淺談石油化工中心控制室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 劍

（中國昆侖工程有限公司， 北京 100037）

0 前言

近年來，石化企業(yè)的生產(chǎn)裝置在生產(chǎn)過程中發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故越來越多，造成危害也越來越大。中心控制室作為石油化工企業(yè)的指揮中心，是廠區(qū)內(nèi)最關(guān)鍵的建筑。在爆炸事故中，中心控制室一旦被炸毀將會引起所有裝置癱瘓，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會嚴(yán)重威脅人員的生命安全。因此，中心控制室必須采用合理的抗爆設(shè)計(jì)，在發(fā)生爆炸時(shí)確保內(nèi)部操作人員的安全以便能繼續(xù)正常發(fā)出指令，如此才能盡最大限度的減少爆炸帶來的經(jīng)濟(jì)損失。對于結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，抗爆設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在爆炸荷載作用下，主要承重構(gòu)件不致喪失承載能力，允許構(gòu)件進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)倒塌，經(jīng)一般的修復(fù)加固后仍可重新投入使用。

1 中心控制室設(shè)計(jì)概述

首先總圖設(shè)計(jì)時(shí)，中心控制室宜布置在易燃易爆源全年最小風(fēng)頻的下風(fēng)向，并與易燃易爆生產(chǎn)裝置保持一定的距離，既不能太遠(yuǎn)也不能太近。距離太近，爆炸沖擊荷載會非常大。距離太遠(yuǎn)，不利于節(jié)約用地及生產(chǎn)管理。目前，國內(nèi)外公認(rèn)的距離標(biāo)準(zhǔn)為不小于 30m[1]。建筑專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，中心控制室的平立面應(yīng)簡單規(guī)則，在滿足工藝、儀表、暖通等其他專業(yè)要求的前提下，高度盡量低，跨度盡量小。

中心控制室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計(jì)算以及施工圖繪制。結(jié)構(gòu)方案的制定需要綜合考慮各專業(yè)的實(shí)際要求，在滿足各專業(yè)的條件下，充分保證結(jié)構(gòu)安全可靠。結(jié)構(gòu)計(jì)算主要分為荷載計(jì)算、構(gòu)件計(jì)算。荷載計(jì)算分為爆炸荷載和正常荷載兩種形式。正常荷載可按常規(guī)取值，主要應(yīng)用于框架部分的。爆炸荷載的確定主要包括兩個(gè)參數(shù)：①沖擊波峰值入射超壓；②正壓作用時(shí)間。在業(yè)主未提供這兩個(gè)參數(shù)的情況下，石油化工裝置可按蒸汽云爆炸模型，取沖擊波峰值入射超壓為21kPa，正壓作用時(shí)間為lOOms[2]?？贡瑯?gòu)件計(jì)算的主要步驟[1]：

1）初步假定外圍抗爆墻的截面大小、配筋面積、混凝土及鋼筋強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)；

2）計(jì)算混凝土、鋼筋在動(dòng)力特性下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及材料性能；

3）動(dòng)力求解（其動(dòng)力分析可近似采用等效靜荷載分析方法或單自由度體系動(dòng)力分析的方法），根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算延性比和轉(zhuǎn)角變形；

4）框架部分單獨(dú)計(jì)算，按正常荷載狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)用盈建科或PKPM 等設(shè)計(jì)程序；

5）基礎(chǔ)：由于爆炸引起的水平?jīng)_擊荷載較大，同時(shí)為保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，抗爆墻與框架柱宜采用筏板基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)在滿足承載力的同時(shí)還需驗(yàn)算抗滑移、抗傾覆。

繪制施工圖要對比分析正常使用工況和爆炸工況的結(jié)果，例如抗爆墻的截面大小及配筋，應(yīng)全部采用爆炸工況下的彈塑性分析結(jié)果；柱的截面及配筋，則采用正常使用工況下的彈性分析結(jié)果。另外要特別注意抗爆構(gòu)造措施，例如抗爆墻洞口周邊要加筋補(bǔ)強(qiáng)，抗爆墻轉(zhuǎn)角要設(shè)置邊緣構(gòu)件加強(qiáng)，抗爆墻與基礎(chǔ)鉸接處要設(shè)置交叉斜筋等。

