民用住宅燃气爆炸防护技术现状

民用住宅燃气爆炸防护技术现状

韩永利 陈龙珠

（上海交通大学土木系安全与防灾工程研究所 200240）

摘要 本文简要综述了近期国内较为频繁发生的民宅燃气爆炸事故及其特点、危害及防治措施；结合工业厂房的抗爆防护技术，给出了防民宅连续倒塌的设计方法及构造措施；概括了燃气爆炸荷载的物理力学性质，并提出了值得进一步研究的工作内容。

关键词 燃气爆炸，防爆措施，连续性倒塌，泄压保护，荷载峰值 中图分类号 TU241，TU312+.3

1 近期国内较严重的燃气爆炸事故

自从1968年英国Radon Point公寓燃气爆炸事故[1]之后，燃气爆炸对建筑结构的影响开始引起人们的关注。在我国，随着民用燃气的普及，燃气爆炸事故常见于传媒报道，其发生频率已在不断增加。以下介绍近期我国发生的几起比较严重的燃气爆炸事故：

（1）2007年6月10日，吉林辽源市龙山区书香园小区七号楼七层3单元发生燃气爆炸，爆炸引发火灾并导致一人死亡一人受伤，爆炸冲击波造成数百家居民玻璃、防盗门损坏。

（2）2007年6月5日，温州乐清虹桥镇一幢五层私宅发生燃气爆炸。爆炸点位于发生在该楼的地下室内，楼梯被炸开了一条缝，底楼和地下室完全坍塌，附近居民楼玻璃震碎（如图1所示），爆炸造成一死一伤。

（3）2007年3月14日，陕西省安康市质量技术监督局家属区3号楼二单元六楼发生一起爆炸事故并引起火灾，楼房四层以上严重受损，炸毁房屋3套，造成5人受伤（其中2人重伤），爆炸冲击波致周围80余户居民门窗玻璃不同程度受损。

（4）2007年2月21日21时许，辽宁营口市站前区东昌小区1号居民楼2单元5层发生强烈爆炸并殃及楼上楼下，造成5人死亡、5人受伤，其中4层一户范姓居民家里死了4人，6层楼一位怀孕6个月的女士也不幸遇难。当晚发生爆炸的这户居民家中没人。

（5）2006年11月17日，大连市甘井子区山日街一幢楼房发生燃气爆炸事故。爆炸点在2楼，阳台被炸飞，由钢筋混凝土整体预制的2、3层楼板坍塌并叠压在一层，楼的西侧外墙与南北侧窗间墙之间的连接处被纵向撕开了一条大裂缝，墙体多处断裂、外张，整栋楼随时面临二次坍塌、整体倒塌的危胁，如图3所示；爆炸造成９人死亡１人重伤。

图1 温州乐清2007年“6.5” 燃气爆炸事故 图2 辽宁营口2007年“2.21” 燃气爆炸事故

图3 大连甘井子区2006年“11·17”燃气爆炸事故 图4 辽宁海城2006年“3.15”燃气爆炸事故

（6）2006年3月15日，辽宁省鞍山海城市海州管理区白杨小区发生了燃气爆炸事故。因天然气管道连接胶管发生泄漏，清晨住户打开收音机时引起爆炸，造成1死6伤。爆炸点在5楼，爆炸造成5、6层楼板坍塌，5楼北侧山墙出现明显裂缝，如图4所示。

民用住宅燃气爆炸给人们带来了巨大的生命和财产损失，与人们的生活紧密相关，随着我国民用燃气的普及，对民用住宅如何有效的防止及减少燃气爆炸带来的损失的研究将有着重要的现实意义。

