民用防护工程所抵抗的冲(撞)击或爆炸荷载具有强度高、作用时间短(加载速度快)等特点,与一般民用建筑物所要抵抗的地震作用或风荷载等差别较大。因此,在设计计算时,应考虑冲击爆炸荷载作用下建筑材料的应变率效应、结构构件的局部破坏、结构的连续倒塌以及冲击爆炸荷载的不确定性和偶然性等因素。此外,还应注重整体防护,采用合理的结构型式以及延性较好的工程材料和结构,以吸收冲击爆炸荷载产生的能量。典型的民用防护工程包括核电站安全壳、桥墩防撞装置、落石棚洞、落石防护网、防爆墙、防爆间室、防爆柱等。
民用防护工程
有抵抗偶然性冲(撞)击灾害事故(如船撞、车撞、落石、飞机撞击等)和爆炸灾害事故(燃油气爆炸、粉尘爆炸、瓦斯爆炸、危化品爆炸、恐怖爆炸袭击等)作用要求的民用建筑(构)物。
- 英文名称
- civil protective engineering
- 所属学科
- 土木工程
为防止核反应堆在运行或发生事故时放射性物质外逸的密闭容器,由基础底板、筒体和穹顶组成,是核反应堆的围护结构,是核燃烧包壳、压力壳之后的第三道安全屏障。安全壳结构设计时,除了要考虑恒载、活载、风雪载外,还应考虑失水、冲击、火灾等内部事故产生的荷载,并对地震、龙卷风、海啸、暴风雪、火山爆发、飞机撞击、爆炸等外部极端荷载作用下的安全性能进行评估。安全壳的设计必须要保证核电站内部设施的正常运转,且在正常运行或发生事故时能满足完整性和密封性的要求,以防止放射性物质泄露对外部环境的影响。“9.11”事件后,各国更加重视飞机撞击核电设施的安全防护研究,美国出台了多部法规,明确提出了新建核电站必须满足抵御大型商用飞机蓄意撞击的要求。中国国家核安全局2016年颁布了《核动力厂设计安全规定》(HAF 102—2016),明确规定了中国核电站要考虑商用飞机的蓄意撞击。
为了防止船舶、车辆或其他物体撞击桥墩或者减少桥墩被撞后损害程度的安全设施,按照防撞理念可分为主动防撞装置和被动防撞装置。①主动防撞装置,主要有警示标志、航标灯、雷达、激光测距报警系统和卫星导航系统等。警示标志和航标灯等设施较为简单且经济实用,常见于各类桥梁中;雷达、激光测距报警系统和卫星导航系统等设施是以现代化技术结合航运管理实现防患于未然,能够有效地降低船撞桥事故风险,但造价和对航运管理要求也较高,常用于复杂且繁忙水域中的大型桥梁,如湛江海湾大桥、平潭海峡大桥等。②被动防撞装置,根据设置场所的不同分为直接构造和间接构造两类。直接构造设施主要有护舷、重力摆、橡胶碰垫、黏滞性耗能防撞圈等;间接构造设施主要包括墩外墩、砂石围堰、人工岛、漂浮拦网、防撞柱等。直接构造装置一般与桥墩直接相连,而间接构造装置通常不将撞击力传递至桥墩但需要较大的安装空间。此外,按照碰撞过程中能量吸收方式的不同,防撞装置还分为弹性变形型、压坏变形型和变位型。
桥墩防撞装置的研究主要集中在新型防撞材料和结构的研发与工程应用方面。
在落石多发(或可能塌方)路段修建的一种防护结构。落石棚洞底部一般是岩石或坚硬的土体,上方常采用钢筋混凝土防护结构,大多以梁-板-柱钢筋混凝土结构型式建造,在钢筋混凝土结构顶部通常覆盖起冲击缓冲作用的砂土垫层。落石棚洞随地形和地质条件的不同有多种类型,但其基本构造有内侧、外侧和顶部支撑结构,内侧支撑结构一般有柱式和直墙式,外侧支撑结构一般有墙式、拱式、柱式及悬臂式,顶部支撑结构有平板式和拱式。常见的落石棚洞结构型式有门式直柱式、门式斜柱式、半拱直柱式、半拱斜柱式、全拱式等。在崩塌或落石冲击作用下,不同结构形式棚洞所受的冲击力、动力响应、缓冲层的材料及其缓冲效果差异较大,应根据不同落石区域、不同防护需求确定相应的结构型式。
