建筑物內(nèi)氣體爆炸效應(yīng)簡化計算研究綜述

高康華，趙天輝，孫 松，郭 強

(1.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007;2.解放軍92656部隊，海南 三亞 572000)

當(dāng)前建筑物內(nèi)氣體爆炸事故頻頻發(fā)生，多以爆燃形式出現(xiàn)[1-3]，室內(nèi)氣體爆燃壓力上升速率慢、超壓小(5～50 kPa)，但上升、持續(xù)時間長，峰值多，對結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成極大破壞[4]。建筑物內(nèi)氣體爆炸效應(yīng)研究關(guān)鍵在于確定爆燃壓力及其在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的荷載，而爆燃條件下結(jié)構(gòu)變形、破壞可按現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)抗爆計算方法[5-6]計算，但需注意荷載特點差異引發(fā)結(jié)構(gòu)動力特性的變化。當(dāng)前FLUENT、LS-DYNA等軟件能較好模擬氣體爆炸流場及結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，但計算量大、耗時長，仍需發(fā)展實用、簡化的計算方法。根據(jù)已有研究成果，針對氣體爆炸效應(yīng)評估、防護設(shè)計的工程實用計算方法，從燃氣爆燃壓力特性及其簡化計算模型、結(jié)構(gòu)荷載確定及其動力計算等方面進行綜述，結(jié)合建筑功能特點，探討建筑物內(nèi)燃氣爆燃效應(yīng)簡化計算模型，為進一步研究提供思路。

1 建筑物內(nèi)部燃氣爆燃壓力特性

(1)

式中:c為聲速，γ為絕熱指數(shù)，ρ為密度，Q為混合物比燃燒熱，p為壓力。下標0表示初始燃氣混合物，下標b表示燃燒陣面后方介質(zhì)。N為對稱參數(shù)，對平面波N=0，柱面波N=1，球面波N=2。

2 氣體泄爆壓力的工程實用計算

氣體泄爆壓力工程實用計算方法大多基于室內(nèi)準靜態(tài)壓力假設(shè)，主要包括泄爆壓力關(guān)聯(lián)式和簡化計算模型，前者是基于實驗數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗公式；后者根據(jù)爆燃特征引入合理假設(shè)建立簡化數(shù)學(xué)模型，運用方程描述泄爆過程并求解。當(dāng)前這兩方面研究主要針對中小型規(guī)則幾何空間，考慮中心或末端中部點火、氣體混合均勻、內(nèi)部空敞、泄放口單一等簡單條件。而建筑物內(nèi)爆燃壓力受諸多因素影響(見表1)，應(yīng)根據(jù)具體情況和防護需要，考慮主要影響因素，建立適用于某種條件的計算模型。

2.1 泄爆壓力關(guān)聯(lián)式

泄爆壓力關(guān)聯(lián)式由實驗數(shù)據(jù)擬合得到，參數(shù)較少、形式簡單，便于工程計算；但大多以化學(xué)計量濃度或最佳濃度的某類混合氣體在單一爆室內(nèi)實驗，旨在得到能用于工程泄壓設(shè)計的最大泄爆壓力pred。文獻[23-26] 結(jié)合大量實驗數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)有泄爆壓力關(guān)聯(lián)式的適用范圍和計算精度，指出其適用范圍受實驗條件嚴格限制，部分公式會產(chǎn)生較大誤差。在預(yù)測建筑物內(nèi)泄爆壓力時，關(guān)聯(lián)式無法確定壓力時程，也不能全面考慮建筑功能特點，但可考慮一些主要影響因素并快速估算pred。以下給出幾種關(guān)聯(lián)式，應(yīng)用時根據(jù)實際工況按實驗條件選取。

2.1.1NFPA68-2013公式

NFPA68-2013[11]用下式計算建筑物等低強度封閉體的pred：

(2)

式中：Av為泄爆面積,As為包圍體內(nèi)表面積,pmax為同條件下密閉空間內(nèi)爆燃最大壓力,p0為點燃前初始壓力,Su為混合氣體層流燃燒速度,ρu為未燃混合氣體密度,Gu未燃氣體聲速質(zhì)量流量,λ為火焰速度增強因子,Cd為泄流排放系數(shù),C為泄放參數(shù)。

