CN112507556A - 一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法 - Google Patents

一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，包括步骤：(1)基于等效单自由度法，建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程；(2)根据构件自振周期选取迭代求解时间间隔，确定构件位移递推公式；(3)联立位移递推公式、运动方程求解位移，并绘制等效自由度系统的位移随时间的变化曲线，并根据变化曲线获取构件峰值位移；(4)根据构件峰值位移，求取构件的支座转角，利用支座转角评估爆炸对墙体构件的破坏效应。本发明考虑结构动力体系阻尼的影响，通过双向受力模型考虑墙体四周同时受到支座支撑力，更为接近墙体实际受力情况，相比单向受力模型能够更加准确地评估燃爆事故中建筑墙体的损伤。

Description

一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法
技术领域
本发明涉及建筑抗爆性能评估技术领域，具体涉及到一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法。
背景技术
石化场所爆炸事故破坏极大，往往造成重大人员伤亡和经济损失。对于人员集中建筑物，根据相关研究，在爆炸事故中高达75％的民众伤亡来自于爆炸导致的建筑物玻璃、墙体等破片的飞溅伤害，即二次破片伤害，而非来自于爆炸波的直接作用的伤害。
新建抗爆建筑、对既有建筑物进行抗爆能力提升改造，防止爆炸事故引起多米诺效应、建筑物整体倒塌及爆炸碎屑飞溅可显著地降低爆炸事故中的财产损失及人员伤亡。建筑物抗爆设计前，进行爆炸安全性风险评估是必要的技术措施。
然而目前石化建筑墙体设计，多采用等效静荷载法、单向板受力模型。对于瞬态爆炸冲击结构动力计算，静载荷法不再适用，而单向板受力与墙体实际受力情况差异较大，不能准确评估墙体抗爆性能。
发明内容
有鉴于此，本发明根据爆炸冲击波相关参数、建筑物特征计算建筑物各受力面实际爆炸荷载，改变传统单向受力模型，采用更符合墙体实际情况的双向受力模型，提供了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，包括以下步骤：
(1)基于等效单自由度法，建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程：
Figure BDA0002832035320000021
式中：Me-构件等效质量；
Ke-构件等效刚度；
Ce-系统等效阻尼系数；
Fe-等效荷载；
Figure BDA0002832035320000022
-构件在x方向的加速度；
Figure BDA0002832035320000023
-构件在x方向的速度；
x(t)-构件的位移；
定义等效质量系数KM与等效荷载系数KL：
KM＝Me/Mt
Figure BDA0002832035320000026
Mt-构件实际质量；
Ft-实际荷载；
K-构件刚度；
C-系统阻尼系数；
采用中心差分方法迭代求解运动方程，运动方程表达式为：
Figure BDA0002832035320000024
(2)根据构件自振周期T选取迭代求解时间间隔Δt，确定构件位移递推公式；
对于前墙构件，t＝0时，构件速度为0，第一时刻位移：
Figure BDA0002832035320000025
对于侧墙、屋顶及后墙构件，t＝0时，构件加速度为0，第一时刻位移：
Figure BDA0002832035320000031
(3)联立位移递推公式、运动方程求解位移，并绘制等效自由度系统的位移随时间的变化曲线，并根据变化曲线获取构件峰值位移xmax；
(4)根据构件峰值位移xmax，求取构件的支座转角θ，利用支座转角θ评估爆炸对构件的破坏效应；
其中支座转角θ计算式为：
Figure BDA0002832035320000032
式中：θ-构件的支座转角；
b-构件的长边尺寸；
xmax-构件的峰值位移。
进一步地，所述步骤(1)还包括以下步骤：
(1.1)将运动方程进一步化解为：
Figure BDA0002832035320000033
(1.2)确定构件等效质量系数KM与等效荷载系数KL：
λ＝a/b
对于四边简支双向受力模型：
KL＝6.25λ4-17.639×λ3+18.437×λ2-8.6379×λ+2.009
KM＝0.0089×λ2-0.1948×λ+0.425
对于四边固定双向受力模型：
KL＝0.463×λ3-0.9524×λ2+0.4382×λ+0.5108
KM＝-0.2×λ+0.51
式中：
a-墙体短边尺寸；
b-墙体长边尺寸；
(1.3)确定抗力函数R(x)
(a)对于钢筋混凝土墙，当双向受力构件在弹性范围内时，墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000041
Figure BDA0002832035320000042
