李嘉良，馬東輝，安 韶

（1.北京工業(yè)大學抗震減災研究所，北京 100124；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

天津港“8·12”特大火災爆炸事故建筑物及非結構構件破壞特征

李嘉良1，2，馬東輝1，安 韶1，2

（1.北京工業(yè)大學抗震減災研究所，北京 100124；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

為了研究分析天津港“8·12”特大火災爆炸事故對建筑物及非結構構件造成的破壞特征，為城市防災規(guī)劃中安全距離劃定提供依據(jù)，在詳盡的災害現(xiàn)場調查及相關數(shù)值計算基礎上，建議了一種綜合描述近場和遠場沖擊波超壓峰值與比例距離關系的表達式.通過與實際建筑物及其玻璃的破壞情況的對比驗證，并根據(jù)爆炸能量大小和距爆炸源的距離不同，以及可能造成的人員傷亡情況，將災害危害范圍劃分為不同的破壞等級，可為城市防災規(guī)劃編制提供借鑒.

爆炸；三硝基甲苯（TNT）；沖擊波；峰值超壓

北京時間2015年8月12日23時30分許，位于天津濱海新區(qū)的天津東疆保稅港區(qū)瑞海國際物流有限公司所屬危險品倉庫集裝箱堆場，裝有危險品的集裝箱起火，在消防隊員滅火過程中現(xiàn)場先后發(fā)生2次爆炸，造成輕軌東海路站建筑及周邊居民樓嚴重受損.經(jīng)國務院調查組認定，本次爆炸事故是一起特別重大生產(chǎn)安全責任事故，最終致165人遇難［1］.據(jù)中國地震臺網(wǎng)記錄本次事故的波形圖可以清晰看到，第1次爆炸近震震級ML約2.3級，相當于3 t三硝基甲苯（TNT）釋放的能量，而30 s后的第2次爆炸，近震震級約2.9級，相當于21 t TNT［2］釋放的能量.

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，化工、煤炭等工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟的增長做出了重要貢獻.但是，我國化工企業(yè)環(huán)境復雜多變，管理水平較弱，也發(fā)生了數(shù)次爆炸事故，造成了嚴重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失［3］.

1　建筑物破壞分布特征

1.1爆炸的定義

爆炸是指在足夠小的容積內(nèi)以極短的時間突然釋放出能量，以致產(chǎn)生一個爆源向有限空間傳播的一定幅度的壓力波，即該環(huán)境里發(fā)生了爆炸［4］.爆炸發(fā)生后，由于爆轟產(chǎn)物對周圍空氣的強烈壓縮，產(chǎn)生壓強很高的初始沖擊波，并向周圍傳播和擴散，瞬間便可在附近的建筑墻體和建筑玻璃發(fā)生正反射或斜反射.

建筑物尤其是建筑玻璃在受到強大的沖擊波的作用后，在極短的時間內(nèi)發(fā)生變形.單元板面或整體板面在力的作用下開始向沖擊波的初始方向退后，并把沖擊波壓力傳遞到玻璃框的橫梁與立柱上.當沖擊波作用在玻璃面板上，由于玻璃為脆性材料，更易發(fā)生破壞，當沖擊波壓力到達玻璃的承受極限時，玻璃即可能發(fā)生破碎，甚至發(fā)生玻璃碎片飛濺現(xiàn)象；當橫梁和立柱受到的作用力超過其承受荷載時，玻璃的整體結構即發(fā)生破壞.

1.2玻璃破壞總體分布

2015年8月15日，即爆炸事故發(fā)生后的第3 d，本文調查小組對爆炸發(fā)生源周圍5 km以內(nèi)進行了實地調查，收集了相關資料并選取部分建筑及其玻璃進行研究.通過分析，對本次爆炸事故中建筑物玻璃的破壞特征有了較為明確的認識，也發(fā)現(xiàn)了幾個與以往不同的陌生破壞現(xiàn)象，并做了一些驗證性工作和分析，初步掌握了此次天津爆炸事故建筑物玻璃破壞的基本特征.

由于警方戒嚴和對于安全的考慮，調查組對距離爆炸源2～5 km的若干處建筑物及其玻璃破壞特征進行了實地考察，大致分為5個區(qū)域共21處建筑物，如圖1所示，紅色圓點為采集點.

1.3實際破壞與理論破壞的對比情況

據(jù)中國地震臺網(wǎng)方面公布的數(shù)據(jù)，此次爆炸事故從波形記錄結果看，先后共有2次爆炸，第1次爆炸相當于3 t TNT釋放的強度，而第2次爆炸相當于21 t TNT，如圖2、3所示.

