重建，剩余部分的加固修復工作量也很大。結構的破壞程度取決于構件自身抵抗力和爆炸荷載的大小，故研究2起事故破壞后果相差較大的原因，首先必須解決這2個問題。

2．1 樓板抗力的計算

案例1現澆板尺寸為3．6 m×5．0 m，由于資料有限，假定混凝土等級為C20，板厚90 mm，雙層雙向配筋均為Φ8＠200，層高2．6 m。

案例2預制板寬1．0 m，跨度3．2 m，簡支邊界，雙層配筋，底部為 Φ8＠100，上部為 Φ8＠200；C20混凝土，板厚90 mm。

1）數值模擬

建立樓板分離式有限元模型，鋼筋和混凝土分別使用LS－DYNA提供的3號和111號材料模型，使用圖3所示具有燃氣爆炸荷載特征的簡化曲線［6－8］，Pv、Pm表示泄爆超壓和峰值超壓，tv、tm為其對應時間。盡管升壓時間可達數百ms，但大部分的超壓產生于最后幾十ms。計算時為減少計算量，可以只選取ABC段。對于普通住宅房間，升壓和降壓時間可取50 ms［6］。有限元模型如圖4、5所示，2樓板均是反向加載。

圖3 燃氣爆炸荷載曲線

圖4 預制板有限元模型

圖5 現澆板有限元模型

氣體爆炸所引起的材料應變速率典型值為（50～500）×10－6s－1。使用文獻［9］引用的 CEB、Malvar修正、K＆C模型、Tedesco和Ross公式，以及 肖詩云［10］、Grote［11］等學者提供的多組計算式進行計算。綜合分析以后最終決定，對于C20混凝土材料，抗拉、抗壓DIF（動力提高系數）分別取1．3和1．2；不考慮鋼筋強度的提高。

失效準則的取值對計算結果影響極大，其取值一直沒有統一標準，各學者給出的數值相差極大。如對于混凝土材料的失效主拉應變，各文獻中使用的數值有0．002［12］、0．003 5［13］、0．01［14］、0．5［15］等。故擬根據中國多所高校的靜載試驗建立幾十組樓板模型，反推出適用于燃氣爆炸荷載的材料失效準則的取值。經過修正以后決定，文中C20混凝土的失效主應力取3．45 MPa，鋼筋失效主應變取0．012。

以樓板混凝土大量開裂或鋼筋拉斷作為樓板破壞判定標志，計算出圖4、圖5中樓板抗爆能力分別為9．0～10．0 k Pa和25．0～28．0 k Pa。

實際建筑中構件之間相互擠壓，這與該文建立的簡支邊界有所區別，故圖4模型的結果應當適當提高；借助軟件計算出約提高30%。由于是反向受力，兩樓板需加上4 kPa使用荷載。

經修正，最終確定兩樓板的實際抗燃氣爆炸能力為29～32 k Pa（圖5）和15．7～17 k Pa（圖4）。

2）理論公式計算

根據塑性鉸線理論，由于現澆樓板雙層雙向配筋，各個方向配筋相同，各塑性鉸線單位寬度內的極

式中，m表示沿短跨和長跨方向塑性鉸線上單位寬度內的極限彎矩；γ1、γ2為雙向板和單向板的雙筋截面單位寬度抗彎能力比單筋截面的提高系數，同樣借助有限元軟件計算出γ1＝1．2，γ2＝1．1；f y、As為受拉鋼筋強度和截面積；h0為計算高度，a′為保護層厚度；λ＝l y／l x，l y和l x分別為雙向板長、短跨計算長度，l為單向板計算長度；q為板的極限承載能力。

由于薄膜效應只在樓板變形相當大時對其極限承載力的提高才有重要作用［16］。進一步計算顯示，圖5模型達到極限承載能力之前中點撓度的最大值約為50 mm，該值要小于樓板厚度。因此，沒有考慮受拉薄膜效應。文獻［17］在計算燃氣爆炸下雙向板抗爆能力時也未考慮大變形和邊界約束帶來的薄膜效應。

使用標準值計算，結果約為16 kPa（圖5）和8 k Pa（圖4），該數值為靜載值，需修正以獲得燃爆荷載下的數值（提高約20%），式（3）還需考慮邊界修正，加上使用荷載后，分別為27 kPa和16．5 k Pa，與數值模擬結果比較接近。

