变电站建筑抗爆安全性评价与设计建议

陈祖元，高振婷，梁海生，刘能科，陈　佳

(1. 国网上海电力设计有限公司，上海　200080；2. 上海同瑞土木工程技术有限公司，上海　200092)



变电站建筑抗爆安全性评价与设计建议

陈祖元1，高振婷1，梁海生1，刘能科2，陈佳2

(1. 国网上海电力设计有限公司，上海200080；2. 上海同瑞土木工程技术有限公司，上海200092)

对变电站房屋遭受内部爆炸后进行安全性评价，给出变电站房屋抗爆设计建议。首先，在灾害现场调查的基础上，确定可表征荷载特征和结构动力反应的“损伤标识”；其次，建立灾害场景局部数值模型，采用试算法，当实测和计算的“损伤标识”相接近时，确定此局部爆炸荷载；然后，依据爆炸相似律得到房屋内的爆炸荷载分布，并等效为静力荷载；最后，进行结构静力分析，评价变电站建筑的安全性能，给出设计建议。

变电站；爆炸；损伤标识；设计建议

一般认为，变电站爆炸由高压设备短路造成。短路发生时，高压设备中的电弧瞬间释放较大电火花及热量，可能引燃设备中的冷却油而发生爆炸。爆炸会损坏变电站建筑的主体结构(如混凝土框架结构的板、梁和柱)。在房屋重新使用或修复加固前，需要评估结构安全性。这一程序中最关键的一点，是确定爆炸荷载的大小与分布。

爆炸荷载的确定大致有三种方法：

(1) 基于爆炸源可释放能量及能量释放速率，预测自由场中冲击波和正反射冲击波导致的荷载。这种方法适用于爆炸源能量信息可大致确定，且波传递路径较简单的情况；

(2) 采用流固耦合计算方法模拟复杂的爆炸场[1-4]，适用于爆炸源情况基本可以确定，但波传递路径复杂的情况，比如有较多阻碍物形成多次反射和折射，或者有较多泄压口的内部爆炸；

(3) 由灾害现场的动力反应“反算”和估计荷载[5]。即在灾害现场调查的基础上，首先确定可表征结构动力反应的“损伤标识”，然后建立灾害场景的数值模型，采用试算法，当实测和计算的“损坏标识”相接近时，认为数值地重现了灾害场景并得到爆炸荷载。

对于变电站建筑内的设备爆炸，爆炸源可释放能量及能量释放速率未知，考虑到流固耦合计算消耗大且耗时长，本研究采用第三种方法确定爆炸荷载。

采用“损伤标识”方法评估爆炸后结构安全，目前少有报道。本研究首先对S市某变电站爆炸后结构进行安全评估，然后给出此类结构抗爆设计建议，最后给出爆炸后结构安全评估的一般方法。

1　结构安全性评估

1.1爆炸荷载确定

某变电站建筑物占地面积960 m2，总建筑面积2 405 m2。为梁板式筏板基础的现浇框架结构，地上二层，半地下一层。建筑物长42.45 m，宽22.60 m，建筑物总高12.4 m。±0.000 m以上楼板、梁、柱、楼梯均为C30混凝土。±0.000 m标高以下填充墙采用240厚MU10烧结环保型淤泥砖，RM10商品砂浆砌筑。标高±0.000 m以上墙体采用240厚MU7.5烧结环保型淤泥砖，除底层采用RM10商品砂浆砌筑，其余楼层均采用RM7.5混合砂浆砌筑。爆炸发生在1号主变室。假设爆炸发生在主变压器的几何中心位置(图1)。

图1　某变电站1号主变室爆炸场景

爆炸导致房屋外部的铝合金窗户和内部隔墙严重损坏。综合考虑，选取图1中窗户为“损伤标识”，窗户距离爆炸源平均约13.26 m。此铝合金窗户通过6个膨胀螺栓锚固在墙体中。爆炸时螺栓边缘的铝合金被拉断而导致窗户掉落或飞出，但锚固部位以外的窗户部分基本完整。