沖擊波在傳播過程中的波陣面上壓力是衰減的.首先，波陣面隨著沖擊波的傳播不斷擴大，使其單位面積上的能量降低；其次，隨著沖擊波的傳播，機械能逐漸轉化為熱能所消耗，不同介質間的摩擦也消耗了一部分能量，從而導致維持著沖擊波運動的能量降低.

目前，研究者大多用沖擊波壓力、沖量、超壓峰值和持續(xù)時間等參數(shù)來描述TNT爆炸所產(chǎn)生的入射沖擊波傳播規(guī)律，沖擊波的大部分參數(shù)通常用比例距離來表示［5］.比例距離可以定義為

式中:r為比例距離，m/kg1/3；R為觀測點與爆炸中心的距離，m；W為爆炸有效質量，kg.

通過大量的實驗和分析結果，可以得到很多計算空氣沖擊波超壓峰值（Δp）的經(jīng)驗公式，研究人員常用的有如下幾種形式:

Brode（1955）認為TNT爆炸沖擊波超壓峰值Δp計算公式［6-7］為

Henrych（1979）給出的空氣中沖擊波超壓峰值Δp計算公式［5］為

文獻［8］建議TNT球型裝藥在無限空間中爆炸時的沖擊波超壓峰值Δp計算公式為

M.A.Sadovskyi根據(jù)模型相似律理論建立公式，由試驗確定系數(shù)，得到高爆炸藥沖擊波超壓峰值Δp計算公式［7］為

本文通過綜合比較，在計算沖擊波超壓峰值Δp時，在比例距離處于15 m/kg1/3范圍內(nèi)采用我國《爆破安全規(guī)程》GB6722—2014［9］建議的公式，而在考慮遠場沖擊波超壓峰值預測中，選擇文獻［10］建議的公式，這樣既滿足了不同比例距離的計算精度要求，又可在無限空間爆炸范圍內(nèi)滿足廣度的要求.

另外，超壓準則是以沖擊波超壓峰值作為判斷破壞的唯一標準，不計時間對超壓的影響.當沖擊波的超壓大于或等于某一臨界值時，會對目標（建筑物、設備設施等）造成一定程度的毀傷.通過對以往大量爆炸現(xiàn)場的調查，以及對資料的總結得出如表1所示的沖擊波對建筑物的破壞情況.

表1　沖擊波對建筑物的破壞情況［11］Table 1 Destruction of buildings induced by shock wave

根據(jù)上述公式，作者采集了16棟建筑物的相關數(shù)據(jù)和破壞特征，代入爆炸有效質量時考慮了2次爆炸的疊加效應，即W取24 t TNT，相關分析如表2所示.

2　案例具體分析

爆炸都是以沖擊波的傳播方式向四周擴散，若在空曠場地中爆炸作用效力存在明顯的衰減規(guī)律，進而對建筑物的破壞程度也有明顯規(guī)律，但是，實際情況往往要比空曠場地復雜得多，例如，建筑樓群的布局特征（建筑物間距、排列方式等）、單個建筑物高寬等幾何特征都會對沖擊波的傳播產(chǎn)生影響，進而影響到作用在目標上的爆炸荷載.

在空曠場地中，爆炸波的入射角度、馬赫半徑、馬赫高度以及臨界爆炸距離都將隨著爆炸點高度、距離的改變發(fā)生變化.在城市復雜環(huán)境中，由于周圍建筑物的阻擋，爆炸沖擊波將發(fā)生反射、衍射或產(chǎn)生“引導效應”等，使得爆炸波的傳播更趨復雜，明顯區(qū)別于簡單空曠場地中的傳播機理.建筑物的外部造型特征和建筑物之間的布局等，對爆炸波的傳播也有著顯著影響.因此，在城市復雜環(huán)境中，作用在周圍建筑物上的爆炸荷載也更為復雜，其所造成的破壞后果也更趨難以預測.為了避免這類災害，應分析城市中的一些環(huán)境特征對爆炸波的傳播及爆炸荷載的影響，提出一些行之有效的防爆措施，確保各類結構物一旦在發(fā)生爆炸的情況下能夠最大限度地承受爆炸的沖擊，有效降低爆炸的災害程度.

表2　各建筑物實際破壞與理論破壞對比Table 2 Comparison between the actual and theory damage of buildings

2.1具體案例分析與對比

玻璃通常是建筑物中最薄弱的部分.與樓板、墻、柱等其他構件相比，較低的壓力就可以使玻璃破壞.過去的爆炸事件表明，大規(guī)模外部爆炸事故發(fā)生后，幾km外的玻璃都受到了破壞.在市區(qū)范圍內(nèi)的爆炸事件中，震落的玻璃成為道路行人受傷的主要原因，并且街道上大量的玻璃碎片給救援和清理帶來很大的不便.

