结构工程学获奖论文 | 他们炸了一栋房子,却保护了亿万百姓的安全

恭喜课题组所研究的成果获得由SGAE颁发的J. M. Ko Medal最佳论文奖。

由Chen Li, Fang Qin, Fan Junyu, Zhang Yadong, Hao Hong, Liu Jinchun 共同完成的题为Responses of Masonry Infill Walls Retrofitted with CFRP, Steel Wire Mesh and Laminated Bars to Blast Loadings的获奖论文发表在Advances in Structural Engineering,2014, 17(6): 817-836.

该论文是方秦课题组多名成员共同工作的结果。论文撰写和分析过程中，获得了澳大利亚工程院院士、澳大利亚Curtin大学Hong Hao教授无私的指导和帮助。方秦教授课题组牵头国家自然科学基金创新研究群体，，主要从事工程结构抗冲击研究。

还记的两年多前的8.12危化品事故么？

2015年8月12日晚11时，天津塘沽滨海新区，瑞海物流危化品堆垛发生火灾，在消防队员扑灭火灾过程中，现场发生；造成轻轨东海路站建筑及周边居民楼受损，事发时十公里范围内均有震感，抬头可见蘑菇云。该次事故造成数百人伤亡。

在此次事故调查中就应用了该研究成果，及时精准地计算出了两次主等效 TNT当量以及建筑物和人员的毁伤半径，为指挥部决策提供了重要的科学依据。

此外，研究成果已被我国首部《民用建筑防爆设计规范》（报批稿）吸收。

框架砖填充墙抗爆试验珍贵视频资料

当今世界，以及偶然性事故频发，对工程结构造成严重的破坏，威胁社会稳定和人民生命财产安全，对现有结构进行抗爆安全加固十分必要。为研究荷载作用下CFRP加固框架填充墙的响应特征与破坏机制，比较CFRP以及薄钢板、钢丝网等材料的抗爆加固效果。在国家自然科学重点基金的资助下，在天津大学、北京工业大学等合作单位的支持下，课题组基于自平衡原理，创新性地设计建造了1/2比例框架砖填充墙抗爆试验装置，并进行了一系列大当量抗爆试验，如图1所示。

图1 框架砖填充墙抗爆试验装置

试验结果表明：

荷载方面，在试验比例爆距情况下，墙上各点的压力峰值相差不大、分布比较均匀，试验结果符合相关经验公式。

未加固砖墙的破坏主要由砂浆灰缝层的破坏开始，继而有部分砖块产生破坏剥落。经过CFRP、钢板和钢丝网等加固后砖墙的抗爆能力明显增强。

三种加固方式中钢丝网加固效果最好，费效比也最低。CFRP加固效果次之，CFRP布在砖墙与框架连接处易发生剪断，提高CFRP布加固端面的抗剪能力有助于提高其整体加固性能。抗爆试验结果如图2所示。

为配合试验分析，进一步掌握加固框架填充墙的抗爆响应规律。课题组基于经典三轴试验标定了K&C模型描述粘土砖和砂浆材料的全部静动力参数，并通过了试验验证，数值模拟了荷载作用下加固砖墙的破碎过程。系统评估分析了荷载作用下分别采用薄钢板、钢丝网和CFRP材料加固框架填充墙的效果和动力响应特征。结果表明，未加固墙体的破坏形态可根据比例爆距划分为四个等级；加固后的墙体抗爆能力明显增强，在比例爆距

Z>2.5m/kg^1/3时，加固墙体不会发生损坏；比例爆距Z=1/kg^1/3时，钢丝网加固墙体的破坏主要以与框架连接处的剪切为主，但墙体完整性较好，不容易产生碎片；CFRP条加固填充墙在与框架连接处发生CFRP条剪断现象，砂浆层与墙体发生剥离，墙体容易产生碎片；经钢板条加固墙体发生钢板条弯曲，墙体碎片易从钢板条空隙中飞出。

论文中认为钢丝网抗爆加固效果最好，费效比也最低；提高CFRP布加固端面的抗剪能力有助于提高结构整体加固性能。以上成果为现有工程抗爆加固提供了理论依据和技术指导。

试验周期长，费用高，危险性也高，试验装置设计和试验实施难度较大；且试验一般在远离城市，比较偏远的郊区进行，自然条件较为恶劣，生活条件也比较艰苦。为了开展如此大规模的抗爆试验，从试验方案论证，到试验装置设计、施工，到进行实验，再到数据分析、模拟计算，直至撰写论文，历时整整四年。

最新研究方向

石油、天然气是现代经济的基础。近年来，随着我国经济的快速发展，能源消耗急剧增加，并严重依赖进口，在存储、运输和使用等环节事故频发，面临巨大的安全挑战。燃油气一旦发生泄漏，极可能诱发连锁性爆燃和大规模次生火灾；此外，诸如天津港8.12危化品大等类似的偶然性事故也频频发生；燃油气和危化品灾害往往会造成巨大人员伤亡、。在国家973项目等资助下，本课题组正在开展以下3个方向研究：燃气爆燃灾害链的形成机制及灾害场的计算理论与方法、重要基础设施的损伤破坏机理及计算理论与方法以及灾害控制理论与关键技术；危化品存储、运输等过程偶然性灾害评估方法以及安全防护与控制技术；重要基础设施的抗的防护技术。总体目标是为建立我国重要基础设施抗、燃油气、危化品等偶然性灾害防护的应急预案和抗爆设计标准规范制订提供科学依据，并促进相关学科基础理论的发展。