采用LS-DYNA软件[7]建立一个窗户(平面尺寸1 200×600 mm)在动力荷载下的有限元模型如图3所示，可确定作用在窗户上的爆炸荷载。窗户采用六面体SOLID164显式积分单元。由于窗户基本完整，采用线弹性材料(MAT_ELASTIC)模拟，材料破坏准则取较高值，使得材料在拟施加的动力荷载下不会发生破坏。六个膨胀螺栓处的铝合金失效采用非线性弹簧模拟，弹簧一段连接窗户，另一段固结。综合考虑此破坏形态和铝合金材料性能，近似确定每个弹簧力—位移关系见图2。弹簧的极限拉力为6kN，关键字“MAT_SPRING_ELASTIC”。此处的极限拉力已考虑材料动力效应的因素。爆炸是设备受热膨胀和部分油燃烧引起，因而在空气自由场中，与TNT炸药相比，其超压—时间曲线上超压达到峰值的时间较长。近似取窗户受到的荷载—时间曲线见图3。其中，荷载升压时间10 ms，降压时间90 ms，合计100 ms，峰值荷载通过试算确定。采用单点高斯积分，但可能引起零能模式或称沙漏模态。采用沙漏粘性阻力的办法来解决沙漏问题。单调增加图3中的荷载峰值，不断试算直至弹簧失效，得到此时荷载峰值4.5 kPa。

下一步是确定窗户以外区域的动力荷载，包括以下步骤：(1)由窗户受到的动力荷载峰值确定该处入射超压峰值；(2)根据入射波超压峰值预测表达式确定爆炸源等效TNT当量；(3)基于爆炸相似律确定其他区域入射超压峰值和动力荷载峰值。在步骤(1)中假设反射系数取2，即动力荷载峰值是空气自由场入射波超压峰值的两倍。对于本例超压相对较低以及入射角大多为60～90度的情况，近似取2是基本合理的。由此得到窗户处入射超压峰值2.25 kPa。在步骤(2)中采用Henrych提出的入射波超压峰值ΔPs的预测表达式[6]：

(1)

式中Z——为比例距离(R为爆炸距离；W为TNT炸药的当量)。

当R取13.26 m时，得到发生爆炸的TNT炸药当量为150 g。然后，基于爆炸学中广为接受的爆炸相似律(表述为：两个不同尺寸、相同成分、几何相似的炸药在相同大气中爆炸时，在相同的比例距离上产生幅值相等的相似爆炸波)由式(1)得到其他区域入射波超压峰值。仍然考虑反射系数取2，得到这些区域相应的动力荷载峰值。

图2　爆炸荷载下窗户有限元模型

图3　模型中的爆炸荷载—时间曲线

窗户时间—位移曲线如图4所示。

图4　窗户时间—位移曲线

1.2等效静力荷载分布

在目前的结构设计理论与框架中，动力荷载(风、地震等)一般是转化成等效静力荷载，然后进行结构静力学分析。对于爆炸荷载，根据结构动力学知识，以及静力和动力荷载下内力等效原则，可得到构件的动力系数。用动力系数乘以爆炸荷载峰值得到等效静荷载[6-7]。此处选择“人防规范”中的方法，即

qe=KdPc

(2)

式中qe——作用在墙上的均布等效静荷载标准值；Kd——动力系数；Pc——作用在墙上的动荷载峰值。

其中Kd的取值按式(3)计算：

(3)

式中[β]——结构构件的延性系数，在本例取1.25。

由此得到距离爆炸源不同距离处的等效静力荷载见表1。

表1　距离爆炸源不同距离处等效静力荷载表

1.3结构分析与评估结果

采用等效静荷载法进行结构动力计算时，宜将结构体系拆成顶板、外墙、底板等结构构件，分别验算[8]。

现场检测发现，隔墙Q1损坏明显。该墙长9.6 m高5 m，该墙与主体结构采取柔性连接，故取四边简支。施加等效静力荷载时，将Q1沿长度和高度方向分别划分7个和5个单元，根据单元距离爆炸点的距离施加不同的等效静力均布荷载，如图6所示。砌体抗剪强度标准值为0.272 MPa[11]，不考虑材料动力效应。仅考虑自重，不考虑地震和风荷载。计算结果显示，Q1墙体中间位置偏上和下部剪应力最大，最大值为0.291 MPa，大于砌体抗剪强度标准值。其他部位应力相对较小。墙体中部水平向位移最大值为12.1 mm。这和图1中的墙体开裂情况基本相符。建议该墙拆除重砌。类似地，对混凝土顶板、柱和梁逐一进行了计算，结果均满足承载力要求。