下面就根據(jù)本次爆炸具體的實地調查結果進行分析，總結了下述一些規(guī)律.

1）同一座建筑玻璃破壞程度大體上正立面比背立面嚴重，正立面玻璃破壞程度上層大于下層，背立面則正好相反.

對湯淺有限公司未完工樓的正立面（見圖4（a））和背立面（見圖4（b））玻璃破壞情況分析，面向爆炸源的建筑物正立面玻璃基本全部損壞，大部分窗框也基本脫落，而建筑物的另一側，即背對爆炸源的背立面上的玻璃基本沒有損壞.

另外，按樓層高度的區(qū)別，正立面的玻璃破壞程度大體趨于一致，最高層的玻璃和窗框全部脫落，而首層的窗框無脫落現(xiàn)象，但玻璃基本破碎.對于背立面的玻璃破壞程度，只有首層出現(xiàn)了玻璃或窗框損壞現(xiàn)象.

2）高層建筑正立面的破壞程度小于背立面.

在距離爆炸源約1 300 m的萬科金域藍灣高層居民樓，出現(xiàn)了正立面（見圖5（a））玻璃破壞程度比背立面（見圖5（b））破壞程度小的現(xiàn)象，建筑物正立面只有少數(shù)部玻璃出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，而背立面出現(xiàn)了大部分玻璃破碎和窗框脫落的現(xiàn)象，據(jù)筆者推測除了建筑物高度較高的原因之外還和其建筑形式有關系，即此建筑物長寬比過大，形成了條形形式的平面，室內(nèi)在沖擊波傳播方向的狹小空間產(chǎn)生了巨大的正負壓強差異.

3）具有夾道效應［12］，即2座距離很近的建筑物對立面墻的玻璃破壞異常嚴重.

在建筑物之間的“夾道效應”起初是指2棟距離較近的建筑物所引起的其表面局部風壓分布大幅度增加的現(xiàn)象，此次現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，該結論同樣適用于爆炸沖擊波的研究，即沖擊波在2個建筑之間發(fā)生爆炸時，爆炸波的傳播和產(chǎn)生的超壓荷載要比空曠場地中或僅有單個建筑物時要復雜.爆炸波除了發(fā)生繞流等特征外，相鄰2棟建筑物之間還存在著相互干擾.如圖6所示，在相鄰2棟建筑物中，在不相鄰的墻面上（見圖6（a））的玻璃基本完好，只有個別玻璃發(fā)生了破壞.而在相鄰的2個墻面（見圖6（b））上，由于2棟建筑物之間距離太小，產(chǎn)生了俗稱的“夾道效應”，相互對立的玻璃發(fā)生了更為嚴重的破壞.故建筑物之間距離的不同對爆炸造成的破壞后果也不同.

4）無支撐面積越大，長寬比越小的玻璃破壞越嚴重.

Kadi等［13］分析了建筑設計對玻璃窗爆炸響應的影響，通過分析證明，減少玻璃窗的無支撐面積和使用較大的長寬比可以提高玻璃窗抗擊荷載，包括爆炸荷載的能力.通過圖7、8可以看到，在本次爆炸事故中也體現(xiàn)了這種結論，長寬比越小的近似正方形的玻璃越容易發(fā)生破碎，而相反，長寬比越大的近似長方形的玻璃越不容易發(fā)生破碎.

另外，若是沖擊波發(fā)生在強度和剛度較大的玻璃上，玻璃輕易不會發(fā)生破壞，而沖擊荷載便傳遞到窗框上，而發(fā)生玻璃窗框整體變形或脫出的情況，從而造成砸擊等傷亡事故，如圖9萬科高層住宅樓和圖10某單層廠房所示.

5）玻璃幕墻的抗沖擊波能力明顯好于建筑玻璃，其危害圈大致僅約2 km.

調查組還分析了此次天津爆炸事故中，建筑物玻璃幕墻的破壞情況，位于距離爆炸源3 200 m的湯淺公司未完工辦公樓正立面（見圖11），可以明顯地看到建筑玻璃幾乎全部破碎以及窗框大部分脫出，而處于同一立面的玻璃幕墻則完好無損.位于1 800 m的濱海國際會展中心為斜拉框架結構（見圖12），作為圍護結構的玻璃幕墻遭到了損壞.故可以總結以下結論，玻璃幕墻的抗沖擊波能力明顯好于普通玻璃，且相比后者的5 km破壞圈，玻璃幕墻的破壞范圍基本在爆炸源周圍2 km左右.