2 建筑防爆的一般措施

我国尚没有关于民用建筑如何进行防爆的规定，但文献[2]~[6]主要针对工业厂房给出了建筑防爆的一些措施和方法：

（1）合理布置建筑的总平面。将有爆炸危险的厂房、仓库集中在一个区段，同其他区段间保持适当的距离，满足通风和防火距离的要求等。

（2）选用较好的抗爆结构。宜采用敞开、半敞开式厂房，采用钢筋混凝土柱、钢柱承重的框架或排架结构。

（3）设置必要的泄压设施。优先采用轻质屋盖，也可以采用轻质外墙和泄压门窗。

（4）设置建筑防爆构配件。如防爆墙、防爆门、防爆窗等，将有爆炸危险的装置同一般装置分隔开；

对于普通的民用建筑可以借鉴工业厂房的防爆措施进行防爆处理。但对于民用住宅而言，首选应当设置足够的泄压面积。

3 民用燃气爆炸的研究现状

国内外已经有大量的关于室内燃气爆炸的研究，包括燃气爆炸荷载的物理力学性质，燃起爆炸的危害、特点及其防治，结构及构件的破坏，以及结构的防连续倒塌、危险性评估等。下面根据文献[7]~[17]予以综述。 3.1燃气爆炸的特点

（1）频率高，偶然性大。在我国大中城市燃气的使用已经相当普及，燃气爆炸事故的数量与燃气用户和燃气消耗量几乎成正比，任何原因造成的燃气泄漏都可能引发燃气爆炸。

（2）灾害具有显著的人为特征。各种原因造成的燃气泄漏及其引发的爆炸都是可以人为的避免的，因而预防的可能性强，人为干涉能力强，与其它灾害相比抗灾措施较易实施。

（3）灾害相对来说比较局部。如局限于某一单体建筑，某一个小区，某一段道路等；爆炸对

结构破坏的程度也较一般化学爆炸为低，且多为室内的爆炸。

（4）常与火伴生，既是火灾的引发源，也是次生灾害，由于燃爆的压力波作用以及可燃介质的传播，因此造成的后果比一般火灾严重。 3.2 燃气爆炸对建筑物的破坏

普通民用住宅的燃气爆炸压力大约只有5~50kPa，因此对建筑物的破坏程度通常较轻。根据燃气爆炸对建筑的破坏程度可以分为以下几种情况：

（1) 填充及装修的破坏。饰面等装修在爆炸作用下或被烧毁或被撕裂，基本无法使用，距爆炸发生处较近的玻璃被震碎等。

（2) 构件的破坏。结构或构件产生较大变形，有较宽的裂缝，混凝土剥落或露筋。程度较轻时，通过修复尚可继续使用，严重时超出构件极限承载能力，必须采取其它补救措施。

（3) 整体破坏。但当结构节点构造措施不利时，在冲击作用下，结构的某一局部成为机构，引起水平或竖向的连续倒塌。 3.3 防连续倒塌的结构设计原则

无论是水平还是竖向连续倒塌，都是局部破坏引起了另一些局部的破坏，使本来合理的路径中断，导致整体倒塌。因此可以从加强一些局部、构造新的传力路径等方面予以研究，并与抗震设计相结合。文献[17]~[22]详细地给出了各种结构的构造措施和设计原则，总的说来可以分为两个方面：

（1）直接设计

在设计过程中提高构件承担意外荷载的能力，避免主要结构构件在爆炸荷载作用下失效；某一支撑发生破坏后存在替代路径把正常荷载沿此路径传递。

（2）间接设计

专门制定规范，规定构件、节点的强度、刚度和稳定性的最小值和构造要求。 3.4 燃气爆炸荷载的特点

根据文献[7]~[17]提供的材料，燃气爆炸荷载具有以下的特点：

（1）升压慢。燃爆升压较慢，可达100~300ms, 正压作用时间长，负压作用不明显。

（2）峰值压力低。在封闭理状态下燃爆的理想最大压力为700kPa，由于泄压的存在，实际中燃爆荷载的峰值压力大都在5~50kPa。

（3）泄压保护。燃气爆炸作用于爆炸空间的各个壁面，常常是窗户、屋盖等薄弱环节被鼓破导致压力下降，称为泄压保护。

（4）燃爆荷载性质

文献[7]和[24]认为燃爆升压时间（100~300ms）与结构构件的基本自振周期（20~50ms）相比，作用时间足够缓慢，基本上不产生动力效应，可以视为静载，破坏荷载就是燃爆压力波的峰值压力。