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000043
Figure BDA0002832035320000044
式中：Mp-构件极限弯矩；
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；
受剪承载力：
Vn＝0.17(fdc)0.5bd
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；
(b)对于砌体墙，当双向受力构件在弹性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000045
Figure BDA0002832035320000051
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000052
Figure BDA0002832035320000053
式中：Mp-构件极限弯矩
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；
受剪承载力：
Vn＝2(0.012Mmo+0.05)bh/3
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
式中：
Mcr-极限弯矩承载力；
Mmo-砌体砂浆强度；
b-截面宽度；
h-截面高度；
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；
(1.4)确定系统阻尼系数C
确定构件临界阻尼系数：
Figure BDA0002832035320000054
系统阻尼系数C取构件临界阻尼系数值的5-10％。
综上所述，本发明具有以下优点：本发明提供了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，本发明改变传统单向受力模型，采用更符合墙体实际情况的双向受力模型，且考虑了墙体结构动力体系阻尼的影响，能够更加准确地评估燃爆事故中建筑墙体的损伤。
附图说明
图1为建筑物墙体简化图；
图2为墙体受力模型对比图；
图3为墙体构件抗力简化示意图；
图4为支座转角示意图；
图5为实例计算结果对比图；
其中，1为建筑物墙体；2为加固物；
具体实施方式
本发明提供了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，主要包括以下步骤：
步骤1、基于等效单自由度法，建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程；
基于等效单自由度法，将建筑物墙体运动简化为特征方向上的一维运动，如图1所示。
在等效单自由度系统中，定义四个基本作用力：等效外载荷、等效抗力、惯性力、阻尼力。等效外载荷是来自爆炸作用的瞬时动态作用力，即Fe(t)。等效抗力来自于模型中弹簧单元的恢复力和结构势能，用Kex(t)表示。惯性力定义为模型中有效质量的惯性作用力，即
Figure BDA0002832035320000061
Figure BDA0002832035320000062
是构件在x方向的加速度。阻尼力大小与构件速度成正比，方向与构件振动速度方向相反，用
Figure BDA0002832035320000063
由图1可得到爆炸荷载作用下结构响应的运动方程为：
Figure BDA0002832035320000064
定义等效质量系数KM与等效荷载系数KL：
KM＝Me/Mt
Figure BDA0002832035320000071
式中：Me-构件等效质量
Mt-构件实际质量
Fe-等效荷载
Ft-实际荷载
Ke-构件等效刚度
K-构件刚度
Ce-系统等效阻尼系数
C-系统阻尼系数
运动方程变为：
Figure BDA0002832035320000072
构件抗力R(x)＝Kx，运动方程进一步化解为：
Figure BDA0002832035320000073
采用中心差分方法迭代求解运动方程
Figure BDA0002832035320000074
步骤2、根据构件自振周期选取迭代求解时间间隔，确定构件位移递推公式；
为保证求解精度，迭代求解时间间隔Δt取构件自振周期T的1/10，
Figure BDA0002832035320000075
对于前墙构件，t＝0时，构件速度为0，第一时刻位移：
Figure BDA0002832035320000076
对于侧墙、屋顶及后墙构件，t＝0时，构件加速度为0，第一时刻位移：
Figure BDA0002832035320000081
步骤3、联立位移递推公式、运动方程求解位移，并绘制等效自由度系统的位移随时间的变化曲线，并根据变化曲线获取构件峰值位移；
步骤4、根据构件峰值位移，求取构件的支座转角，利用支座转角评估爆炸对墙体构件的破坏效应；
爆炸荷载作用下建筑物构件的允许变形常采用支座转角表示，支座转角θ定义如图4所示。选择适合损伤评估准则来评估爆炸对构件的破坏效应，对于构件在爆炸冲击波下的损伤破坏评估十分重要。对于不同类型构件应该采用不同损伤准则，如表1所示。