式(2)將pred與Av和包圍體幾何尺度關(guān)聯(lián)，可用于大型空間、氣體濃度接近化學(xué)計量比、長徑比L/D≤5的情況。γ考慮火焰不穩(wěn)定性、氣體泄放、障礙物等因素產(chǎn)生的湍流效應(yīng)，避免發(fā)生對包含復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的大型建筑物設(shè)計泄放面積偏小的情況，但無法考慮障礙物重復(fù)出現(xiàn)對火焰速度的提高[15]。

2.1.2Molkov廣泛關(guān)聯(lián)式

Molkov等[27]基于實驗數(shù)據(jù)擬合爆燃泄放影響參數(shù)，引入因子πred和Brt建立廣泛關(guān)聯(lián)式：

(3a)

(3b)

式中:Ei為燃燒產(chǎn)物膨脹因子,γu為未燃氣體絕熱指數(shù),V為爆室體積,χ為湍流因子,μ為廣義泄放因子,ΞK為火焰陣面本身褶皺造成的湍流參數(shù),ΞLP為考慮某類燃氣在空氣中優(yōu)先擴散造成火焰褶皺的湍流參數(shù),ΞFR為火焰表面不規(guī)則碎片增長引發(fā)的湍流效應(yīng)參數(shù),Ξu′為考慮初始湍流的參數(shù),ΞAR為考慮爆室長徑比的對火焰陣面影響的參數(shù),ΞO為考慮室內(nèi)障礙物對火焰陣面影響的參數(shù)。該式通過調(diào)整χ/μ值減小計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)間的誤差，可考慮多種因素對pred影響，適用于各種化學(xué)計量參數(shù)混合物在10 000 m3容積范圍爆室內(nèi)爆燃泄放，可用于室內(nèi)初始壓力高達0.7 MPa的情況。但用于低強度封閉體泄爆時忽略靜態(tài)開啟壓力，在用于建筑物泄爆時會產(chǎn)生一定誤差。

2.1.3Mиипуев關(guān)系式

Mиипуев等[28]給出了適用于計算單個長方體房間內(nèi)部pred的關(guān)系式：

(4)

該式考慮火焰陣面自紊流及內(nèi)部構(gòu)件、設(shè)備等障礙物的影響，通過泄放氣體密度考慮房間尺寸及泄壓口面積及分布對pred影響，但未考慮氣流泄放引發(fā)湍流效應(yīng)對火焰速度的影響，室內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)備較為復(fù)雜時，Ai、λ計算難度增大。

2.1.4Dragosavic公式

Dragosavic[29]在體積為20.8～36.0 m3的容器內(nèi)進行天然氣泄爆實驗，考慮爆室體積、泄壓面積和開啟壓力等因素，提出了民宅內(nèi)天然氣爆炸pred計算式:

(5)

式中:pv為玻璃等構(gòu)件破壞壓力，但未考慮湍流效應(yīng)引發(fā)火焰的加速。

2.1.5Sustek公式

Sustek[30]基于58 m3的房間內(nèi)充入部分甲烷-空氣混合物的爆炸實驗數(shù)據(jù)[31]，提出了最大泄爆壓力pred計算式：

(6)

式中：pa為環(huán)境壓力，pi為室內(nèi)點火時的絕對壓力，pv為泄壓口絕對開啟壓力；Vcl為混合燃料體積，取Cd=0.81，取經(jīng)驗系數(shù)KE=5.118；Ki為點火系數(shù)，當(dāng)點火位置在泄壓口對面的墻時取Ki=1，點火位置在混合燃料中間時取Ki=0.75；Ax,v為泄壓口所在墻的面積，SCH4為甲烷-空氣混合物層流燃燒速度。該式考慮爆室內(nèi)部未充滿混合燃料及部分特殊點火位置等因素，可用于各類混合燃料，但同樣未考慮湍流效應(yīng)引發(fā)火焰的加速。

2.1.6Rasbash公式

Rasbash等[32]考慮了混合燃料的層流燃燒速度和泄爆裝置開啟的慣性效應(yīng)，給出了下式:

(7)

式中:χ為湍流因子,Ax,min為最小壁面積,PI為泄爆裝置慣性效應(yīng)影響參數(shù),w為泄壓裝置單位面積質(zhì)量。并與Butlin等[33]在28 m3容器中內(nèi)用化學(xué)計量比的天然氣-空氣爆燃實驗數(shù)據(jù)進行了對比。

