爆炸危险性建筑的构造防爆

第一章爆炸危险性建筑的构造防爆为了防止爆炸时建筑构造受到破坏导致建筑物承载能力降低乃至坍塌，必须加强建筑构造的抗爆能力，并采取有效泄压措施降低爆炸的危害程度。一、泄压（一）泄压面积计算爆炸能够在瞬间释放出大量气体和热量，使室内形成很高的压力，为了防止建筑物的承重构件因强大的爆炸力遭到破坏，将一定面积的建筑构、配件做成薄弱泄压设施，其面积称为泄压面积。根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014），有爆炸危险的甲、乙类厂房，其泄压面积宜按式（2-8-1）计算，但当厂房的长径比大于3时，宜将该建筑划分为长径比小于等于3的多个计算段，各计算段中的公共截面不得作为泄压面积。（式2-8-1）式中A—泄压面积（㎡）；V—厂房的容积（m³）；C—泄压比（㎡/m³），其值可按表2-8-1选取。表2-8-1厂房内爆炸性危险物质的类别与泄压比规定值厂房内爆炸性危险物质的类别泄压比C（㎡/m³）氨以及粮食、纸、皮革、铅、铬、铜等K尘＜10MPa·m·s-1的粉尘≥0.030木屑、炭屑、煤粉、锑、锡等10MPa·m·s-1≤K尘≤30MPa·m·s-1的粉尘≥0.055丙酮、汽油、甲醇、液化石油气、甲烷、喷漆间或干燥室以及苯酚树脂、铝、≥0.110镁、锆等K尘＞30MPa·m·s-1的粉尘乙烯≥0.16乙炔≥0.20氢≥0.25注：1.长径比为建筑平面几何外形尺寸中的最长尺寸与其横截面周长的积和4.0倍的该建筑横截面积之比。2.K尘是指粉尘爆炸指数。参照国际上的相关规定和公安部天津消防研究所的有关研究试验成果确定了这一要求，能在一定程度上解决依照规范设计、满足规范要求，但不能有效泄压的问题。有关爆炸危险等级的分级可参照美国和日本的相关规定，见表2-8-2和表2-8-3。表2-8-2厂房爆炸危险等级与泄压比值表（美国）厂房爆炸危险等级泄压比C/（㎡/m³）弱级（颗粒粉尘）0.0332中级（煤粉、合成树脂、锌粉）0.0650强级（在干燥室内漆料、溶剂的蒸气、铝粉、镁粉等）0.2200特级（丙酮、天然汽油、甲醇、乙炔、氢）尽可能大表2-8-3厂房爆炸危险等级与泄压比值表（日本）厂房爆炸危险等级泄压比C/（㎡/m³）弱级（谷物、纸、皮革、铅、铬、铜等粉末醋酸蒸气）0.0334中级（木屑、炭屑、煤粉、锑、锡等粉尘、乙烯树脂、尿素、合成树脂粉尘）0.0667强级（油漆干燥或热处理室、醋酸纤维、苯酚树脂粉尘、铝、镁、锆等粉尘）0.2000特级（丙酮、汽油、甲醇、乙炔、氢）0.2000长径比过大的空间在泄压过程中会产生较高的压力。以粉尘为例，空间过长，在爆炸后期，未燃烧的粉尘-空气混合物受到压缩，初始压力上升，燃气泄放流动会产生紊流，使燃速增大，产生较高的爆炸压力。因此，有可燃气或可燃粉尘爆炸危险性的建筑物不宜建造得长径比过大，以防止爆炸时产生较大超压，应保证所设计的泄压面积能有效作用。（二）泄压设施1.设置当在厂房、仓库存在点火源且爆炸性混合物的浓度合适时，则可能发生爆炸。为尽量减少事故的破坏程度，必须在建筑物或装置上预先开设面积足够大的、用低强度材料做成的压力泄放口。在爆炸事故发生时，及时打开这些泄压口，使建筑物或装置内由于可燃气体、蒸气或粉尘在密闭空间中燃烧而产生的压力泄放出去，以保持建筑物或装置的完好，减轻事故危害。一般情况下，同样等量的爆炸介质在密闭的小空间里和在开敞的空地上爆炸，其爆炸威力不一样，破坏强度不一样。在密闭的空间里爆炸破坏力大得多，因此易发生爆炸的建筑物应设置必要的泄压设施。有爆炸危险的建筑物，设有足够的泄压面积，一旦发生爆炸时，就可大大减轻爆炸时的破坏强度，不致因主体结构遭受破坏而造成重大人员伤亡。2.泄压设施的选择当发生爆炸时，作为泄压面积的建筑构、配件首先遭到破坏，将爆炸气体及时泄出，使室内的爆炸压力骤然下降，从而保护建筑物的主体结构，并减轻人员伤亡和设备破坏。泄压是减轻爆炸事故危害的一项主要技术措施，属于“抗爆”的一种。