其中支座转角θ计算式为：
Figure BDA0002832035320000082
式中：θ-构件的支座转角；
b-构件的长边尺寸；
xmax-构件的峰值位移。
表1 构件损伤判断标准
构件类型 低威胁 中威胁 高威胁
钢筋混凝土墙 2.0° 4.0° 6.0°
砌体墙(单向受力) 0.5° 0.75° 1.0°
砌体墙(双向受力) 0.5° 1.0° 2.0°
石化建筑墙体一般与框架整体浇筑，或使用拉结筋将墙体与两侧混凝土构件拉结在一起。如图2所示，单向受力模型仅考虑墙体顶部、底部受到支座支撑力，双向受力模型考虑墙体四周同时受到支座支撑力，更为接近墙体实际受力情况。因此，采用双向受力模型对墙体进行结构动力分析。
对于四边简支双向受力模型：
λ＝a/b
KL＝6.25λ4-17.639×λ3+18.437×λ2-8.6379×λ+2.009
KM＝0.0089×λ2-0.1948×λ+0.425
对于四边固定双向受力模型：
KL＝0.463×λ3-0.9524×λ2+0.4382×λ+0.5108
KM＝-0.2×λ+0.51
式中：
a-墙体短边尺寸
b-墙体长边尺寸
构件的抗力是倾向于将构件恢复到其静态位置的内力。外部载荷作用下构件实际抗力曲线如图3(a)所示，为便于设计计算，假设构件达到极限位移xu后，构件抗力Ru不再发生变化，简化后构件抗力曲线如图3(b)所示。
a.钢筋混凝土墙
弯曲承载力：
a＝As fdy/(0.85fdcb)
Mp＝As fdy(d-a/2)
当双向受力构件在弹性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000091
Figure BDA0002832035320000092
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000101
Figure BDA0002832035320000102
式中：Mp-构件极限弯矩。
构件受力变形过程中由弹性阶段过渡到弹塑性、塑性阶段。为充分发挥构件变形吸能能力，节约建造成本，一般按照弹塑性水准进行石化建筑抗爆设计。
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值。
受剪承载力：
Vn＝0.17(fdc)0.5bd
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x。
b.砌体墙
弯曲承载力：
Mp＝(0.0216Mmo+0.12)bh2/6
当双向受力构件在弹性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000103
Figure BDA0002832035320000104
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure BDA0002832035320000105
Figure BDA0002832035320000111
式中：Mp-构件极限弯矩
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值。
受剪承载力：
Vn＝2(0.012Mmo+0.05)bh/3
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
式中：
Mcr-极限弯矩承载力
Mmo-砌体砂浆强度
b-截面宽度
h-截面高度
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x。
(4)阻尼系数
构件临界阻尼
Figure BDA0002832035320000112
系统阻尼C一般取临界阻尼值的5-10％
将等效质量系数KM、等效荷载系数KL、抗力函数R(x)、阻尼系数C代入运动方程中，联立位移递推公式求解，得到等效自由度系统位移x随时间变化曲线，由位移时程曲线即可得到构件峰值位移xmax。
为了便于本领域技术人员充分理解本发明的优点，通过实例计算、模型对比对本发明的计算结果进行了分析。
由爆炸安全性评估确定建筑物处冲击波超压为30kpa，正压作用时间60ms。建筑物长度25.5m，宽度9.5m，高度6.35m。钢筋混凝土墙位于迎爆面，墙体与冲击波前进方向夹角为90°。钢筋混凝土墙计算高度为5m，混凝土强度C30。
将等效质量系数KM、等效荷载系数KL、抗力函数R(x)、阻尼系数C代入运动方程中，联立位移递推公式求解，得到等效自由度系统位移x随时间变化曲线，由位移时程曲线即可得到构件峰值位移xmax。
由图5可以看出，相同爆炸荷载作用下，同一墙体单向受力模型最大位移75.4mm、支座转角1.73°，接近低威胁范围上限。双向受力模型最大位移8mm、支座转角0.26°，属于低威胁。双向受力模型计算最大变形量小于单向受力模型，这是由于墙体考虑双向受力后，墙体抗力大幅度提高。双向受力模型较单向受力模型更为接近墙体实际受力情况，采用双向受力模可以显著降低抗爆墙设计材料成本。同时，双向受力抗爆墙剪切力提高，因此必须保证抗爆墙与梁柱牢固连接，以达到双向受力的目的。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，包括以下步骤：