2.1.7Cubbage和Marshall關(guān)系式

Cubbage和Marshall[34]基于兩個容積均為28 m3的連通房間內(nèi)氣體爆炸實驗，給出室內(nèi)爆燃時相鄰房間泄爆壓力計算式：

(8)

式中:p1、p2為房間1、2內(nèi)壓力,V1、V2為房間1、2的體積,KW,2AV為房間2中壓力折減系數(shù)平均值,vb為氣體標準燃燒速度,K1,2為房間1、2之間的泄放系數(shù),K2為房間2的泄放系數(shù)。

該式可用于計算某室內(nèi)氣體爆燃時相鄰房間內(nèi)泄放壓力，主要以泄放系數(shù)控制兩個房間壓力變化，未考慮泄爆過程湍流效應(yīng)、泄爆結(jié)構(gòu)開啟等因素，當(dāng)實際工況與實驗條件相差較大時會產(chǎn)生誤差。

2.2 簡化計算模型

當(dāng)前受限空間內(nèi)部泄爆壓力簡化計算模型多采用多域模型：將室內(nèi)爆燃分為密閉空間內(nèi)爆燃和泄放燃燒2個階段，室內(nèi)氣體分為已燃氣體、未燃氣體和火焰陣面3個部分，通過合理簡化，聯(lián)立質(zhì)量守恒、能量守恒方程、氣體狀態(tài)方程和泄流方程等建立的計算模型。通常采用了以下假設(shè)：燃氣、空氣混合均勻并充滿爆室；爆室中心或末端點火；火焰陣面不計厚度，初始為球形，傳播時除與爆室內(nèi)壁接觸部分外，其余陣面仍保持球形；理想氣體，整個過程等熵、絕熱；氣體泄放視為一維氣體從小孔泄流；室內(nèi)爆燃壓力發(fā)展為準靜態(tài)過程；某一時刻僅有未燃或已燃一種氣體泄放；引入湍流因子考慮湍流效應(yīng)對火焰速度的增強等?，F(xiàn)有多域模型研究中[35-37]，盡管控制方程表達式不同，但本質(zhì)一致，主要針對某一時段Δt內(nèi)室內(nèi)壓力、氣體質(zhì)量等物理量變化，建立運動方程組并求解。通過不計與內(nèi)壁接觸面積的火焰燃燒陣面面積Af、傳播速度ST，聯(lián)立等熵壓縮方程得到爆燃產(chǎn)物質(zhì)量mb，如下式：

dλ/dt=(pi/p0)1/γuAfST/V0λ=mb/m

(9a)

式中：m為初始時刻室內(nèi)氣體總質(zhì)量。

根據(jù)未燃氣體消耗量mu，聯(lián)立等熵壓縮方程、質(zhì)量守恒及體積方程可得爆燃產(chǎn)物體積Vb：

式中:β=me/m，me為泄放氣體質(zhì)量；pi為爆燃壓力。若令Vb=Vb(x)，可得火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xdx/dt的表達式。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程、等熵壓縮方程及無耗散定壓燃燒過程中能量守恒，可得：

式中:Q為單位質(zhì)量氣體在定壓燃燒過程中釋放的能量,β可按下式確定：

式中:pe為室外絕對壓力,βγ=[2/(γv+1)]γv/(γv-1),γv為泄放氣體絕熱指數(shù),ρ0為室內(nèi)氣體初始密度。

文獻[38-40]運用多域模型計算單個長方體房間內(nèi)爆燃壓力，可考慮室內(nèi)中心或端部點火，不同燃料濃度、泄放面積、初始泄放壓力、空間尺寸等因素影響。國外應(yīng)用較多的有：DYNAMICS模型[41]可考慮泄爆結(jié)構(gòu)開啟后慣性運動，用于任意形狀的爆室，但爆室最大尺寸與最小尺寸比限定在5∶1之內(nèi)；SCOPE模型[42]考慮了內(nèi)部障礙物、點火點與泄放口位置，以及泄壓口附近泄放氣體點燃產(chǎn)生外部壓力抑制氣體泄放，引發(fā)室內(nèi)壓力增大的情況，適用于單個房間泄爆壓力計算；CLICHé模型[43]可用于計算含有障礙物的多個相連空間內(nèi)任意位置點火的氣體爆炸壓力。這些模型均被大量實驗數(shù)據(jù)所驗證，比泄爆壓力關(guān)聯(lián)式更貼切實際、適用范圍更大，但使用時應(yīng)遵循假設(shè)條件，模型中火焰?zhèn)鞑ニ俣榷酁榻?jīng)驗關(guān)聯(lián)式，是制約簡化模型發(fā)展的主要因素。