采用高强度柔性网作为主要构件的防护系统。根据防护原理的不同,可分为覆盖(主动防护)和拦截(被动防护)。①主动防护,将金属柔性网(钢丝绳、格栅、环形网等)通过钢丝绳锚杆或钢筋锚杆和支撑绳等连接方式覆盖于存在崩塌、落石病害的坡面上,以加固既有边坡或减小局部或少量危石运动的一种边坡防护形式。按照构成材料,主动防护网分为钢丝绳网、钢丝格栅和高强度钢丝格栅。②被动防护网,由钢丝绳网、固定系统(锚杆、拉锚绳、基座和支撑绳等)、减压环和钢柱等构成。系统的柔性主要来源于钢丝绳网和减压环,与传统的落石拦截方式相比,被动防护网利用其显著的变形能力,降低落石冲击力,吸收和分散能量,达到“以柔克刚”的目的。
与挡墙、抗滑桩、喷锚支护等传统的边坡防护手段相比,落石防护网不仅能够达到良好的治理效果,还具有安装方便、快捷、防护效果好、工程成本低、维护简便等优点。对于危岩,常采用预应力锚索加固措施。预应力锚索是一端固定在稳定的地层中(或结构中)另一端与危岩紧密结合而形成的可承受拉力的结构系统,它的核心受拉体是高强预应力筋(如预应力钢丝、钢绞线、玄武岩筋、玻璃纤维筋等)。落石防护通常采取监测预警、锚索加固危岩、棚洞或防护网、挡石墙等综合防护措施。
能够阻挡爆炸波和爆炸破片作用,保护墙后建筑、人员和设备安全的墙体,也称抗爆墙。根据结构特征和防爆作用机理的不同,防爆墙分为刚性防爆墙、柔性防爆墙和惯性防爆墙。①刚性防爆墙,其结构强度和刚度都很大,爆炸波荷载作用时可认为墙体不变形。刚性防爆墙通过阻挡爆炸波传播,迫使其传播过程中发生绕射,达到降低墙后爆炸荷载的目的,且能够抵抗爆炸破片的侵彻作用。刚性防爆墙常采用钢筋混凝土结构。②柔性防爆墙,其结构刚度较刚性防爆墙要小很多,在爆炸荷载作用下允许发生较大变形。一方面通过墙体结构的大变形来吸收部分爆炸能量,另一方面遮挡爆炸波传播,降低墙后的爆炸荷载。柔性防爆墙常采用轻便材料,安装较为方便,但抵抗破片能力相对较弱。典型的柔性防爆墙有夹心钢板防爆墙和柔性织物防爆墙等。③惯性防爆墙,一般在外部围护结构内填充砂子、水等材料,在爆炸荷载作用下通过内部充填物质的飞散来消耗爆炸能量,同时阻挡爆炸波传播,降低墙后的爆炸荷载。但是,惯性防爆墙中高速飞散的内填物质有可能造成二次破坏和杀伤。典型的惯性防爆墙有装填沙土的HESCO防爆墙和水体防爆墙等。
室内发生爆炸事故时能够承受一定当量的爆炸荷载和破片作用,而不发生震塌、飞散和穿透的建筑结构。抗爆间室的主要作用是承受爆炸事故产生的爆炸荷载,限制爆炸波传播,保护间室外部的重要设备、人员,避免室外危险品的殉爆发生。抗爆间室宜采用钢筋混凝土结构及现浇钢筋混凝土屋盖,广泛应用于危险品生产企业中可能发生爆炸事故的建筑物。抗爆间室通常用一面或多面墙体(或屋盖)作为易碎性泄爆面,在泄爆面外设置П形和Γ形的抗爆屏院。
防爆柱又称防撞柱,一般由钢管混凝土柱及其下部基础共同组成,通过限制或阻止装有爆炸危险品的车辆强行通行,达到爆炸点在建筑物安全防护距离之外。防爆柱可分固定式和升降式两类,柱子之间的间隔距离一般为1.4米(见图)。根据防护要求,防爆柱一般可分为K4、K8和K12共3个抗撞等级,能够抵抗中型卡车(6800千克)分别以50千米/时,65千米/时和80千米/时速度的正面撞击。设计建造时,应综合考虑防爆柱的使用场所,可能遇到威胁的对应抗撞等级,选则适用的防爆柱。