(1)基于等效单自由度法，建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程：
Figure FDA0002832035310000011
式中：Me-构件等效质量；
Ke-构件等效刚度；
Ce-系统等效阻尼系数；
Fe-等效荷载；
Figure FDA0002832035310000012
-构件在x方向的加速度；
Figure FDA0002832035310000013
-构件在x方向的速度；
x(t)-构件的位移；
定义等效质量系数KM与等效荷载系数KL：
KM＝Me/Mt
Figure FDA0002832035310000014
Mt-构件实际质量；
Ft-实际荷载；
K-构件刚度；
C一系统阻尼系数；
采用中心差分方法迭代求解运动方程，运动方程表达式为：
Figure FDA0002832035310000015
(2)根据构件自振周期T选取迭代求解时间间隔Δt，确定构件位移递推公式；
对于前墙构件，t＝0时，构件速度为0，第一时刻位移：
Figure FDA0002832035310000021
对于侧墙、屋顶及后墙构件，t＝0时，构件加速度为0，第一时刻位移：
Figure FDA0002832035310000022
(3)联立位移递推公式、运动方程求解位移，并绘制等效自由度系统的位移随时间的变化曲线，并根据变化曲线获取构件峰值位移xmax；
(4)根据构件峰值位移xmax，求取构件的支座转角θ，利用支座转角θ评估爆炸对构件的破坏效应；
其中支座转角θ计算式为：
Figure FDA0002832035310000023
式中：θ-构件的支座转角；
b-构件的长边尺寸；
xmax-构件的峰值位移。
2.如权利要求1所述的燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，所述步骤(1)还包括以下步骤：
(1.1)将运动方程进一步化解为：
Figure FDA0002832035310000024
(1.2)确定构件等效质量系数KM与等效荷载系数KL：
λ＝a/b
对于四边简支双向受力模型：
KL＝6.25λ4-17.639×λ3+18.437×λ2-8.6379×λ+2.009
KM＝0.0089×λ2-0.1948×λ+0.425
对于四边固定双向受力模型：
KL＝0.463×λ3-0.9524×λ2+0.4382×λ+0.5108
KM＝-0.2×λ+0.51
式中：
a-墙体短边尺寸；
b-墙体长边尺寸；
(1.3)确定抗力函数R(x)
(a)对于钢筋混凝土墙，当双向受力构件在弹性范围内时，墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure FDA0002832035310000031
Figure FDA0002832035310000032
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure FDA0002832035310000033
Figure FDA0002832035310000034
式中：Mp-构件极限弯矩；
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；
受剪承载力：
Vn＝0.17(fdc)0.5bd
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；
(b)对于砌体墙，当双向受力构件在弹性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure FDA0002832035310000041
Figure FDA0002832035310000042
当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：
Figure FDA0002832035310000043
Figure FDA0002832035310000044
式中：Mp-构件极限弯矩
对于弹塑性阶段，墙体抗力R取R1、R2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；
受剪承载力：
Vn＝2(0.012Mmo+0.05)bh/3
Rs＝Vnb/(0.5b-h)
式中：
Mcr-极限弯矩承载力；
Mmo-砌体砂浆强度；
b-截面宽度；
h-截面高度；
墙体极限承载力Ru取R、Rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；
(1.4)确定系统阻尼系数C
确定构件临界阻尼系数：
Figure FDA0002832035310000045
系统阻尼系数C取构件临界阻尼系数值的5-10％。
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