2.3 考慮建筑功能特點的簡化計算模型

建筑功能特點使內(nèi)部爆燃壓力發(fā)展更為復(fù)雜，經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式受實驗條件限制較大，爆室長徑比常在3以內(nèi)(該范圍內(nèi)點火位置距泄壓口距離對泄放壓力影響不大[44])，很少考慮障礙物引發(fā)的火焰湍流效應(yīng)，難以反映實際建筑物組合空間、尺寸多樣、內(nèi)部情況復(fù)雜的實際情況；簡化計算模型總體上能較好反映泄爆物理本質(zhì)，適用性較強、計算簡便，但計算精度受假設(shè)條件影響較大。為使壓力預(yù)測更符合實際，應(yīng)從爆燃壓力峰值、上升時間、持續(xù)時間等特征參量出發(fā)，抓住建筑功能影響的主要因素，發(fā)展相應(yīng)的物理子模型，并通過大量各類規(guī)模的實驗數(shù)據(jù)加以驗證?？偟目磥恚ㄖδ軐κ覂?nèi)氣體爆燃壓力計算的影響主要為幾何特征、火焰湍流效應(yīng)、泄爆結(jié)構(gòu)開啟過程3個因素，體現(xiàn)在火焰陣面面積、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃靶箟好娣e等物理量的確定方面。

2.3.1幾何特征的影響

影響建筑物泄爆壓力的幾何特征因素主要包括房間形狀、幾何尺寸和點火位置。簡化計算模型中通過Af計算mb，Af的確定與幾何特征密切相關(guān)。圖3給出了天然氣在立方體容器中心點火時火焰形狀變化[14]，爆燃初始火焰陣面呈球形，隨著氣流泄放會面向泄壓口拉伸而呈現(xiàn)水滴狀，且火焰陣面越靠近泄壓口這一影響越大。

為簡化計算，文獻[35-36,39]將整個泄爆過程中火焰未與爆室內(nèi)壁接觸的陣面均視為球形，并由此確定Af與火焰?zhèn)鞑グ霃絩的幾何解析式，但僅適用于球形、柱形、長方體等簡單、規(guī)則的爆室在內(nèi)部中心或端部中心點火的情況。對任意形狀爆室內(nèi)部任意位置點火的情況，確定Af-r的解析式十分困難，可根據(jù)實際情況借助現(xiàn)有三維建模軟件，以空間幾何體內(nèi)部某點為球心繪制一系列半徑不斷增大的球體，利用相關(guān)命令即可確定半徑為ri的球體與空間幾何體的相交部分的面積或體積，以此擬合出該工況下的Af-r關(guān)系式，但該方法仍無法考慮泄放引發(fā)火焰形狀的變化。泄爆過程中，實際火焰陣面形狀非常復(fù)雜，文獻[40]針對左側(cè)開設(shè)一個泄壓口的單個長方體空間(見圖4)，針對室內(nèi)中心和右端中心點火，將火焰形狀視為橢球體和球體的組合，火焰陣面接觸泄壓口前，室內(nèi)中心點火時Af=(Ae+As)/2，其中Ae、As分別為橢球體和球體部分表面積，右側(cè)端部中心點火時Af=Ae/2，火焰陣面接觸泄壓口后只需減去泄放口外的橢球體面積。

2.3.2爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣仁墙ㄖ镄贡嬎愕年P(guān)鍵。燃料種類、濃度一定的情況下，ST主要受3方面影響，一是建筑物較大尺度的內(nèi)部空間，會使傳播過程中火焰陣面出現(xiàn)各種不穩(wěn)定現(xiàn)象和細胞狀態(tài)結(jié)構(gòu)，陣面出現(xiàn)褶皺并偏離球面形狀；二是泄壓口形狀和位置要滿足建筑使用要求，多樣的布列形式會使氣體泄放造成的火焰湍流效應(yīng)更為嚴重；三是建筑內(nèi)往往含有大量障礙物，其任意性和不規(guī)則性也使引發(fā)的湍流效應(yīng)難以預(yù)測。當(dāng)前簡化計算模型中主要采用燃燒子模型處理火焰?zhèn)鞑栴}[45]，多用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式確定[46]。根據(jù)容器泄爆,有[11,36,47]：

