石油化工控制室抗爆設計中結構專業(yè)的幾點注意事項

劉青

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 概述

對于中國來說，經(jīng)濟的發(fā)展離不開化工行業(yè)的發(fā)展，化工行業(yè)的發(fā)展也確實為我國經(jīng)濟的發(fā)展貢獻了一份力量，但是化工行業(yè)的發(fā)展也同時帶來安全事故的頻發(fā)，特別是近幾年化工廠區(qū)有很多非常大的爆炸事故發(fā)生，不但給社會帶來了惡劣的影響，也給人民群眾的生命和財產(chǎn)造成了巨大的損失。事故發(fā)生時，首先要啟動的就是應急預案，作為全廠的“神經(jīng)中樞”，控制室就應保證在任何情況下都能正常運行，這就對控制室提出了比項目中的其它裝置更高的要求，特別是一些新建場區(qū)，只要有爆炸的可能性，控制室就需要進行抗爆設計，下面根據(jù)我自己設計的幾個抗爆控制室在設計過程中需要結構專業(yè)注意的事項進行總結說明。

目前，我國涉及到控制室抗爆設計的規(guī)范規(guī)程只有《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》GB50779-2012。本規(guī)范給出了抗爆墻設計計算公式，并給出了計算參數(shù)值。下面將規(guī)范中的第5.3節(jié)的相關內(nèi)容列出（僅列出跟本文有關的幾點）。

1）控制室抗爆設計采用的峰值入射超壓及相應的正壓作用時間，應根據(jù)石油化工裝置性質(zhì)以及平面布置等因素進行安全分析綜合評估確定。但是國內(nèi)的項目一般都不提供此參數(shù)，當不進行評估時，規(guī)范給出了以下規(guī)定：沖擊波峰值入射超壓最大值可取21kPa，正壓作用時間可取100ms；或者沖擊波峰值入射超壓最大值可取69kPa，正壓作用時間可取20ms。

此處，沖擊波峰值入射超壓與正壓作用時間為一對對應的數(shù)值，如何取值須在設計文件中說明。

本項目在計算中取用以下數(shù)值：

爆炸沖擊波峰值入射超壓Ps0=21kPa：

正壓作用時間td=100ms=0.1s。

2）拖曳力系數(shù)Cd取決于障礙表面的形狀及朝向。對于封閉矩形建筑物，前墻取+1.0，側墻及屋面、后墻取-0.4。

3）停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離S取H（建筑物的高度）或B/2（B 為建筑物的長度）中的較小值。

4）根據(jù)前面幾組固定參數(shù)，對沖擊波的參數(shù)及進行計算：

①波速 U=345（1+0.0083Ps0）0.5=373.86m/s；

②峰值動壓q0=0.0032Ps02=1.41kPa；

5)根據(jù)以上數(shù)值，對最危險的建筑物前墻爆炸荷載進行計算：

①峰值反射壓力Pr=(2+0.0073 Ps0)·Ps0=45.22 kPa；

②停滯壓力 Ps=Ps0+Cd·q0=22.41 kPa；

③反射壓持續(xù)時間tc=3S/U，具體每個項目根據(jù)S 數(shù)值定。

④正壓沖量Iw=0.5·（Pr-Ps）·ts+0.5·Ps·td

⑤前墻正壓等效作用時間tc=2Iw/Pr

選擇我設計過的一個項目中抗爆控制室作為案例，并對控制室做一些簡要介紹：本建筑物為一個正方形的二層建筑物，房屋總高度為H=9m，建筑物的總長度為B=20m。

2 抗爆墻體設計實例

2.1 結構設計的基本原則

1)根據(jù)規(guī)范進行設計的控制室，要求當遭受一次爆炸荷載作用，可能局部損壞時，經(jīng)一般修理應能繼續(xù)使用。

2)抗爆控制室建筑平面宜為矩形，層數(shù)宜為一層。本項目雖然建筑物總層高為兩層，但在計算抗爆墻時，我們?nèi)园凑找粚觼碛嬎阏w的墻高度。

3)建筑物外墻不應設置雨篷、挑檐等附屬結構。

4)建筑物不得設置變形縫。

5)抗爆控制室結構在爆炸荷載作用下，其動力分析可近似采用單自由度體系動力分析的方法或等效靜荷載分析方法。規(guī)范根據(jù)經(jīng)驗，當采用單層鋼筋混凝土剪力墻結構，構件呈現(xiàn)單自由度動力特性，故規(guī)范正文給出了單自由度的動力計算模型。