2.2爆炸作用下建筑物的破壞等級

經(jīng)過上述分析對本次爆炸事故造成的建筑物破壞情況進行了總結和比較，在2 km危害圈內(nèi)建筑物結構產(chǎn)生了少量的破壞，而玻璃大部分都遭到了嚴重的破壞，在5 km危害圈內(nèi)造成的破壞基本都是玻璃的損壞.為了估計爆炸對周圍建筑物及非結構構件的破壞程度，降低人員傷亡和經(jīng)濟損失，根據(jù)爆炸能量大小和距爆炸源的距離不同，本文將危害范圍劃分為不同的破壞等級（見表3）.從而根據(jù)具體的建筑物重要程度和使用功能等因素進行相應的防爆措施，也可以在城市抗震防災規(guī)劃的修訂方面進行補充.

表3　爆炸沖擊波對建筑物玻璃和窗框的破壞等級Table 3 Damage grade of glass and window framesinduced by shock wave

3　結 論

通過較詳盡的現(xiàn)場調查以及相關資料分析和現(xiàn)場勘察，本文對“8·12”天津爆炸事故造成的建筑物玻璃破壞特征取的了初步認識，并通過與以往的研究結論進行了對比分析，結果總結如下:

1）通過對TNT爆炸沖擊波超壓峰值的已有研究成果進行比較，提出一種綜合描述近場和遠場沖擊波超壓峰值與比例距離關系的表達式，通過計算結果與現(xiàn)場勘查情況的對比分析，驗證了此計算模型的可信性.

2）本次爆炸事故破壞范圍廣，基本延伸到了爆炸源周圍5 km的范圍圈內(nèi)，通過調查發(fā)現(xiàn)在低層或多層建筑物中，同一座建筑玻璃破壞程度正立面比背立面嚴重，而立面玻璃破壞程度上層大于下層，背立面正好相反.在高層建筑方面，正立面的破壞程度小于背立面，造成這種差異的原因可能是這2種建筑高度及平面形式以及室內(nèi)的狹小空間內(nèi)沖擊波產(chǎn)生的正負壓強.在2座或多座距離很近的建筑物中，夾道效應使2座距離很近的建筑物對立面墻的玻璃破壞異常嚴重，距離越近，破壞越嚴重.對于絕大多數(shù)遭到損壞的玻璃而言，無支撐面積越大，長寬比越小的玻璃破壞越嚴重，而若是沖擊波發(fā)生在強度和剛度較大的玻璃上，玻璃輕易不會發(fā)生破壞，沖擊荷載便傳遞到窗框上，而發(fā)生玻璃窗框整體變形或脫出的情況.對于具有玻璃幕墻的建筑物進行考察得出，玻璃幕墻的抗沖擊波能力明顯好于建筑玻璃，其危害圈大致為2 km左右.

3）根據(jù)爆炸能量大小和距爆炸源的距離不同，本文將危害范圍劃分為不同的建筑物破壞等級，從而可以根據(jù)具體的建筑物重要程度和使用功能等因素進行相應的防爆措施，也可以在城市抗震防災規(guī)劃的修訂方面進行補充

由于此次爆炸事故具體信息還未查明及公布，詳細的事故分析還需要考慮爆炸源具體參數(shù)，明確沖擊波傳播機制，結合相關計算機模擬軟件和城市規(guī)劃進行深入的研究.

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（責任編輯 鄭筱梅）

Building and Non-structural Element Failure Characteristics of the Extraordinarily Fire Explosion Accident in Tianjin Port

LI Jialiang1，2，MA Donghui1，AN Shao1，2
（1.Institute of Earthquake Resistance and Disaster Reduction，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

To research the failure characteristics of building and non-structural element on the extraordinarily fire explosion accident（“8·12”）which happened in Tianjin Port，and to provide reference for safe distance of urban disaster prevention planning，through detailed site investigation and related numerical calculation，a new formula of the shock wave overpressure which can be used in near field and far field were proposed.Through the comparison and validation with the actual damage，and according to the explosive power and the distance from explosive source，as well as the casualties，the damaging range was divided into different damage levels，and it could supplement and revise the urban disaster prevention planning.

explosion；trinitrototuene（TNT）；shock wave；peak pressure

TU 982.21

A

0254-0037（2016）10-1490-08

10.11936/bjutxb2016010036

2016-01-15

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAK14B01）；北京市教育委員會科技計劃資助項目（KM201610005029）

李嘉良（1987—），男，博士研究生，主要從事防災減災工程及防護工程方面的研究，E-mail:ljlfcb@126.com