ST=λSu，Su=S0(T/T0)α(p/p0)β，λ=λ1λ2，β1=1.23，β2=0.048 7 m/s

(10a)

式中：T為室內(nèi)溫度，下標0為初始值；S0為標準層流燃燒速度；α、β為溫度和壓力指數(shù)，取α=2.18+0.8(φ-1),β=-0.16+0.22(φ-1)[36]，或α=1.5～2.0,β=-0.25[47]；φ為當(dāng)量比，可取φ=0.8～1.5；λ1為燃燒不穩(wěn)定性系數(shù)；λ2為泄放擾動系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，μ為氣體動力黏度，下標f表示火焰，u、v表示未燃燒和泄放氣體；D為爆室等效水力學(xué)直徑,Dv為泄放口直徑；uv為泄放氣流速度；Refc為臨界火焰雷諾數(shù)，取Refc=15 555Ei-16 667[36]，或Refc=4 000[11]；經(jīng)驗參數(shù)θ與爆室和氣體特性無關(guān)[36]，可取θ=0.39[11]。

上式用于容器泄爆，適用條件為0.04～5 MPa室內(nèi)壓力、298～700 K溫度范圍內(nèi)，通過λ考慮各類因素對ST的影響，使計算大為簡化，若結(jié)合建筑實際工況引入相關(guān)參數(shù)，可更好確定ST，如式(3b)。與爆炸容器相比，建筑物內(nèi)障礙物較多，引發(fā)湍流效應(yīng)更復(fù)雜，當(dāng)前主要在密閉管道內(nèi)研究爆燃火焰湍流效應(yīng)，多為通過實驗對空間幾何特性、阻塞率、障礙物形狀、尺寸、數(shù)量、間距等進行定性分析[48-50]，或運用物理子模型對某特定情況進行詳細數(shù)值模擬[51-53]，缺少適用于定量分析建筑內(nèi)部爆燃火焰湍流效應(yīng)的簡化方法。NFPA68-2013[11],令λ=λ1λ2λ3λ4，并用實驗數(shù)據(jù)驗證[54]，其中λ3為室內(nèi)障礙物影響參數(shù)，Aobs/As<0.4時,λ3=1;Aobs/As≥0.4時,λ3=0.6+Aobs/As。λ4為考慮屋室長徑比L/D的影響參數(shù)，L/D≤2.5時，λ4=1；L/D=2.5～5.0且pred<200 kPa時，λ4=1+[(L/D)/2.5-1]2。文獻[28]考慮障礙物影響時，也將λ視為Aobs/As的函數(shù)，如式(4)。當(dāng)室內(nèi)障礙物繁雜時Aobs計算也十分復(fù)雜，NFPA68-2013[11]給出了相應(yīng)的計算原則。此外，上述計算式中，部分參數(shù)值是通過與實驗數(shù)據(jù)對比調(diào)節(jié)獲得，在用于建筑物內(nèi)泄爆壓力計算時，這些參數(shù)仍需運用相關(guān)實驗數(shù)據(jù)反復(fù)驗證并確定。

2.3.3泄爆結(jié)構(gòu)的開啟過程

建筑物泄壓口往往用泄爆結(jié)構(gòu)封堵，如泄爆門窗、泄爆墻體(屋面)等，室內(nèi)達到開啟壓力后即打開。對于強爆轟狀態(tài)，室內(nèi)壓力和結(jié)構(gòu)荷載瞬間到達峰值，使泄爆結(jié)構(gòu)瞬間開啟，但室內(nèi)設(shè)備和結(jié)構(gòu)很可能在泄壓前就已經(jīng)被破壞，泄壓防護效果不大；對爆燃狀態(tài)，泄壓面積隨泄爆結(jié)構(gòu)開啟過程逐漸增大，這是在計算中應(yīng)當(dāng)考慮的。但現(xiàn)有泄爆關(guān)聯(lián)式大多未考慮泄爆結(jié)構(gòu)開啟過程，部分公式針對某一單位質(zhì)量范圍內(nèi)的泄爆板慣性作用[11]，適當(dāng)增加了泄放面積。為此，在理論簡化計算模型中，可將式(9d)中Av按下式確定：

