CN108978930A - 一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法 - Google Patents

一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于防爆、抗爆工程技术领域，涉及一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，主要包括以下步骤：根据抗爆冲击设防要求以及防爆墙/抗爆板支承条件，确定压型钢板的尺寸；根据所述压型钢板的尺寸与设防荷载，在所述压型钢板的波峰顶的下侧凹陷和/或波谷底的上侧凹陷内焊接填充加固钢材；并且，在所有波峰顶组成的平面上焊接垂直于所有波峰顶的若干根连通加固条，和/或在所有波谷底组成的平面上焊接垂直于所有波谷底的若干根连通加固条。该结构设计方法能够使得压型钢板所构成的防爆墙/抗爆板的抗爆性能得到大幅度提高，为处于其后方的人、物提供更安全的庇护，最终减少伤亡事故的发生，因此，本发明的应用前景非常广阔。

Description

一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法
技术领域
本发明属于防爆、抗爆工程技术领域，特别涉及一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法。
背景技术
近10年来，安全生产中意外爆炸问题以及恐怖主义的炸弹袭击等问题愈发频繁，人们对安全的需求也越来越迫切，人们都希望自己能有一个安全的生活、工作环境。因此，非军用领域的防爆墙/抗爆板也借此机会得到一定的发展。
目前，国内外常见的防爆墙/抗爆板大多以钢筋混凝土材料为主，对于承受荷载较小的抗爆构件，也可以使用配筋砌体作为结构材料。对于防爆墙/抗爆板的研究，目前主要集中在钢筋混凝土以及砌体方面。但随着社会的日益发展，钢结构的防爆墙/抗爆板也开始得到了应用。例如，美国土木工程师协会于2010年出版的《Design of Blast-ResistantBuildings in Petrochemical Facilities(SecondEdition)》已经展示了钢材作为防爆墙/抗爆板的应用。该钢结构的防爆墙/抗爆板利用压型钢板作为抗爆结构基础构件，其中的压型钢板形状与常规压型钢板相近，但其厚度根据构件跨度、支承条件、冲击荷载大小等因素综合确定，一般为4～12mm，可见其厚度比常规非抗爆情况下所用的压型钢板要厚。采用这种设计，主要是考虑到压型钢板是一种常见的建筑结构材料，其具有单位重量轻、强度高、抗震性能好、施工快速等特点，因此，其在建筑结构外墙、楼面板、屋面板中已经得到了广泛的应用，且工程技术成熟。
由于爆炸为偶然工况，发生概率极低，所以国内、外进行抗爆设计时，一般允许抗爆构件进入塑性状态，主要控制构件的最大位移以及延性比。当我们按规范、手册进行抗爆计算时，只需要得到构件截面的抵抗矩W，质量m，材料屈服强度fy以及支承情况，就可以进行工程抗爆设计。在整个公式计算过程中，惯性矩I和抵抗矩W均保持不变，对于一般的钢筋混凝土墙体、砌块以及有一定厚度的型钢而言，这一假定基本能符合实际情况，然而，对于压型钢板而言，在整个爆炸冲击过程中，这一假定并不完全成立。这是因为，一般情况下，爆炸发生后，冲击波在无限自由空间内，以球面波的形式向外扩散传播，当其到达抗爆掩体不同高度、不同位置各点时总存在一个时间差，而且在冲击波实际传播过程中，也会遇到障碍物(如地面反射、遮挡物绕射等)，从而更难以保证波阵面同时到达抗爆掩体各点。虽然，对于普通矩形横断面的防爆墙/抗爆板或其他常见断面型钢而言，这个时间差不会造成太大影响，但是对于直接以压型钢板为抗爆构件的墙、板而言，却必然会带来不利的影响，这个时间差造成如图1所示的变形，使得最先接触冲击作用的区域，截面惯性矩I、截面抵抗矩W变小，出现稳定破坏；实际工程应用中，如果忽略了这一点而进行抗爆设计，则是不安全的。
此外，同样由于冲击波以超压形式向外传播，其波阵面压强远大于标准大气压，所以根据压强作用特点，大多数时刻，压型钢板位于波峰、波谷之间的腹板虽然在几何上处于轴对称状态，但其受到的冲击压强大小以及冲击波到达、持续作用时间都存在一定差值，这就造成了其会发生如图2所示侧向失稳变形情况，该侧向稳定的失效，会对截面惯性矩I、截面抵抗矩W产生不利影响，并最终降低防爆墙/抗爆板的承载能力。
