基于性能的建筑構件抗爆設計流程研究

王 子 琪

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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基于性能的建筑構件抗爆設計流程研究

王 子 琪

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

將基于性能的設計方法引入建筑構件抗爆設計中，從確定爆炸荷載、性能等級、參數(shù)選擇范圍、設計參數(shù)等方面，介紹了基于P—I曲線圖法的設計流程和設計步驟，并根據(jù)“投資—效益”準則，提出了抗爆構件的費用優(yōu)化模型。

建筑構件，抗爆設計，爆炸荷載，性能等級

基于性能的設計方法是根據(jù)業(yè)主要求與建筑的具體情況完成其性能目標的設計，對于基于性能的建筑結構抗爆設計方法，國內外許多學者在抗震和抗爆設計方面做了大量研究。Cornell CA與Krawinkler H[1]將災害強度指標(IM)、工程需求參數(shù)(EDP)、損傷指標(DM)和決策變量(DV)等參數(shù)通過整體概念表達式整合到一起，將性能評估過程有機地聯(lián)系起來。Whittaker等[2]將樣品強度評估、工程需求參數(shù)和性能等級應用到抗爆設計，并比較了性能設計方法在抗爆和抗震設計中的異同。Mohamed Ali與Louca[3]在總結了各國設計規(guī)范之后，提出了一般設計步驟，如圖1所示。國內于潤清等[4]提出了建筑結構的基于性能設計主要有3個步驟:1)根據(jù)業(yè)主或使用者提出的要求確定性能目標；2)根據(jù)性能目標進行結構設計；3)對結構進行性能目標的驗證。唐玉等提出了基于“投資—效益”準則的性能目標優(yōu)化決策模型計算結構全壽命總費用。

綜上所述，基于性能的結構抗爆設計的研究剛剛起步，基于性能的構建抗爆設計也遠未成熟，還有許多系統(tǒng)性的研究需要進行。

1 基于性能的構件抗爆設計基本流程

作為結構抗爆設計的一部分，構件的抗爆設計是其中的關鍵與核心。借鑒國內外基于性能的抗震設計和基于性能的抗爆設計的研究，提出結構構件基于性能的抗爆設計的基本流程，如圖2所示。并以鋼筋混凝土梁為例，提出基于性能的構建抗爆設計的具體步驟。

1.1 確定爆炸荷載

根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)或已有設計規(guī)范規(guī)定的設防等級確定爆炸荷載。丁陽等[5]提出了建筑結構抗爆設防烈度及其對應的炸藥TNT當量，如表1所示。GB 50038—2005人民防空地下室設計

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

表1 抗爆設防烈度及其對應的炸藥TNT當量

1.2 確定性能等級

在確定梁構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構的防護等級；然后根據(jù)鋼筋混凝土梁構件的重要程度，查找CEDAW[7]提出的構件損傷等級劃分,如表2所示，以確定梁構件的性能等級；再根據(jù)構件的性能等級，查找表3，確定構件的性能限值。

表2 構件損傷等級劃分

表3 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土構件損傷準則 %

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算公式，反推出梁構件目標性能等級對應的最大抗力和構件質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 確定設計參數(shù)及驗證

提出多組組合進行試算，繪制P—I曲線圖，對設計參數(shù)是否符合性能目標進行驗證。如圖2所示為利用數(shù)值模擬擬合出的標準的RC梁構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。剪切輕微破壞準靜態(tài)漸近線以下區(qū)域為彎曲變形控制，彎曲未破壞沖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依次對應性能等級為輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和完全破壞。將荷載超壓—沖量組合投影到特定梁構件的P—I坐標圖中，便可快速定位此組梁構件的性能等級。

2 基于“投資—效益”準則的費用優(yōu)化模型

一般利用如圖1所示設計流程可以得到多組符合性能目標的設計參數(shù)，此后還需對這些構件的全壽命花費進行評估，在建筑結構整體全壽命花費評估的基礎上，本文提出基于“投資—效益”準則的構件性能目標優(yōu)化模型，主要包括初始造價和失效損失兩個方面:

(3)

其中，Wmin(x,Id)為目標函數(shù);x為設計變量(構件的設計參數(shù));Id為目標性能等級；α1,α2均為加權系數(shù)，可由設計人員根據(jù)業(yè)主對初始造價和失效損傷的期望進行設置；C1(x,Id)為構件的初始造價；PFi(x,Id)為構件失效達到性能等級i(i≤Id)的概率；[PFi]為相應的目標值；CFi為達到性能等級i時的失效損失；gj(x)≤0為與設計方法有關的確定性約束條件。

選取Wmin(x,Id)的最優(yōu)解作為設計的最終方案，兼顧了安全性、適用性和經(jīng)濟性。但需要注意的是，在進行建筑結構抗爆設計時，具體構件的費用優(yōu)化需要同整體的結構性能目標和優(yōu)化設計相匹配。

3 結語

基于性能的構件抗爆設計方法主要分為5個步驟，確定爆炸荷載、確定性能等級、確定參數(shù)選擇范圍、確定設計參數(shù)及驗證、構件全壽命費用計算。其與現(xiàn)行的基于可靠度的抗爆設計有著本質的區(qū)別，基于可靠度設計是通過控制可靠度實現(xiàn)預期的結構性能，而基于性能的抗爆設計是研究結構構件達到的不同的性能狀態(tài)，設計時直接控制結構的性能目標，更能適應多樣化的業(yè)主要求和性能目標。

[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.建筑結構構件基于性能的抗爆設計方法[J].工程力學,2016(11):75-83.

[5] 丁 陽,方 磊,李忠獻,等.防恐建筑結構抗爆防護分類設防標準研究[J].建筑結構學報,2013,34(4):57-64.

[6] GB 50038—2005,人民防空地下室設計規(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.爆炸條件下結構超壓—沖量曲線簡化計算研究[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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