基于有限元方法的燃气爆损结构应急性鉴定方法

侯东序, 刘 晓, 马云飞, 南国海, 孟凡程, 马悦献

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044;2. 法库县城乡建设事务服务中心 工程质量监督服务部, 辽宁 沈阳 110400;3. 康平县城乡建设事务服务中心 建设工程安全质量事务服务部, 辽宁 沈阳 110500;4. 沈阳市建设工程质量检测中心有限公司 技术咨询部, 辽宁 沈阳 110004)

燃气爆炸是一种不稳定的燃烧波传播过程,烃类物质爆轰波速可达1 800 m·s-1,温度会迅速升至2 500 ℃以上.多、高层建筑结构空间狭小,可燃物质释放的能量被气体本身所吸收,爆炸压力会瞬间升至初始压力的7～8倍[1],因此一旦发生燃气爆炸事故,即会造成严重的人员伤亡和巨额的经济财产损失[2],对建筑结构的损伤更是不容小觑.

在爆炸事故的处理过程中,尽快掌握爆损建筑结构的安全状态是一切后续工作的前提.然而由于爆炸事发突然,结构内部状况错乱复杂,结构鉴定工作无法第一时间开展,加之传统评估方法步骤烦琐,导致事故善后处理工作低效拖沓,在此过程中容易引发更为严重的二次事故或社会问题.因此高效准确地评估爆损结构安全性是处理燃气爆炸事故的重要环节,意义重大.

目前已有很多学者针对燃气爆炸对建筑结构构件的损伤及评估方法进行了研究,李建国等[3]研究认为钢筋混凝土结构只要现浇成整体,节点构造牢固可靠,具有良好通畅的泄爆路径,即可很好地防止连续倒塌.季海峰等[4]通过有限元研究提出了针对高层剪力墙结构的检测鉴定及加固方法,指出检测时应详细检测墙体损伤情况,以判断墙体在峰值压力作用下的受力状态.张志伟等[5]以2例煤气爆燃工程实例,分析了降低煤气爆炸损失的举措及建议.蔡向荣[6]以某多层住宅楼燃气爆炸为例,介绍了燃气爆炸后住宅楼的主体结构损伤破坏情况,并给出了受损结构的检测鉴定结果和相应的处理方案.然而上述研究均是基于常规方法进行的检测鉴定,侧重于对爆损结构应急性评估的方法研究还未见报道.

本文基于实际爆损工程现场检测结果进行研究,利用燃气爆炸理论建立爆损结构有限元模型;通过有限元ABAQUS软件Explicit动态模块模拟爆炸状态,并划定结构爆损范围;以爆损范围内的局部构件的检测结果进行结构分析鉴定,提出高效准确的爆损结构安全性评估方法.

1 实际爆损工程检测与鉴定

1.1 工程概况

某建造于1997年的7层民用住宅建筑,钢筋混凝土框架结构,楼板由空心预制板搭铺,结构层高为2.8 m,内隔墙为黏土实心砖填充,外墙为黏土实心砖砌筑,桩基础形式.建筑平面布置如图1所示,整个建筑由3个独立结构单元组成,单元之间设置伸缩缝.2018年5月,该建筑4层3-4-2室南侧房间(粗实线框范围)内发生燃气爆炸事故,造成人员伤亡和一定的经济财产损失.

图1 受损结构平面布置Fig.1 Layout of damaged structure

1.2 结构安全性鉴定

事故发生后,检测鉴定人员第一时间赶至现场.但由于现场状况混乱,结构内部损伤状况尚不明确,加之现场弥漫爆燃产生的毒性气体,鉴定人员无法直接进行检测操作.为避免发生二次事故,鉴定人员待结构内部安全支撑及防护条件完善后,爆炸后8 h后方进场实施检测.

该工程爆炸事故发生于乙单元,且与甲、丙单元之间存在伸缩缝区隔有关,故检测鉴定工作以乙结构单元为重点.由于无法确定爆炸对结构影响的确切范围,依据《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344—2019)[7]的相关规定,现场抽取乙单元内共计80个构件进行检测.经对检测结果进行数据处理及批量评定后,依据《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)[8]评定方法,将该工程评定为Dsu级,鉴定工作共历时4 d.