泄压设施可为轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门窗，但宜优先采用轻质屋面板，不应采用普通玻璃。易于泄压的门窗、轻质墙体、轻质屋面板是指门窗的单位重量轻、玻璃较薄、墙体屋盖材料密度较小、门窗选用的小五金断面较小、构造节点的处理上要求易摧毁和脱落等。用于泄压的门窗可采用楔形木块固定，门窗上用的金属百页、插销等可选用断面小一些的，门窗的开启方向选择向外开，这样一旦发生爆炸，因室内压力大，原关着的门窗上的小五金可能被冲击波破坏，门窗则自动打开或自行脱落以达到泄压的目的。这些泄压构件就建筑整体而言是人为设置的薄弱部位。当发生爆炸时，它们最先遭到破坏或开启，向外释放大量的气体和热量，使室内爆炸产生的压力迅速下降，从而达到主要承重结构不破坏，整座厂房（库房）不倒塌的目的。对泄压构件和泄压面积及其设置的要求如下。1）泄压轻质屋面板。根据需要可分别由石棉水泥波形瓦和加气混凝土等材料制成，分为有保温层或防水层、无保温层或防水层两种。2）泄压轻质外墙分为有保温层、无保温层两种形式。常采用石棉水泥瓦作为无保温层的泄压轻质外墙，而有保温层的轻质外墙则是在石棉水泥瓦外墙的内壁加装难燃木丝板作保温层，用于要求采暖保温或隔热降温的防爆厂房。3）泄压窗可以有多种形式，如轴心偏上中悬泄压窗，抛物线形塑料板泄压窗等。窗户上宜采用安全玻璃。要求泄压窗能在爆炸力递增稍大于室外风压时，能自动向外开启泄压。4）泄压设施的泄压面积按式（2-8-1）和表2-8-1计算确定。5）作为泄压设施的轻质屋面板和轻质墙体的质量不宜大于60kg/㎡。6）散发较空气轻的可燃气体、可燃蒸气的甲类厂房（库房）宜采用全部或局部轻质屋面板作为泄压设施。顶棚应尽量平整、避免死角，厂房上部空间应通风良好。7）泄压面的设置应避开人员集中的场所和主要交通道路，并宜靠近容易发生爆炸的部位。8）当采用活动板、窗户、门或其他铰链装置作为泄压设施时，必须注意防止打开的泄压孔由于在爆炸正压冲击波之后出现负压而关闭。9）爆炸泄压孔不能受到其他物体的阻碍，也不允许冰、雪妨碍泄压孔和泄压窗的开启，需要经常检查和维护。当起爆点能确定时，泄压孔应设在距起爆点尽可能近的地方。当采用管道把爆炸产物引导到安全地点时，管道必须尽可能短而直，且应朝向陈放物少的方向设置。因为任何管道泄压的有效性都随着管道长度的增加而按比例减小。10）泄压面在材料的选择上除了要求质量轻以外，最好具有在爆炸时易破碎成碎块的特点，以便于泄压和减少对人的危害。同时，泄压面设置最好靠近易发生爆炸部位，保证顺利泄压。爆炸时易形成尖锐碎片四散的材料，不应布置在公共走道或贵重设备的正面或附近。有爆炸危险的甲、乙类厂房（库房）爆炸后，用于泄压的门窗、轻质墙体、轻质屋盖就被摧毁，大量的高压气流夹杂爆炸物碎片从泄压面冲出，如邻近人员集中的场所、主要交通道路就可能出现人员大量伤亡和交通道路堵塞，所以爆炸泄压面应避开人员集中场所和主要交通道路。11）对于北方和西北寒冷地区，由于冰冻期长、常常积雪，易增加屋面上泄压面的单位面积荷载，使其产生较大重力惯性，从而使泄压受到影响，因而应采取适当措施防止积雪。总之，应在设计中采取措施尽量减少泄压面的单位质量（即重力惯性）和连接强度。二、抗爆（一）防爆结构形式的选择对于有爆炸危险的厂房和库房，选择正确的结构形式，再选用耐火性能好、抗爆能力强的框架结构，可以在发生火灾爆炸事故时有效地防止建筑结构发生倒塌破坏，减轻甚至避免危害和损失。耐爆框架结构一般有如下3种形式。（1）现浇式钢筋混凝土框架结构。这种耐爆框架结构的厂房整体性能好、抗爆能力强，但工程造价高，通常用于抗爆能力要求高的防爆厂房。（2）装配式钢筋混凝土框架结构。这种框架结构由于梁、柱与楼板等接点处的刚性较差，抗爆能力不如现浇式框架结构。若采用装配式钢筋混凝土框架结构，则应在梁、柱与楼板等接点处预留钢筋焊接头并用高强度等级混凝土现浇成刚性接头，以提高耐爆强度。（3）钢框架结构。这种框架结构虽然耐爆强度较高，但耐火极限低，能承受的极限温度仅为400℃，超过该温度，便会在高温作用下变形倒塌。