砖混结构住宅是国内城镇存量住房的主体，其建材具有脆性大、抗爆能力弱的特点。随着国内天然气清洁能源日益普及，这类房屋一旦发生燃气爆炸事故，极易出现墙体开裂、屋顶坍塌等灾难性后果。现行建筑防火、燃气防爆相关国家标准，多数围绕工业厂房场景制定通用泄压相关要求，针对居民住宅室内场景，在泄压板开启压力、泄压口布置方案、爆炸压力场分布等关键设计参数方面，尚未形成完整、成套的系统性技术指导，给建筑安全设计、燃气风险评估带来巨大盲区。
近日，为补齐民用住宅燃气爆炸安全研究短板，江汉大学精细爆破全国重点实验室团队研究成果刊发表于JCR1区、新锐分区化工学科1区Top期刊（IF=8.0）Process Safety and Environmental Protection（PSEP）。研究团队通过1m³砖混实体模型爆炸破坏性试验与FLACS专业爆炸仿真软件双向对照验证，完整揭示不同泄压条件下室内天然气爆炸超压演化规律，为民居燃气泄压构件选型、门窗泄压布局、建筑局部抗爆加固提供具有国际学术认可度技术依据。
图1 论文截图
研究团队搭建标准化1立方米砖混爆炸试验平台，分别采用木质板、玻璃、塑料薄膜三类常见泄压构件模拟住宅窗户与轻质泄压墙体，开展多组真实天然气爆炸破坏性试验，捕捉并分析爆炸全过程压力变化及结构破损演化特征。
图2 砖混结构试验模型
分别在开口（红色标记处）设置木板、玻璃和薄膜三类材料开展泄压试验
实体试验结果表明：泄压构件越容易破裂开启，室内爆炸产生的最大超压越低；木质泄压板开启压力最高，爆炸后顶板碎裂程度显著重于玻璃泄压工况；无家具遮挡的密闭房间内，墙体各处爆炸荷载差异不足5%，工程设计可简化为均布荷载；腔体边角、房间上部会出现明显压力聚集，是建筑最易发生损毁的薄弱部位。
图3 爆炸试验发展过程
单纯实体爆炸试验成本高、不可逆、工况拓展受限。为突破试验条件约束，团队引入工业爆炸领域主流FLACS仿真软件，搭建与实体模型一比一复刻的数值仿真模型，首先验证FLACS仿真结果与实体爆炸试验的吻合性，随后开展12组差异化泄压工况模拟仿真测算。
在不同开启压力条件下，现场试验与数值模拟得到的压力时程曲线总体趋势一致，表明FLACS数值模型能够合理捕捉主要超压演化特征。从压力时程曲线来看，FLACS仿真完整复现燃气爆炸“冲击波传播 — 缓慢积聚升压 — 火焰加速极速冲峰 — 泄压释放压力衰减”四阶段变化特征，压力波动趋势以及压力峰值与现场实测数据具备较高吻合性。通过仿真得出的“泄压开启压力越高，峰值超压越大”变化规律，与实体试验测试数据变化完全相符；墙体压力均匀分布、角落压力集中、竖向上部高压等空间分布特征，在仿真云图与传感器实测数据也得到了双向印证。
图4 FLACS与试验对比验证
依托经过实体试验验证的FLACS仿真模型，团队进一步拓展多泄压口布局对比研究，得出极具工程应用价值的关键结论：相比单扇泄压窗，双泄压口可降低室内爆炸峰值超压70%以上；同等泄压总面积下，将泄压门窗分散布置在相邻墙体，泄压减灾效果优于对墙居中布置，低压开启工况下峰值超压可再降低20%以上。同时，仿真量化得到泄压口边角与建筑上部的压力集中系数，明确住宅门窗边角和房屋顶部是抗爆加固重点区域，为住宅门窗选型、旧房燃气安全改造提供精准量化指标。
图5 FLACS模拟不同泄压口布局最大爆炸超压分布情况
该研究成果再次佐证了FLACS软件在爆炸数值模拟领域的可靠性。相较于传统足尺寸爆炸试验耗资大、危险性高、无法批量测算多工况的短板，经过充分试验验证的FLACS软件，可低成本、高效率模拟各类工况下的爆炸灾害后果，不仅能为民用燃气建筑安全风险评估、泄压防护方案优化提供精准、可信的量化技术支撑，还可广泛应用于氢能、锂电池储能、甲醇、氨等新能源工程领域，为加氢站、储能舱、数据中心、化工厂房等不同场景开展爆炸风险评估、防爆结构设计、泄压系统优化，提供高效可靠的数字化分析手段。
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