2．2 爆炸超壓的估算

爆炸后可根據構件的抗力和其破壞程度近似推求作用在其上面的超壓值，這也是目前災后鑒定中常用的爆炸超壓估算方法。

通常認為，小于30 k Pa的超壓人體是可以忍受的，達到66．2 k Pa可使50%成人鼓膜穿孔；達到100 k Pa時，鼓膜幾乎100%破裂［18］。預制板的承載能力只有十幾k Pa，現澆板可以達到幾十k Pa以上。結合相關資料、數值模擬結果以及媒體報道，整理出了燃氣爆炸對建筑物及人員的損壞程度（除燒傷），匯總于表1。

1）根據表1，結合2起事故中主體結構破壞情況，可以估算出2起事故的爆炸超壓分別為20～30 k Pa（現澆）和30～40 k Pa（預制）。

2）根據樓板抗力，案例1中現澆樓板并未被炸穿，實際超壓當低于樓板的抗爆能力；而案例2中上部預制板已經完全塌陷，其爆炸超壓當比樓板抗爆能力高出許多。限彎矩應該也是相同的，簡化后的公式如式（1）和式（2）。式（3）為雙筋梁正截面受彎承載力計算公式，計算簡支預制板承載力。

表1 燃氣爆炸破壞情況匯總

最終確定，2起爆炸事故的爆炸超壓分別為20～25 kPa（現澆）和30～35 kPa（預制）。可以看出，2起爆炸事故產生的超壓僅相差10 kPa左右，但產生的破壞后果卻相差較大。這是因為：2起爆炸事故產生的超壓范圍為20～35 kPa，該值恰好介于普通單向預制板和現澆雙向板的抗爆能力值之間，故前者破壞嚴重，而后者卻可以承受住爆炸荷載。

3 房屋損壞特點分析

燃氣爆炸時室內空氣的壓力瞬間急劇上升，并對周圍物體產生破壞作用。其發展過程及破壞機理見圖6所示。

圖6 燃氣爆炸產生破壞機理

影響室內燃氣爆炸超壓的因素有很多［6］，如混合氣體濃度越接近最優配合比、泄爆壓力越大、泄壓面積越小、氣體燃燒速率越大，則超壓越大。另外，點火源位置、房間形狀、內部障礙物等也都會對爆炸超壓產生影響。

根據國內外發生的大量燃爆事故實例，可以得出以下具有普遍性的結論：

1）通常情況下，燃氣爆炸超壓較低，僅有十幾k Pa或者更低，故多數燃氣爆炸僅造成了門窗、裝飾的破壞，主體結構并未破壞。

2）當遇到不利情況時，爆炸超壓可以達到幾十k Pa，局部超壓甚至更高。該數值要高于普通單向預制板以及填充墻體的抗爆能力，因此往往會造成部分預制樓板和墻體的破壞。例如本文中案例1中圍護墻體倒塌；案例2中預制樓板及部分墻體倒塌。

3）發生爆炸的空間直接受到壓力沖擊，故其破壞最為嚴重，而其它相鄰房間的損壞則是由于受到強烈震動所引起的。因此，相比于固體炸藥爆炸，氣體爆炸同樣具有以下的特點：在一定范圍內具有破壞力，距離爆裂點越遠，影響越小。這一點也可以由一些爆炸事故現場可以看出，房屋損壞越嚴重（爆炸越強烈）的爆炸事故，其周圍受損房屋范圍就越大。

4 結論

結合發生于上海的2起燃氣爆炸事故，對鋼筋混凝土樓板的抗爆能力以及爆炸超壓進行了估算和分析，并分析了燃氣爆炸對房屋帶來損壞的特點。使用的分析方法和得出的結論可為住宅燃氣爆炸的災后鑒定和防護設計提供參考。

進一步計算表明，影響樓板抗爆能力因素較多。其中，邊界影響效果最為顯著，其次為厚度，混凝土強度和配筋率的影響相對較小。

選取的2個案例涉及到預制板和現澆板，均為多層磚混結構，這也是在燃氣爆炸下較易產生結構構件破壞的結構形式，案例具有普遍性和代表性。

今后應當進行相關試驗研究，以更好的研究其破壞機理，驗證分析結果，并找到可行的防護措施。

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