2 爆损结构应急性安全评估方法探索

由上述燃气爆损工程检测鉴定案例可见,传统的结构安全性鉴定耗时费力,效率低下,无法满足燃气爆损结构应急性安全评估速度的要求,亟需探索针对爆损结构的更为高效准确的灾后安全性评估方法.

2.1 无人机宏观勘察爆炸现场

无人机小巧轻便,且可任意搭载便携式可见光及红外光摄像头.使用搭载摄像设备的无人机深入爆炸核心现场,不受现场条件限制.无人机搭载可见光镜头可以第一时间对结构外观及内部进行清晰的勘察,搭载红外镜头更能准确地进行构件损伤识别及生命搜救,且无人机有距离定位功能,遥感控制可获取准确的方位参数,特别适合于爆损建筑结构外部与内部的勘察.

2.2 爆炸中心位置初估

通过无人机检测,即可第一时间识别爆炸核心区内各构件损伤状况及位置,根据各相邻构件状态进行分析,估算爆炸中心位置.

此次爆炸事故中,爆炸核心位于图1粗实线框范围内.通过宏观检查,受损范围顶预制板严重烧灼,断裂变形,向上凸起约260 mm,预制板边缘与框架梁顶部全部脱离,梁表面有烧灼痕迹(图2(a)),但支座梁未见可见变形.底预制板全部下凹断裂坍塌,掉落下层(图2(b)).西侧隔墙及外墙在爆炸冲击作用下全部倒塌(图2(c)).东侧墙体未倒塌,但灼损痕迹明显(图2(d)).综合爆炸核心区的状况,核心区局部构件损坏严重,但整体结构状态稳定.

(a) 顶板凸起(b)底板下凹(c) 西侧隔墙及外墙倒塌(d) 东侧墙体烧灼严重

爆炸区范围内构件均不同程度受损,构件损伤情况及承受超压范围如表1所示,由结构构件损伤状况可以初估各构件爆炸瞬间承受冲击波超压状况[9],在同一空间中,构件承受统一冲击波,不同构件所承受的超压随构件刚度及爆炸核心距离不同存在差异.

表1 爆炸核心区构件损伤情况Table 1 The situation ofspecimens in explosion core area

按照构件变形理论,爆炸点到相邻构件垂直距离ai可按式(1)计算.

(1)

式中:a为房间总开间尺寸或总进深;Pi为估算的构件承受冲击波超压最大值,数值如表1所示;ti为所计算构件厚度;li为所计算构件跨度;i=1,2.

在此例工况中,经计算,爆炸点位于距离外墙约为1 650 mm处,且接近爆炸房间开间方向的中线位置.

2.3 爆炸当量估算

在气体爆炸相关研究中,目前最常用的爆炸力模型方法即TNT当量法,即将燃气爆炸能量转化为TNT爆炸能量,以TNT等效当量折算燃气发生爆炸的能量.

根据文献[8]理论,室内燃气爆炸产生的蒸汽云TNT当量按式(2)计算.

WTNT=AρQvtQf/QTNT.

(2)

式中:WTNT为燃气爆炸蒸汽云的TNT当量,kg;A为质量系数,取0.04;ρ为天然气密度,取0.746 kg·m-3;Qv为天然气体积流量,按15 mm直径燃气管道计算,取7.88×10-4m3·s-1;t为燃气泄漏时间,s;Qf为天然气的燃烧值,取28.97 MJ·kg-1;QTNT为TNT爆炸热,取4.52×103kJ·kg-1.

将WTNT转化为TNT炸药体积为

VTNT=WTNT/ρTNT.

(3)

式中ρTNT为TNT的平均密度,取1.5 g·cm-3.

经燃气部门调查,此次燃气爆炸燃气泄漏时长约为7 200 s,由式(2)及式(3)可计算出其相当于723 mm3TNT炸药爆炸.

2.4 爆炸影响范围估算

2.4.1 有限元模型

通过爆炸核心区构件状态及刚度确定爆炸点位置,也可以通过燃气爆炸TNT当量法求出燃气爆炸所等效的TNT炸药体积.通过有限元建模方法模拟确定燃气爆炸的影响范围.