如果在钢构件外面加装耐火被覆层或喷刷钢结构防火涂料，可以提高耐火极限，但这样做并非十分可靠，只要部分开裂或剥落就会失效，故较少采用。（二）隔爆设施在容易发生爆炸事故的场所，应设置隔爆设施，如防爆墙、防爆门和防爆窗等，以局限爆炸事故波及的范围，减轻爆炸事故所造成的损失。1.防爆墙防爆墙必须具有抵御爆炸冲击波的作用，同时具有一定的耐火性能。防爆墙的构造设计，按照材料可分为防爆砖墙、防爆钢筋混凝土墙、防爆单层和双层钢板墙、防爆双层钢板中间填混凝土墙等。防爆墙上不得设置通风孔，不宜开门窗洞口，必须开设时，应加装防爆门窗。（1）防爆砖墙。只用于爆炸物质较少的厂房和仓库。构造要求：柱间距不宜大于6m，大于6m需增加构造柱；砖墙高度不大于6m，大于6m需增加横梁；砖墙厚度不小于240mm；砖强度等级不应低于Mu7.5，砂浆强度等级不应低于M5；每0.5m垂直高度应增设构造筋；两端与钢混凝土柱预埋焊接或24号镀锌铁丝绑扎。（2）防爆钢筋混凝土墙。理想的防爆墙，构造厚度不应小于200mm，多为500mm、800mm，甚至1m，混凝土强度等级不低于C20。（3）防爆钢板墙。以槽钢为骨架，钢板和骨架铆接或焊接在一起。2.防爆门防爆门的骨架一般采用角钢和槽钢拼装焊接，门板选用抗爆强度高的锅炉钢板或装甲钢板，故防爆门又称装甲门。装配门的铰链时，应衬有青铜套轴和垫圈，门扇四周边衬贴橡皮带软垫，以防止防爆门启闭时因摩擦撞击而产生火花。3.防爆窗防爆窗的窗框应用角钢板制作，窗玻璃应选用抗爆强度高、爆炸时不易破碎的安全玻璃。如夹层内由两层或多层窗用平板玻璃，以聚乙烯醇缩丁醛塑料作衬片，在高温下加压粘合而成的安全玻璃，抗爆强度高，一旦受爆炸波击破能借助塑料的粘合作用，不会导致玻璃碎片抛出而引起伤害。（三）抗爆计算爆炸对结构产生破坏的程度与爆炸的性质和爆炸物质的数量有关。爆炸物质数量越大，积聚和释放的能量越多，破坏力也越大。爆炸发生的环境或位置不同，其破坏作用也不同，在封闭的房间、密闭的管道内发生的爆炸的破坏作用比在结构外部发生的爆炸要严重得多。当冲击波作用在建筑物上时，会引起压力、密度、温度和质点迅速变化，而其变化是结构物几何形状、大小和所处方位的函数。建筑物受破坏的程度不仅和爆炸波的波形、峰值超压及正相持续时间等因素有关，还和建筑物本身的性质如静态强度、自振频率及韧性等有关。建筑物大致分为钢结构、混凝土结构及砖石结构等几大类，国内外针对砖石结构建筑物遭受爆炸波破坏的情况研究得较多。1）当爆炸发生在密闭结构中时，在直接遭受冲击波的围护结构上受到骤然增大的反射超压，并产生高压区。如果燃气爆炸发生在生产车间、居民厨房等室内环境下，一旦发生爆炸，常常是窗玻璃被压碎，屋盖被气浪掀起，导致室内压力下降，反而起到了泄压保护的作用。Dragosavic在体积为20m³的实验房屋内测得了包含泄爆影响的压力时间曲线，经过整理绘出了室内理想化的理论燃气爆炸的升压曲线模型如图2-8-1所示。2-8-1燃气爆炸理论升压曲线模型图2-8-1中A点是泄爆点，压力从O点开始上升到A点出现泄爆（窗玻璃压碎），泄瀑后压力稍有上升随即下降，下降过程中有时出现短暂的负超压，经过一段时间，由于波阵面后的紊流及波的反射出现高频振荡。图2-8-1中Pv为泄爆压力，P1为第一次压力峰值，P2为第二次压力峰值，Pw为高频振荡峰值。该试验是在空旷房屋中进行的，如果室内有家具或其他器物等障碍物，则振荡会大大减弱。对易爆建筑物在设计时需要有一个压力峰值的估算，作为确定窗户面积、屋盖轻重等的依据，使得易爆场所一旦发生燃爆能及时泄爆减压。最大爆炸压力计算公式为式（2-8-2）不适用于大体积空间中爆炸压力估算和泄压计算。2）爆炸冲击波绕过结构物对结构产生动压作用。由于结构物形状不同，围护结构面相对气流流动方向的位置也不同。在冲击波超压和动压共同作用下，结构物受到巨大的挤压作用，加之前后压力差的作用，使得整个结构物受到超大水平推力，导致结构物平移和倾斜。而对于烟囱、桅杆