SCOPE2模型用標準壓力泄放流動關(guān)系式模擬火焰?zhèn)鞑デ胺叫狗趴陂_啟，認為泄壓面積隨著泄放結(jié)構(gòu)開啟而線性增大；文獻[55-56]基于實驗數(shù)據(jù)[57]，考慮鉸支轉(zhuǎn)動式和移動式泄放慣性板的開啟規(guī)律，分析泄放面積形成過程，并將應(yīng)用于CINDY程序；文獻[58]針對不同打開方式的轉(zhuǎn)動式泄爆板，基于板的運動方程確定開啟過程中的有效泄放面積，將其運用到多域模型中，計算了建筑墻體或屋面單獨安裝某類泄爆板的泄放壓力。

此外，易碎性泄爆結(jié)構(gòu)通過爆炸壓力作用下自身碎裂形成泄壓口，泄壓效率取決于結(jié)構(gòu)破壞效果，受到材料性能、幾何尺寸、邊界條件等因素影響，泄爆效率和開啟過程預(yù)測難度大。而在實際情況中部分結(jié)構(gòu)又不可避免的行使著泄爆職能和影響爆燃壓力的發(fā)展，主要有以下3種情況：一是玻璃用作建筑采光和外部裝飾，在內(nèi)部壓力作用下勢必破碎并形成泄壓口；二是建筑非承重磚墻、內(nèi)部隔墻等強度較低的脆性結(jié)構(gòu)，在爆燃壓力作用下可能會先于承重結(jié)構(gòu)破裂形成泄壓孔洞；三是現(xiàn)行圖集[59]中給出了易碎性泄爆結(jié)構(gòu)的制作詳圖，當(dāng)前我國眾多工業(yè)廠房防爆設(shè)計均采用了大面積易碎性的泄爆墻、泄爆屋頂。這幾種情況下泄爆口開啟首要解決泄爆結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題，對爆燃壓力的影響則取決于泄爆結(jié)構(gòu)的開啟過程，目前研究常認為泄壓口瞬間完全敞開，結(jié)構(gòu)的初始破碎壓力即為嚴重破壞壓力[60]，而忽略結(jié)構(gòu)破裂后泄壓面積逐漸增大的過程，這與實際情況差別較大。鑒于易碎性結(jié)構(gòu)主要承受從零到結(jié)構(gòu)破裂時刻對應(yīng)爆燃壓力，可通過實驗和數(shù)值模擬研究其爆炸破壞狀態(tài)，構(gòu)建出關(guān)系式ψ(Δp)，將其作為子模型應(yīng)用到簡化計算模型中。

3 氣體爆燃下結(jié)構(gòu)動力計算

3.1 結(jié)構(gòu)荷載計算

Δp/p0=2γ0(1-ε-1)(ST/c0)3(c0t/r-1)

(11)

式中：r、t為火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和時間。文獻[8]給出了可計算任意火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣认拢細饣旌衔镆痪S爆燃時包括前驅(qū)波和火焰陣面在內(nèi)的整個流動區(qū)域中所有參數(shù)分布的解析關(guān)系式，計算偏差約2%～4%。關(guān)于氣體爆炸波與結(jié)構(gòu)的相互作用，可按沖擊波在剛性表面一維反射計算[8]，以反射超壓作為結(jié)構(gòu)最大爆炸荷載。當(dāng)前對荷載上升、持續(xù)時間研究較少，對考慮氣體爆燃波波動效應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載工程計算方法有待進一步研究。

室內(nèi)氣體爆炸升壓時間一般在100～300 ms范圍，遠大于結(jié)構(gòu)基本周期，文獻[62-63]將其視為靜載作用，但實驗表明，按等峰值靜載計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)與實驗數(shù)據(jù)有較大不同[64]，原因在于忽略材料在動載作用下強度的變化。文獻[18]認為爆炸后期壓力上升速率很大，高壓持續(xù)時間短，如圖5(a)所示，不考慮動力效應(yīng)會產(chǎn)生較大誤差，文獻[19]將該曲線簡化為圖5(b)三角形荷載，其中pv為泄爆超壓，pm為峰值超壓，tv為泄爆時間，tm為峰值時間。為此，工程設(shè)計中常采用等效靜載法，用動力系數(shù)Kd考慮動力效應(yīng)，與荷載、結(jié)構(gòu)頻率和變形程度等相關(guān)[65]。文獻[11]對建筑物等弱強度包圍體強度設(shè)計，將荷載視為直線上升三角荷載(圖5(b)中A點后三角形荷載形式)，考慮壓力升高速率產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)，認為最不利情況時取Kd=1.5。文獻[66]基于實驗數(shù)據(jù)，確定Kd如下：

