某石油化工控制室抗爆結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

謝慶紅 于業(yè)栓

(1.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

某石油化工控制室抗爆結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

謝慶紅1于業(yè)栓2

(1.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

以某石油化工控制室為例，介紹了抗爆設(shè)計(jì)的原則，按照等效靜力計(jì)算方法對(duì)該工程的抗爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力分析，并依據(jù)抗爆墻承載力、質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)周期、延性比等計(jì)算結(jié)果，提出了設(shè)計(jì)建議。

抗爆結(jié)構(gòu)，動(dòng)力計(jì)算，延性比，彈塑性轉(zhuǎn)角

控制室作為石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置的指揮中心，具有監(jiān)控裝置生產(chǎn)過程的功能，是裝置界區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵部位。由于石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程中易燃、易爆物質(zhì)較多，且生產(chǎn)過程經(jīng)常在高壓、高溫等條件下進(jìn)行，裝置發(fā)生爆炸的概率也相應(yīng)增加。爆炸發(fā)生后，控制室一旦被破壞將會(huì)使整個(gè)廠區(qū)陷于癱瘓，裝置的不可控又可能會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，甚至威脅人員的生命安全。因此，石油化工裝置中的關(guān)鍵部位，尤其是作為工廠裝置神經(jīng)中樞的控制室，必須采用合理的抗爆設(shè)計(jì)，一方面應(yīng)確保內(nèi)部工作人員的生命安全并控制設(shè)備裝置的正常運(yùn)行操作，另一方面能夠在爆炸發(fā)生時(shí)，采取合理控制措施，盡可能將爆炸危害控制在最小程度[1]。

1 概述

1.1 爆炸及爆炸荷載作用

爆炸是物質(zhì)內(nèi)含的能量，在一定環(huán)境條件下觸發(fā)后瞬間集中釋放的現(xiàn)象。石油化工行業(yè)中的爆炸可分為蒸氣云爆炸、壓力容器爆炸、凝液相爆炸和粉塵爆炸四個(gè)基本形式，由于其生產(chǎn)性質(zhì)，最常發(fā)生的是可燃?xì)怏w、液體的蒸氣與空氣混合物的爆炸，即蒸氣云爆炸。當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)，爆心區(qū)在瞬時(shí)內(nèi)產(chǎn)生極高壓力，于是形成一股高壓氣流，從爆心以超過聲波速度向四周推進(jìn)，其前沿猶如一道壓力墻面，空氣沖擊波的高壓直接作用于結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一般地區(qū)地震荷載的數(shù)倍。爆炸沖擊波的量級(jí)和形態(tài)取決于能量釋放的特性和距爆炸中心的距離。

1.2 抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

相對(duì)美、英等國(guó)家而言，我國(guó)在建筑結(jié)構(gòu)物抗爆防護(hù)方面研究起步較晚，且多是面向軍事防爆建筑的，針對(duì)工業(yè)及民用建筑方面研究較少，石油化工類抗爆設(shè)計(jì)主要依據(jù)的規(guī)范也大都參考國(guó)外規(guī)范制定。設(shè)計(jì)主要依據(jù)石油化工類抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)行業(yè)規(guī)范，主要有：SH/T 3006—2012石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范[2]、GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]、GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

1.3 抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1)爆炸荷載是偶然性瞬間作用的荷載，作用次數(shù)常常只有一次，荷載值卻特別大，且又不很確定。鑒于爆炸作用的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度或者承載力儲(chǔ)備可降低要求，允許結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)進(jìn)入塑性階段，出現(xiàn)較大的變形和裂縫，甚至局部破壞，但是必須防止倒塌和具備必要的維護(hù)功能[4]。2)爆炸荷載作用下要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，以確定建筑物的變形，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性比和彈塑性轉(zhuǎn)角滿足規(guī)范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范要求。3)由于裝置爆炸所產(chǎn)生的沖擊波特性和破壞力的不確定性，除了進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，抗爆設(shè)計(jì)更應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)。即采用延性好的結(jié)構(gòu)體系，整個(gè)結(jié)構(gòu)要有多余的抗力能力，有較好的防連續(xù)性倒塌的能力。在設(shè)計(jì)中宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，矩形平面布置，層數(shù)宜為一層。

2 抗爆設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 工程概況

比如，教師在對(duì)旅游專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候，應(yīng)該重視提高學(xué)生的語言表達(dá)能力。教師在對(duì)蘇教版的《再別康橋》這一課進(jìn)行教學(xué)時(shí)，可以讓學(xué)生將“康橋”作為一個(gè)旅游景點(diǎn)，結(jié)合文章，用自己的語言來向大家介紹“康橋”，也就是即興說一段關(guān)于“康橋”的導(dǎo)游詞。教師在教學(xué)過程中能夠有效將教材內(nèi)容與學(xué)生的職業(yè)進(jìn)行融合，從而能夠在潛移默化中提高學(xué)生的語言表達(dá)能力，促使學(xué)生取長(zhǎng)補(bǔ)短，為此專業(yè)學(xué)生以后的就業(yè)奠定基礎(chǔ)。

