建筑結構構件基于性能的抗爆設計方法

李文華

【摘要】在我國，基于性能的設計方法已運用于工程結構抗震設計，但尚沒有運用在結構抗爆設計。該文將基于性能的設計方法引入結構抗爆領域，提出了基于性能的結構抗爆設計方法，明確了基于性能的抗爆設計中的關鍵問題，給出了設計思路與步驟。

【關鍵詞】建筑結構構件;基于性能;抗爆設計方法

基于性能的設計方法是根據業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。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，還有許多系統性的研究需要進行。

1、基于性能的建筑結構抗爆設計方法

基于性能的設計方法廣泛運用于抗震領域，其基本思想大體上可以用表1的北歐建筑標準委員會等級體系詮釋。

表1 北歐建筑標準委員會規定的水準體系

從表1可以看出，與傳統的設計方法相比，基于性能的設計方法不僅強調性能目標的確定，而且還增加了性能目標的驗證，這樣就能最大限度的保證工程結構能夠達到預期的性能。

本文借鑒基于性能的抗震設計和國外基于性能的抗爆設計的相關研究，提出建筑結構結構基于性能的抗爆設計大致流程，如圖1所示。

由圖1可知，基于性能的抗爆設計主要分以下3個步驟：1）根據業主或使用者的要求確定合適的性能目標;2）根據性能目標進行結構設計;3）對結構進行性能目標的驗證。

若水平拉結力不滿足要求，則采用圖1中措施B對結構進行重新的設計;若水平拉結力滿足要求，而豎向拉結力不滿足要求，則采用去除構件的方法，評估結構連續性倒塌的風險，若風險較低，則設計滿足抗連續性倒塌設計要求，否則，采用圖1中措施A對結構進行抗爆再設計或是對結構的薄弱構件進行加強。

此外，在很多情況下，還需對建筑的全壽命花費進行評估，作為決策的參考。結構的全壽命花費主要包括結構的初始費用、爆炸后結構的損失和結構的維修費用。一般而言，結構的初始費用越高，結構的抗爆措施越全面，爆炸后的損失就越低，結構維修費用也越低，但是若無限度的增加結構的初始費用也是不經濟的，因此需要權衡初始造價、損失和維修費用三者的關系，對結構進行合理的設計或加固，使得建筑的全壽命花費最小。

本節提出的建筑結構基于性能的抗爆設計思想不僅適用于建筑結構，也可以用于其他工程結構。對其他的工程結構進行基于性能的抗爆設計時，需要充分考慮該工程結構的特點進行有側重的設計，但是設計的思路仍如圖1所示，僅是設計中具體考慮的細節有所變化。

為更加清晰地說明圖1的建筑結構基于性能的抗爆設計思想與流程，本文以較簡單的RC柱為例，闡述基于性能的抗爆設計方法及步驟。主要研究內容有：1）根據已有的研究成果，以RC柱承載力損失為性能參數，劃分性能水平;2）設定爆炸場景，定義4個爆炸烈度;3）根據結構的實際需求，確定了2個水準的性能目標;4）對RC柱進行抗爆設計。

2、RC柱性能水平和性能目標的確定

2.1性能水平

性能水平要根據實際需求，選擇恰當的參數，進行合適的劃分。延性比、端部轉角、柱端剪力、承載力損失等都可以表征RC柱的性能水平，但是每種參數所側重的需求不同。例如，柱端剪力側重于RC柱的直剪破壞，而承載力損失比例側重于RC柱的豎向承載能力。考慮到RC柱為建筑的主要承重構件，選取軸心受壓承載力損失作為柱的性能水平參數。

2.2性能目標

文獻建議了5個等級的爆炸烈度：30kg、200kg、500kg、1000kg、4000kg。其中，30kg為典型的箱包炸彈TNT當量;200kg、500kg、1000kg為小型轎車炸彈或廂式貨車炸彈的TNT當量，在恐怖襲擊中較為常見;4000kg是大型汽車炸彈的TNT當量，在恐怖襲擊中較為罕見。現實情況中，箱包炸彈一般放置在柱子的旁邊，主要是對柱子造成局部破壞，對于此種爆炸形式，采用增大配筋率或是加大柱子的橫截面積等結構措施通常難以達到預期的效果，此時需要采用其他的防爆措施，如表面覆蓋吸能材料、FRP加固等。本文主要考慮RC柱結構上的設計（配筋率、截面尺寸等），因此取4個等級的爆炸烈度：200kg、500kg、1000kg、4000kg。

在建筑結構防爆設計中，一般會運用設定防爆路障、出入口檢查等方式保證一定的防爆距離。根據防爆距離和爆炸烈度，既可以確定爆炸荷載峰值和沖量。對于有出入口檢查的人員聚集的建筑，車輛可距建筑最近10m處停放，于是本文取安全距離為10m，根據TM5-1300可以計算出作用在建筑上的爆炸荷載，如表2。根據建筑功能和客戶需求，必要的情況下可以進行費效比的計算，綜合考慮后確定較為合適的建筑結構性能目標。本文取RC柱的性能目標如表3。

結語：

本文將基于性能的設計方法引入工程結構抗爆設計領域，給出了基于性能的工程結構構件抗爆設計的一般流程，并對基于性能抗爆設計中的關鍵環節及步驟進行了詳細描述。

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