图5　墙Q1等效静力荷载分布

2　评价一般流程

从上例可以看出，房屋遭受爆炸后的安全性评价一般流程如下：

(1)灾害现场调查

包括查明爆炸源地点、类型和原因；受爆结构受损情况描述与记录；拟房屋结构的几何、配筋、材料、荷载等信息。

(2)确定“损伤标识”

该标识的目的是估计局部爆炸荷载的大小，它应可最大程度地表征爆炸荷载特征和结构的动力反应。常见的“损伤标识”包括非结构构件的破损特征或位移，如本例。此外，也可是结构构件或非结构构件在不同部位的破坏程度信息链，比如，通过比较不同距离处玻璃的破碎和非破碎情况，估计爆炸源信息。

(3)建立结构局部数值模型

采用试算法，依据实测和计算的“损伤标识”相吻合的原则，确定“损伤标识”部位的爆炸荷载信息。根据爆炸相似律，获得房屋遭受爆炸荷载的分布信息。

(4)评估受爆结构的安全性能

将爆炸动力荷载转化为等效静力荷载。进行结构静力学分析，根据结果评估结构安全性能。必要时综合其他现场检测结果，给出评估结论。

3　设计建议

变电站房屋防爆设计可从建筑选址、房间布置、结构选型、抗爆及泄压措施等方面考虑。

变电站尽量避免建设在人员聚集、学校、繁忙道路等处。条件允许时，可以规划为地下变电站，减少发生爆炸时对周围环境的危害。由于爆炸发生在主变室，故不宜将主变室布置在房屋临街一侧。此外，可考虑采用具有一定防爆功能的隔墙，将主变室与周围房间隔开，减少爆炸扩散范围。条件允许时，主变室布置在变电站当地全年主导风向下方，以考虑防火。采用延性好，抗倒塌能力强的结构体系，比如混凝土框架结构。

抗爆及泄压措施包括：

①主变室周围墙体优先采用网状配筋砌体，或设置构造柱和扶壁柱，以提高墙体承受爆炸荷载的能力；

②主变室周围墙体与周围梁柱应有可靠牢固的拉结措施；

③在墙体上应力比较大的区域设置泄压口。同时，应泄压口的位置也要仔细考虑，使得无论泄压至相邻房间还是室外，应确保冲击超压不会对设备和人群造成伤害；

④安装防爆门窗或防爆窗网；

⑤爆炸源上方的楼板可适当配置钢筋，以抵抗作用方向向上的爆炸荷载作用。

4　结语

基于“损伤标识”方法，以某变电站受爆为例，给出了变电站房屋发生爆炸后的结构安全性评价一般性方法。方法的步骤包括灾害现场调查、确定“损伤标识”、建立结构局部数值模型、以及评估受爆结构的安全性能。此外，从建筑选址、房间布置、结构选型、抗爆及泄压措施等方面，还给出了变电站建筑防爆设计一般性建议。

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(本文编辑：赵艳粉)

Blast-Resistant Safety Evaluation and Design Suggestions of Substation Constructions

CHEN Zhu-yuan1, GAO Zhen-ting1, Liang Hai-sheng1, LIU Neng-ke2, CHEN Jia2

(1. Shanghai Electric Power Design Co., Ltd., Shanghai 200080, China；2. Shanghai Tongrui Civil Engineering Technology Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

This paper made safety evaluation after internal explosion of the substation buildings, and gave substation building antiknock design suggestions. First of all, on the basis of investigation at the scene of the disaster, it determined the load characteristics and damage identification of structural dynamic response. Second, the disaster scene local numerical model was set up, and when the measured and calculated damage identification were close, the test algorithm was used to determine the local explosion load. Then, on the basis of the explosion similarity law to get the house explosion load distribution, and obtain the equivalent static load. Finally, after the structural static analysis, the substation construction safety performance was evaluated and design suggestions were proposed.

substation; explosion; damage identification; design suggestions

10.11973/dlyny201604010

陈祖元(1963)，男，高级工程师，主要从事电力工程设计工作。

TM63

A

2095-1256(2016)04-0448-04

2016-02-29