2 中心控制室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

2.1 多工況下的復(fù)核

我國位于地震多發(fā)地帶，特別是近年來地震頻發(fā)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。有些設(shè)計(jì)人員容易忽視地震工況的復(fù)核，認(rèn)為爆炸工況的設(shè)計(jì)結(jié)果一定是最安全的，但是如果存在以下情況：地震烈度高，場地條件差，建筑較高，跨度較大等，地震工況有可能起控制作用。設(shè)計(jì)時(shí)一定要綜合各種工況，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

合理的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)選用抗爆墻與框架組合的形式，其中抗爆墻應(yīng)與框架脫開布置，抗爆墻承擔(dān)全部水平爆炸荷載，豎向荷載由框架承擔(dān)。一些設(shè)計(jì)人員沒有把抗爆墻和框架柱進(jìn)行脫開設(shè)置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路線不清晰。如果抗爆墻與框架柱整澆在一起不脫開，二者相當(dāng)于剛接，由于剪力墻剛度大，變形亦大，從而導(dǎo)致框架柱彎曲變形也很大，這對于抗爆結(jié)構(gòu)是極其不利的。爆炸荷載越大，迎爆面框架柱變形破壞就越嚴(yán)重，一旦失去承受豎向荷載的能力，結(jié)構(gòu)將發(fā)生倒塌。另外，抗爆墻與框架柱脫開后，上下兩端宜應(yīng)分別鉸接于樓板和基礎(chǔ)，做到只傳遞剪力而不傳遞彎矩。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

結(jié)構(gòu)體系確定之后，采用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少工程造價(jià)和工程量。有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為結(jié)構(gòu)剛度越大，抗爆就越有利，其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)?？贡O(shè)計(jì)采用的是彈塑性動(dòng)力分析方法，這種方法允許構(gòu)件在規(guī)范允許范圍內(nèi)出現(xiàn)開裂變形，更好的起到吸收、消耗爆炸能的作用。例如混凝土，計(jì)算表明當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級高于C40 時(shí)，再提高混凝土強(qiáng)度等級對降低構(gòu)件延性比不起任何作用。對于鋼筋，《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.3 條規(guī)定: “抗爆構(gòu)件的鋼筋強(qiáng)度等級和配筋面積應(yīng)按計(jì)算確定，不得任意提高鋼筋強(qiáng)度等級和加大配筋截面”[2]。這是因?yàn)榕浣盥噬羁逃绊懼鴺?gòu)件的延性，對于抗爆構(gòu)件而言，配筋面積、鋼筋強(qiáng)度等級均應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算確定，不能隨意放大鋼筋面積或鋼筋強(qiáng)度等級。由此可見，盲目放大一些設(shè)計(jì)參數(shù)，只會增加經(jīng)濟(jì)成本，對結(jié)構(gòu)起不到任何好處。

2.4 規(guī)范有待完善

《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》5.6.2 條提出：對于受彎構(gòu)件，其抗剪承載力應(yīng)比抗彎承載力高20%[2]。這種說法的概念比較模糊，抗剪計(jì)算的具體方法規(guī)范只字未提，希望規(guī)范升版修訂時(shí)把這塊的內(nèi)容補(bǔ)充完整[4]。

2.5 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)研究少

由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)延性很好，不會發(fā)生脆性破壞，因此比較適合應(yīng)用于抗爆結(jié)構(gòu)。另外,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)還具有截面小、強(qiáng)度高、不開裂等特點(diǎn)，有利于結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)也便于建筑、工藝等其他專業(yè)進(jìn)行布置。但是，目前國內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于抗爆結(jié)構(gòu)方面的研究甚少，國內(nèi)只有李硯召等人做過少量研究，國外也只有日本和美國開展過這方面的研究，但至今還未見應(yīng)用于工程實(shí)踐[3]。

3 結(jié)束語

作為抗爆結(jié)構(gòu)，中心控制室建筑外形看似簡單，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻繁瑣復(fù)雜。雖然石化裝置發(fā)生爆炸的概率很小，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須做到安全可靠，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。類似于地震作用，爆炸荷載也是一種偶然作用，充滿復(fù)雜性和未知性，瞬時(shí)沖擊力極大，因此結(jié)構(gòu)工程師更應(yīng)該重視抗爆的概念性設(shè)計(jì)。首先，結(jié)構(gòu)方案的確定階段要積極與其他專業(yè)進(jìn)行溝通，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造最有利條件。其次，采用的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有冗余度多、塑性變形能力大、延性好的特點(diǎn)，確保中心控制室在爆炸時(shí)不發(fā)生脆性破壞而倒塌，繼續(xù)發(fā)揮全廠指揮官的功能。