4 值得进一步研究的问题

（1）民用住宅如何有效泄压

对于工业厂房，轻质屋盖是泄压的首选，而民用建筑不允许将屋盖或楼板作为泄压面积，因此厨房的窗户将作为泄压的首选。文献[25]指出，单独靠增大泄压面积并不能将峰值压力降低到保证建筑物主体结构不受破坏的程度，厨房内如何有效的设置泄压面积还有待于进一步的研究。

（2）防燃爆设计

燃爆荷载不同于地震荷载，燃气爆炸瞬时作用于爆炸空间的各个壁面，对于考虑了抗震设计的建筑仍然有必要进行专门的抗燃爆设计。

文献[2]~[5]给出了工业厂房防爆措施，但民用建筑与工业厂房有很大的区别，这些建筑物能够抵抗什么形式和大小的燃气爆炸，结构和构件能够抵抗多少抗力，整体和细部设计中应当注意什么，

都需要进一步的研究。

（3）考虑动力效应

燃气爆炸荷载虽然动力效应不明显，但对建筑物的作用不能简单的看作均匀施加的静载。推导梁、板、柱等构件在燃气爆炸荷载作用下的动力响应，考察峰值压力和升压时间对动力响应的影响。

（4）燃爆泄压压力的确定

压力峰值计算公式要求泄压时的压力Pv是已知的，化工厂方或防爆车间设计时要求Pv作为其中的一个设计参数考虑，应当针对厨房给出泄压压力的Pv值作为确定厨房泄压面积的依据。 （5）考虑应变率的影响[25][26]

钢材及混凝土的力学性能随着加载速率的改变都会发生明显的改变，在燃爆荷载作用下，钢材及混凝土的应变率效应均应当考虑。

（6）有限元分析

采用ABAQUS 中提供的concrete damaged plasticity模型，通过定义混凝土弹性破坏参数和各受拉与受压塑性性能来代表混凝土的非弹性性质，通过rebar命令模拟钢筋。对燃气爆炸引起的连续倒塌过程及破坏机理进行模拟分析，再现建筑物的倒塌过程。

燃气爆炸荷载可以简化为一个时变的均布荷载（如图5所示），均匀施加在爆炸房间的各个表面，峰值压力P、升压时间T等参数可根据实际情况选取。

超压P泄压点APv时间OTB

图5 燃爆荷载压力—时间曲线

参考文献

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Constructed Facilities，2005：19（2）. 172~177

2．中华人民共和国标准，建筑设计防火规范（GBJ16-1987），2001年版 3．程普章，工业厂房防爆设计，矿冶，2000：107~109

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11．王玉倩、王济川，燃气爆炸及其对建筑结构的影响，第六届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议，2002：833~835 12．江见鲸，建筑工程事故分析与处理，中国建筑工业出版社，1998：375~390，425~441 13．崔京浩、叶宏，燃气爆炸的危害、特点及其防治，消防科技，1994：2~4，15

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18．叶宏、崔京浩，燃气爆炸混凝土空心砌体结构节点构造，工程力学（增刊），1999：3（3）. 297~301 19．叶宏、崔京浩，燃气爆炸钢筋混凝土大板结构节点构造，工程力学（增刊），1999：3（3）. 292~296 20．朱明程、刘西拉，多层砖混建筑的连续倒塌分析. 四川建筑科学研究，1994，02期：833~835 21．刘昌杞，加强大板建筑结构整体连续性的措施，建筑施工，1985：（3）. 41~45

22．陈俊岭、马人乐、何敏娟，防止建筑物连续倒塌的措施，特种结构，2005：22（4）. 13~15

23．陈俊岭、马人乐、何敏娟，偶然事件下框架结构抗连续倒塌分析，四川建筑科学研究，2007：33（1）. 65~68 24．郭文军、崔京浩、江见鲸，燃爆作用下板的动力响应分析，工程力学（增刊），1999：3（3）. 505~509 25．王宝兴、杜兰平、裴惠芬，建筑物爆炸泄压的试验研究，爆炸与冲击，1988：8（1）. 37~44

26．肖诗云、林皋、逯静洲等，应变率对混凝土抗压特性的影响. 哈尔滨建筑大学学报，2002：35（5）. 35~39 27．肖诗云、林皋、王哲等，应变率对混凝土抗拉特性影响. 大连理工大学学报，2001：41（6）. 721~725