(12)

3.2 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算

現(xiàn)有爆炸條件下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究主要在化學(xué)爆炸和核爆炸情況下[5]，在結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計和毀傷效應(yīng)快速評估中多采用單自由度等效體系近似計算最大位移和內(nèi)力。與化爆或核爆炸瞬間產(chǎn)生沖擊波相比，室內(nèi)燃氣爆燃條件下，爆燃壓力峰值多、上升時間和作用時間長，結(jié)構(gòu)最大位移、內(nèi)力不一定在振動第一周期，隨著振動循環(huán)次數(shù)增加阻尼衰減影響愈加顯著，受載對象多為工民建結(jié)構(gòu)，設(shè)計時未考慮爆炸動載，樓板、天花板等部分結(jié)構(gòu)存在初始靜載和位移，爆室頂板受載運動引發(fā)柱、墻等承重結(jié)構(gòu)頂部支座軸向壓力變化。當(dāng)前此方面研究主要考慮了上升時間tr、作用時間td對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，如文獻[67]計算表明峰值相同時，tr越大，荷載上升速率越小，結(jié)構(gòu)變形也越?。欢墨I[68]分析了tr/td=0和tr/td=0.4兩種情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的壓力-沖量曲線(p-I圖)，指出在動態(tài)區(qū)某一范圍內(nèi)，上升時間較長的荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力響應(yīng)更大，原因在于加載速率和結(jié)構(gòu)頻率之間的共振。但是，現(xiàn)有文獻對氣體爆燃條件下，結(jié)構(gòu)初始靜載與動載耦合、結(jié)構(gòu)支座邊界受載變化等因素對動力響應(yīng)的影響研究很少。同時，對屋室內(nèi)部產(chǎn)生較高強度的爆燃波及至爆轟波條件下，結(jié)構(gòu)荷載的確定、動力響應(yīng)特性以及泄爆后室內(nèi)壓力的計算方法研究也不多。

4 結(jié) 論

(1)室內(nèi)氣體爆燃壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣让芮邢嚓P(guān)，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小時，壓力發(fā)展可視為準靜態(tài)過程；隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃螅級毫Φ牟▌有?yīng)逐漸明顯，室內(nèi)壓力不均勻，確定結(jié)構(gòu)荷載時應(yīng)考慮壓力波與結(jié)構(gòu)的相互作用。鑒于實際爆燃事故中火焰?zhèn)鞑ニ俣群茈y確定，應(yīng)分別按兩種方法確定爆炸荷載并計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，再取最危險值作為結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計荷載。

(2)按準靜態(tài)假設(shè)計算室內(nèi)爆燃壓力時，經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式適用范圍受實驗條件限制較大，大多為計算最大泄放壓力和泄壓面積，無法確定整個壓力時程。簡化計算模型采用理想幾何特征簡化實際情況，計算泄爆主要物理過程的相關(guān)參數(shù)，使用時應(yīng)考慮爆燃幾何特征、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、泄爆結(jié)構(gòu)開啟過程等建筑功能特點，可采用物理子模型分別考慮這些因素對室內(nèi)壓力的影響，并運用大量實驗數(shù)據(jù)加以驗證。

(3)對氣體爆燃條件下建筑結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)評估和抗爆設(shè)計，應(yīng)充分考慮爆燃荷載的動力效應(yīng)。運用單自由度等效體系計算模型時，應(yīng)考慮爆燃壓力上升、作用時間長、峰值多的特點，以及結(jié)構(gòu)初始靜載與動載耦合、結(jié)構(gòu)支座邊界受載變化等因素對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。

建筑物內(nèi)部氣體爆燃破壞效應(yīng)受較多因素影響，在實際計算時應(yīng)根據(jù)實際工況和防護需要具體分析，引入合理假設(shè)確定適用、簡化的計算模型。

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