近年来，在我国安全生产问题越来越得到重视，各项要求也愈发严格。工业生产中，爆炸时有发生，严重威胁人员的生命安全。因此，本领域工程技术人员迫切需要寻求并研发出一种有效方法以克服上述失稳破坏，并利于防爆墙/抗爆板能够更好地发挥其截面承载力，从而提供更好的安全防护性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中由压型钢板构成的防爆墙/抗爆板在爆炸冲击作用下，由于荷载以及构体变形的不对称而导致防爆墙/抗爆板刚度下降，且在远小于设防的爆炸荷载冲击作用下就出现承载能力被破坏的缺陷。发明人拟在压型钢板上增设约束稳定构件，以期在爆炸冲击波引起变形情况下，能够有效阻止侧向失稳破坏的发生，从而使其可用于构成防爆墙/抗爆板，并充分发挥防爆墙/抗爆板的强度承载能力，最终显著提高该防爆墙/抗爆板的抗冲击能力，因此，有利于避免安全事故的发生，为该防爆墙/抗爆板后方的人、物提供更大的安全庇护。
具体地，本发明提供了一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其包括以下步骤：
S1：根据抗爆冲击设防要求以及防爆墙/抗爆板支承条件，确定压型钢板的尺寸；
S2：根据所述压型钢板的尺寸与设防荷载，在所述压型钢板的波峰顶的下侧凹陷和/或波谷底的上侧凹陷内焊接填充加固钢材；并且，在所有波峰顶组成的平面上焊接垂直于所有波峰顶的若干根连通加固条，和/或在所有波谷底组成的平面上焊接垂直于所有波谷底的若干根连通加固条；
在所述压型钢板中，设置有用于连接相邻的波峰顶和波谷底的斜腹板；其中，每个所述波峰顶的宽度相等，每个所述波谷底的宽度相等；并且，所述波峰顶的宽度大于所述波谷底的宽度；所述波峰顶与所述波谷底的厚度相等。
其中，值得补充说明的是，如果在所述压型钢板的波峰顶的下侧凹陷和/或波谷底的上侧凹陷内存在填充加固钢材，那么每根连通加固条还与该填充加固钢材固定连接，例如采用有效的焊接。
优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述连通加固条的截面为圆形、长方形或方形。
优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述连通加固条的材质选自以下任一种：碳钢、不锈钢、铸铁。
优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，任意两根相邻的所述连通加固条的间距相等。
进一步优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述间距为所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度的10～13倍。采用上述这种任意两根相邻的连通加固条的间距设计，有利于满足钢结构整体稳定性的要求。
优选地，为了同时满足局部稳定性的需要，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度不大于压型钢板厚度的50倍。
优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述斜腹板与翼缘水平面之间的夹角θ不小于45°。
优选地，在上述可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法中，所述填充加固钢材的厚度不大于压型钢板厚度。
与现有技术相比，本发明所提供的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法至少具有以下有益效果：利用所述设计方法制得的用于防爆墙/抗爆板的压型钢板，在爆炸冲击作用下，也能够使得防爆墙/抗爆板的侧向稳定性得到有效约束，从而防止在远小于设防荷载作用下就出现承载能力破坏的情况；利用适当设置填充加固钢材，使得防爆墙/抗爆板的平面内稳定性也得到大幅度提高，从而能充分发挥其材料强度；同时，结合使用增设的填充加固钢材与连通加固条，使得防爆墙/抗爆板在爆炸冲击作用下截面能更好地保持整体性，应力分布更均匀，从而提高了稳定承载力。进一步地，对于进行弹塑性设计的防爆墙/抗爆板，还能够延缓墙体进入塑性的时间，减轻结构构件的塑性发展，使得防爆墙/抗爆板的侧向位移较小，获得更好的延性比，从而能提供更好的防护效果，确保安全性、经济性得到同时满足。
综上所述，本发明所提供的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法能够使得压型钢板所构成的防爆墙/抗爆板的抗爆性能得到大幅度提高，为处于其后方的人、物提供更安全的庇护，最终减少伤亡事故的发生。由于非军用领域的抗爆安全研究在我国还处于起步阶段，随着人们对生产安全的日益重视，本发明的应用前景非常广阔。
附图说明
图1为爆炸冲击波作用时，压型钢板平面外失稳变形示意图；
图2为爆炸冲击波作用时，压型钢板平面内侧向失稳变形示意图；
图3为根据本发明所述的结构设计方法设计的压型钢板的断面结构图；其中，A-填充加固钢材，B-连通加固条，C-波峰顶，D-波谷底，E-压型钢板；
图4为根据本发明所述的结构设计方法设计的压型钢板的俯视图，其中，B-连通加固条，E-压型钢板，F1-波峰顶的宽度，F2-波谷底的宽度，G-连通加固条的间距；