采用有限元软件ABAQUS进行模拟分析,以动态分析模块Explicit模拟爆炸作用.以TNT当量法模拟燃气爆炸效应.

由无人机现场检测情况可见,单点燃气爆炸对于相邻结构构件具有一定影响,但结构相邻层与爆炸区域非直接接触,构件受爆炸影响并不大,因此有限元建模时仅以本层结构为一个模拟单元.结构主体墙体及层间预制板均采用Solid实体单元模拟,预制混凝土板与横向圈梁间采用铰接约束方式,即仅进行竖向约束而不进行转动约束,以此模拟预制板的搭接.为提高建模分析结构效率,构件混凝土和砌体均采用弹塑性模型进行模拟[10].

TNT体积可按爆炸当量体折算为立方体,仍采用Solid实体单元进行模拟,TNT材料选取EOS模型中JWL状态方程(式(4)),相关参数取值如表2所示[11].

(4)

式中:P为压力;V为相对体积;E为初始比内能;A、B为直线系数;R1、R2、w为非直线系数.

表2 数值模拟参数Table 2 Parameters in numerical simulation

2.4.2 爆炸全过程模拟

经上述方法建模分析,模拟爆炸结构状态如图3所示.此次燃气爆炸事故属单点爆炸,爆炸区域顶板及底板受损严重,爆炸区域相邻墙体及墙下梁受损严重,对其他结构构件并未造成较大影响.各预制板缝之间在爆炸作用下出现微小位移,但并未形成损伤.模拟受损构件与实际结构构件破坏基本吻合.

由有限元分析可见.爆炸起爆于图3所示范围内板上.两侧墙体及底板首先出现较大应力,如图3(a)所示.随后爆炸云膨胀,双侧墙体出现应力集中现象(图3(b)),同时顶板、梁瞬间应力增大,爆炸云向后端墙蔓延(图3(c)),爆炸冲击效应通过板间缝隙及通道传递,爆炸核心相邻构件全部受损,如图3(d)所示.由图3可见,爆炸影响区域模拟受损构件与实际检查受损构件一致性较强.

(a) 爆炸过程墙体波及区域(b) 爆炸波及区域扩大(c) 爆炸过程外墙及侧墙波及区域(d) 爆炸极限结构形态

2.5 爆损结构应急性安全评估鉴定

经有限元分析,在爆炸作用下,应力增大范围内共涉及21个构件.对涉及的构件进行强度、变形、烧灼深度检测,并将检测结果带入结构模型中进行计算,非涉及构件均按设计强度及尺寸进行计算,即可完成对爆损结构的应急安全评估.经分析计算,该结构安全性等级被评定为Dsu级[8],评定结果与传统评定方法一致.

3 鉴定方法比较

对燃气爆损结构进行应急性安全评估流程如图4所示.由图4可见,本文评估方法可以最大程度地统筹各流程,并且利用有限元分析后,可以大幅度减少检测抽样数量,从而节约了成本,提高了效率.经对比,传统方法鉴定该爆损结构安全等级至少需要74 h,而本文论述方法仅需39 h即可完成,鉴定总体时长约节省48%.

图4 爆损结构应急性安全评估流程对比Fig.4 Comparison of safety evaluation process of damaged structure

4 结 论

1) 燃气爆炸事故后的现场情况混乱复杂,采用无人机携带红外光及可见光摄像设备进行勘察,即可以高效准确地辨识爆损结构构件损伤等内部状况,又有利于协助进行生命体的搜寻,适合于此类爆损结构的宏观检查.

2) 借助ABAQUS有限元软件的Explicit动态分析模块,可以较为准确地对爆炸影响构件应力集中状态及结构内爆炸影响区域进行模拟划定.爆炸核心位置可通过相邻构件在冲击波超压下的状态及构件刚度决定;燃气爆炸能量相当的TNT炸药体积可通过基于TNT当量分析法推导的方法进行计算.

3) 本文所述的基于无人机现场勘察、爆炸理论分析及有限元ABAQUS动态模拟方法,可以高效准确地对燃气爆炸等爆损结构安全性进行应急性的评估鉴定,在文中所示案例中,其鉴定结果与传统结构鉴定方法鉴定结果一致,鉴定总体时长约节省48%.