6)抗爆控制室結構在爆炸荷載作用下，應驗算結構的承載力及變形，對結構構件裂縫可不進行驗算。

以上幾點從根本上說明了抗爆控制室在力學計算的基礎上，抗爆設計更應該注重概念設計，從建筑布局、結構選型、平面布置、結構的整體性、剛度、超靜定等多方面綜合考慮。

首先我對抗爆控制室進行了模型的簡化。根據(jù)《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》中有關抗爆設計的性能設計理念，并在滿足建筑物安全性的前提下，最大程度的兼顧經(jīng)濟性，結合國內(nèi)外設計實例，此次設計將內(nèi)部梁柱框架與抗爆墻體分開設計并分別計算，這是目前為止進行抗爆設計的最優(yōu)方法，其簡化模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 計算模型平面布置

圖2 計算模型立面布置

第二步就需要我們對抗爆控制室的墻體材料、墻體厚度及配筋做一個基本接近現(xiàn)實的假設。

假設抗爆墻體采用混凝土的強度等級為C40；鋼筋采用三級鋼。墻體厚度h=400mm，鋼筋采用Ф18@150。墻體保護層厚c=15mm。以上的材料選定后，可根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》將材料的強度標準值及強度設計值與其它參數(shù)一并查出。如：混凝土的軸心抗壓強度標準值fck、混凝土受壓和受拉的彈性模量Ec、鋼筋的屈服強度標準值fyk、鋼筋的彈性模量Es 等計算所需數(shù)值。并根據(jù)所查數(shù)值計算出材料的動力強度設計值。材料的動力強度設計值計算公式可參見《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》的第5.7.2 條，在此不再贅述。

2.2 抗爆計算

模型簡化完成，計算所需的材料假設完成，材料的基本參數(shù)也就定了，下一步就是根據(jù)規(guī)范的要求對墻體進行抗爆計算。

計算過程需要設計師細心與耐心，特別是根據(jù)計算出來的數(shù)據(jù)進行查表時，更是需要我們仔細，因為稍微粗心大意點，查出來的數(shù)值可能對我們的計算影響就會很大。在此僅給出根據(jù)以上所列的各種假設進而計算出抗爆墻體的最終所需數(shù)據(jù)：結構構件的延性比Ч=Xm/Xy=2.63,基本接近結構構件的允許延性比[Ч]=3.0。結構構件的彈塑性轉角 θ=arctan(2π/L0)·180°/π=0.71°。遠遠小于規(guī)范給出的彈塑性轉角允許值[θ]=1.5°。基于經(jīng)濟型的要求，這個結果說明構件的延性不錯，但是彈塑性轉角較小，即可能墻板厚度太厚或是鋼筋配筋率偏小。此時需要我們重新對墻體厚度或者是墻體配筋做假設，繼續(xù)第二遍計算直到延性和轉角均滿足要求為止。

2.3 相關的一些結構構造要求

1）剪力墻兩端和抗爆門門框墻應設暗柱加強，且應符合現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》有關邊緣構件的規(guī)定。

2）屋面板及外墻應雙面配筋，單面豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率均不應＜0.25%，并不應＞1.5%。屋面板的最小厚度不應＜125mm，墻體的最小厚度不應＜250mm。

3）鋼筋宜采用搭接接頭。

4）當?shù)仄鹤鳛橥鈮Φ闹ё鶗r，宜設剛性地坪。剛性地坪的最小厚度不應＜150mm，并應雙面配筋。

5）基礎埋深不宜＜1.5m。設計時可計入剛性地坪對基礎的嵌固作用。

2.4 需要特別引起注意的幾點注意事項

1)抗爆控制室采用矩形平面，也是為了傳遞爆炸力時路徑明確。建筑層數(shù)為一層，主要考慮工程成本問題。

2)抗爆控制室采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。一般情況下，建筑物屋頂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，是為了傳遞爆炸力的要求。

3)鋼筋采用搭接接頭，是為了防止焊接引起的鋼筋性能的變化。

4)墻體與基礎采用鉸接方式連接。

5)基礎采用獨立基礎時，獨立基礎間宜設系梁。

3 結論

文中所述項目自2017 年9 月設計完成，并于同年底施工完成。采用單自由度體系動力分析方法計算控制室，抗爆墻單獨承擔瞬時的爆炸荷載，允許其出現(xiàn)塑性鉸，而內(nèi)部框架結構僅作為正常使用，僅僅考慮正常樓面荷載及地震作用，采用此種計算方法，不但傳力路徑更加清晰明確，而且計算得出的基礎及梁柱更加貼近現(xiàn)實，節(jié)省了混凝土及鋼筋用量，更加經(jīng)濟。

同時，該項目的成功設計與施工完成，不但與國際抗爆設計成功接軌，也為我公司以后的抗爆控制室的設計積累了成功的經(jīng)驗，在本項目以后，我公司又接連設計了很多的抗爆控制室，目前都應用良好，得到了業(yè)主的一致好評。