图5为实施例1中的压型钢板的断面尺寸示意图；
图6为实施例1中的压型钢板与爆源相对位置示意图；
图7为实施例1中的压型钢板仿真模型网格示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施方式。
根据本发明提供的一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，包括以下步骤：S1：根据抗爆冲击设防要求以及防爆墙/抗爆板支承条件，确定压型钢板的尺寸；S2：根据所述压型钢板的尺寸与设防荷载，在所述压型钢板的波峰顶的下侧凹陷和/或波谷底的上侧凹陷内焊接填充加固钢材；并且，在所有波峰顶组成的平面上焊接垂直于所有波峰顶的若干根连通加固条，和/或在所有波谷底组成的平面上焊接垂直于所有波谷底的若干根连通加固条；
在所述压型钢板中，设置有用于连接相邻的波峰顶和波谷底的斜腹板；其中，每个所述波峰顶的宽度相等，每个所述波谷底的宽度相等；并且，所述波峰顶的宽度大于所述波谷底的宽度；所述波峰顶与所述波谷底的厚度相等。
在一个优选实施例中，所述连通加固条的截面为圆形、长方形或方形。
在一个优选实施例中，所述连通加固条的材质选自以下任一种：碳钢、不锈钢、铸铁。
在一个优选实施例中，任意两根相邻的所述连通加固条的间距相等。
在一个进一步优选的实施例中，所述间距为所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度的10～13倍。
在一个优选实施例中，所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度不大于压型钢板厚度的50倍。
在一个优选实施例中，所述斜腹板与翼缘水平面之间的夹角θ不小于45°。
在一个优选实施例中，所述填充加固钢材的厚度不大于压型钢板厚度。
实施例1
现有一爆源TNT当量100kg，持续时间100ms，在距离爆源5m处有一块7m跨度，5mm厚的压型钢板(断面尺寸如图5所示)，抗拉屈服强度345MPa，弹性模量206GPa，泊松比0.3，钢板支撑条件为两端铰接。建立如图6～7所示的仿真模型进行效果对比，模型网格尺寸均不大于0.1m，其中连通加固条间距1m，截面为直径10mm圆钢，抗拉屈服强度400MPa，而填充加固钢材厚度3mm，材料特性与压型钢板一致，计算结果见表1。
表1计算结果汇总表
从上述计算结果可以得知，采用本发明所述的压型钢板，在同样爆炸冲击作用下，位移能明显减小，塑性应变也减小了约28％，而波峰、波谷之间间距与未变形前基本一致。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据抗爆冲击设防要求以及防爆墙/抗爆板支承条件，确定压型钢板的尺寸；
S2：根据所述压型钢板的尺寸与设防荷载，在所述压型钢板的波峰顶的下侧凹陷和/或波谷底的上侧凹陷内焊接填充加固钢材；并且，在所有波峰顶组成的平面上焊接垂直于所有波峰顶的若干根连通加固条，和/或在所有波谷底组成的平面上焊接垂直于所有波谷底的若干根连通加固条；
在所述压型钢板中，设置有用于连接相邻的波峰顶和波谷底的斜腹板；其中，每个所述波峰顶的宽度相等，每个所述波谷底的宽度相等；并且，所述波峰顶的宽度大于所述波谷底的宽度；所述波峰顶与所述波谷底的厚度相等。
2.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述连通加固条的截面为圆形、长方形或方形。
3.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述连通加固条的材质选自以下任一种：碳钢、不锈钢、铸铁。
4.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，任意两根相邻的所述连通加固条的间距相等。
5.根据权利要求4所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述间距为所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度的10～13倍。
6.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述波峰顶的宽度或所述波谷底的宽度不大于压型钢板厚度的50倍。
7.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述斜腹板与翼缘水平面之间的夹角θ不小于45°。
8.根据权利要求1所述的可用于防爆墙/抗爆板的压型钢板的结构设计方法，其特征在于，所述填充加固钢材的厚度不大于压型钢板厚度。
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