某石化項(xiàng)目控制室，建筑平面尺寸為10.0 m×29.4 m，建筑總高度為5.5 m，單層框架，結(jié)構(gòu)外部配置抗爆墻及抗爆屋頂，均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡量均勻布置，避免結(jié)構(gòu)剛度不規(guī)則?？贡O(shè)計(jì)按照動(dòng)力反應(yīng)的等效靜力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，以控制室前墻為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗爆分析和設(shè)計(jì)。

2.2 抗爆設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

2.3 選用抗爆墻

2.4 抗爆墻承載力計(jì)算

抗爆設(shè)計(jì)時(shí)允許墻板兩端出現(xiàn)塑性鉸，按照底部簡(jiǎn)支在剛性地坪處，上部簡(jiǎn)支在屋面板處的受彎構(gòu)件考慮，如圖1所示。取1 m寬板帶計(jì)算，則1 m板寬As=1 695 mm2。

鋼筋動(dòng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度：fdy=γsif·γdif·fyk=1.1×1.7×400=514.8 MPa。

極限抗彎承載力：MPc=α1fdcbx(h0-x/2)=198.9 kN·m。

單位板寬的墻板能承受的均布?jí)毫Γ篜=8MPc/L2=52.6 kPa。

2.5 抗爆墻動(dòng)力計(jì)算

1)計(jì)算構(gòu)件截面平均慣性矩。混凝土構(gòu)件對(duì)形心軸的毛截面慣性矩(不考慮鋼筋影響)為：Ig=bh3/12=1.3×109mm4。

混凝土開裂截面慣性矩為：Icr=bc3/3+nAs(d-c)2=0.41×

109mm4。

構(gòu)件截面平均慣性矩：Ia=0.5(Ig+Icr)=0.86×109mm4。

2)計(jì)算質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)周期。根據(jù)GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范附錄B表B.0.1-1取彈塑性狀態(tài)分析有：

荷載傳遞系數(shù)：KL=0.57。

質(zhì)量傳遞系數(shù)：Km=0.42。

構(gòu)件剛度：k=384EcIa/(5L3)=1.19×107N/m。

等效質(zhì)量：Me=Km·m=0.42×1×0.25×5.5×25=14.4 kN。

3)延性比和彈塑性轉(zhuǎn)角驗(yàn)算。

a.延性比驗(yàn)算。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，查GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A圖A.0.2，注意到圖中Ru/P應(yīng)取P/Pr=52.6/45.2=1.16，Td/TN應(yīng)取te/TN=0.07/0.28=0.25，可得到構(gòu)件延性比為0.6，不大于3.0，滿足規(guī)范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范表5.6.3要求。

結(jié)構(gòu)彈塑性轉(zhuǎn)角：θ=arctan(2Δ/L)=0.44°。

轉(zhuǎn)角不大于2°，滿足規(guī)范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范表5.6.4要求。

3 結(jié)語

通過以上計(jì)算步驟可知構(gòu)件動(dòng)力分析一般是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)構(gòu)件截面尺寸及配筋，然后驗(yàn)算其延性比和轉(zhuǎn)角是否滿足要求，在經(jīng)驗(yàn)不足的情況下需要反復(fù)試算。

由于爆炸結(jié)構(gòu)分析的復(fù)雜性，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該充分重視概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系要有充分的塑性變形能力，采用延性好的結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)要有多余的抗力能力，有較好的防連續(xù)性倒塌的能力；為了滿足抗爆結(jié)構(gòu)的塑性變形能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證構(gòu)件首先出現(xiàn)受彎裂縫和鋼筋屈服，防止過早地發(fā)生斜裂縫破壞，即為抗剪留出較大的安全儲(chǔ)備；另外，還要做好加密箍筋、增大鋼筋錨固長(zhǎng)度、增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)附近的連接構(gòu)造鋼筋、加大保護(hù)層厚度、限制配筋率等構(gòu)造措施提高結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能。

[1] 劉慧穎．爆炸荷載作用下石油化工控制室動(dòng)力響應(yīng)分析[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．

[2] GB 50779—2012，石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4] 過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東．鋼筋混凝土原理和分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Analysis and design for the blast-resistant structure of the petrochemical engineering control room

Xie Qinghong1Yu Yeshuan2

(1.CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd，Jinan250101，China； 2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Taking some petrochemical engineering control room as the example, the paper introduces the principle of blast-resistance, undertakes the dynamic analysis of the blasting-resistance of the projects according to the equivalent static calculation methods, and provides some design suggestions referring to the calculation results of the loading capacity of blasting-resistant walls, particle vibration period, and ductility.

blasting-resistant structure, dynamic calculation, ductility, elastic plastic corner

2014-11-20

謝慶紅(1980- )，女，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師； 于業(yè)栓(1980- )，男，講師

1009-6825(2015)04-0030-02

TU352.13

A