基于性能的建筑构件抗爆设计流程研究

王 子 琪

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)



基于性能的建筑构件抗爆设计流程研究

王 子 琪

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)

将基于性能的设计方法引入建筑构件抗爆设计中，从确定爆炸荷载、性能等级、参数选择范围、设计参数等方面，介绍了基于P—I曲线图法的设计流程和设计步骤，并根据“投资—效益”准则，提出了抗爆构件的费用优化模型。

建筑构件，抗爆设计，爆炸荷载，性能等级

基于性能的设计方法是根据业主要求与建筑的具体情况完成其性能目标的设计，对于基于性能的建筑结构抗爆设计方法，国内外许多学者在抗震和抗爆设计方面做了大量研究。Cornell CA与Krawinkler H[1]将灾害强度指标(IM)、工程需求参数(EDP)、损伤指标(DM)和决策变量(DV)等参数通过整体概念表达式整合到一起，将性能评估过程有机地联系起来。Whittaker等[2]将样品强度评估、工程需求参数和性能等级应用到抗爆设计，并比较了性能设计方法在抗爆和抗震设计中的异同。Mohamed Ali与Louca[3]在总结了各国设计规范之后，提出了一般设计步骤，如图1所示。国内于润清等[4]提出了建筑结构的基于性能设计主要有3个步骤:1)根据业主或使用者提出的要求确定性能目标；2)根据性能目标进行结构设计；3)对结构进行性能目标的验证。唐玉等提出了基于“投资—效益”准则的性能目标优化决策模型计算结构全寿命总费用。

综上所述，基于性能的结构抗爆设计的研究刚刚起步，基于性能的构建抗爆设计也远未成熟，还有许多系统性的研究需要进行。

1 基于性能的构件抗爆设计基本流程

作为结构抗爆设计的一部分，构件的抗爆设计是其中的关键与核心。借鉴国内外基于性能的抗震设计和基于性能的抗爆设计的研究，提出结构构件基于性能的抗爆设计的基本流程，如图2所示。并以钢筋混凝土梁为例，提出基于性能的构建抗爆设计的具体步骤。

1.1 确定爆炸荷载

根据历史统计数据或已有设计规范规定的设防等级确定爆炸荷载。丁阳等[5]提出了建筑结构抗爆设防烈度及其对应的炸药TNT当量，如表1所示。GB 50038—2005人民防空地下室设计

规范[6]则给出了不同防核武器抗力等级与防常规武器抗力等级下结构构件的等效静荷载。

表1 抗爆设防烈度及其对应的炸药TNT当量

1.2 确定性能等级

在确定梁构件可能承受的爆炸荷载后，根据客户的需求与建筑的使用功能确定整体结构的防护等级；然后根据钢筋混凝土梁构件的重要程度，查找CEDAW[7]提出的构件损伤等级划分,如表2所示，以确定梁构件的性能等级；再根据构件的性能等级，查找表3，确定构件的性能限值。

表2 构件损伤等级划分

表3 爆炸荷载作用下钢筋混凝土构件损伤准则 %

1.3 确定参数选择范围

以荷载的超压与冲量值为参考，利用式(1),式(2)[8]所示超压及冲量渐近线的计算公式，反推出梁构件目标性能等级对应的最大抗力和构件质量的最小值与最大值，确定参数选取的大致范围。

(1)

(2)

1.4 确定设计参数及验证

提出多组组合进行试算，绘制P—I曲线图，对设计参数是否符合性能目标进行验证。如图2所示为利用数值模拟拟合出的标准的RC梁构件弯曲与剪切破坏各性能等级P—I曲线，由图2可知，弯曲破坏超压渐近线值较小，冲量渐近线较大；剪切破坏超压渐近线值较大，冲量渐近线较小。剪切轻微破坏准静态渐近线以下区域为弯曲变形控制，弯曲未破坏冲量渐近线以左为直剪破坏控制，其余区域由弯曲和剪切破坏共同控制。

每个性能等级由剪切破坏和弯曲破坏的P0或I0较小值控制，图3中，区域Ⅰ～Ⅴ依次对应性能等级为轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全破坏。将荷载超压—冲量组合投影到特定梁构件的P—I坐标图中，便可快速定位此组梁构件的性能等级。

2 基于“投资—效益”准则的费用优化模型

一般利用如图1所示设计流程可以得到多组符合性能目标的设计参数，此后还需对这些构件的全寿命花费进行评估，在建筑结构整体全寿命花费评估的基础上，本文提出基于“投资—效益”准则的构件性能目标优化模型，主要包括初始造价和失效损失两个方面:

(3)

其中，Wmin(x,Id)为目标函数;x为设计变量(构件的设计参数);Id为目标性能等级；α1,α2均为加权系数，可由设计人员根据业主对初始造价和失效损伤的期望进行设置；C1(x,Id)为构件的初始造价；PFi(x,Id)为构件失效达到性能等级i(i≤Id)的概率；[PFi]为相应的目标值；CFi为达到性能等级i时的失效损失；gj(x)≤0为与设计方法有关的确定性约束条件。

选取Wmin(x,Id)的最优解作为设计的最终方案，兼顾了安全性、适用性和经济性。但需要注意的是，在进行建筑结构抗爆设计时，具体构件的费用优化需要同整体的结构性能目标和优化设计相匹配。

3 结语

基于性能的构件抗爆设计方法主要分为5个步骤，确定爆炸荷载、确定性能等级、确定参数选择范围、确定设计参数及验证、构件全寿命费用计算。其与现行的基于可靠度的抗爆设计有着本质的区别，基于可靠度设计是通过控制可靠度实现预期的结构性能，而基于性能的抗爆设计是研究结构构件达到的不同的性能状态，设计时直接控制结构的性能目标，更能适应多样化的业主要求和性能目标。

[1] Cornell CA, Krawinkler H. Progress and challenges in seismic performance assessment[J]. PEER Center News,2000,3(2):1-3.

[2] Whittaker A, Hamburger R O, Comartin C, et al. Performance-based engineering of buildings and infrastructure for extreme loadings[A]. Proceedings of the AISC-SINY Symposium on Resisting Blast and Progressive Collapse. American Institute of Steel Construction[C]. New York,2003:1-11.

[3] Ali R M M, Louca L A. Performance based design of blast resistant offshore topsides, Part I: Philosophy[J]. Journal of Constructional Steel Research,2008,64(9):1030-1045.

[4] 于润清,方 秦,陈 力,等.建筑结构构件基于性能的抗爆设计方法[J].工程力学,2016(11):75-83.

[5] 丁 阳,方 磊,李忠献,等.防恐建筑结构抗爆防护分类设防标准研究[J].建筑结构学报,2013,34(4):57-64.

[6] GB 50038—2005,人民防空地下室设计规范[S].

[7] CEDAW (Component Explosive Damage Assess-ment Workbook) Final Report[R]. U. S. Army Corps of Engineers, Protective Design Center,2005.

[8] 陈俊杰,高康华,孙 敖.爆炸条件下结构超压—冲量曲线简化计算研究[J].振动与冲击,2016(13):224-232.

The study on performance-based design procedure of blast-resistant structure members

Wang Ziqi

(CollegeofDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

The paper leads the performance-based design methods to the blast-resistant structure members, introduces the design procedure and design steps based onP—Icurve from the identification of the blast load, performance gradation, parameter selection scopes, and design parameter, and according to the “investment benefit” principle, points out the cost optimization model for the blast-resistant members.

architectural component, blast-resistant design, blasting load, performance gradation

1009-6825(2017)11-0054-02

2017-02-09

王子琪(1991- )，男，在读硕士

TU352.1

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