淺析石化工廠控制室結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)

張 濤

(巴斯夫(中國(guó))有限公司成都分公司，四川成都，610000)

石油化工廠的控制室負(fù)責(zé)廠區(qū)的生產(chǎn)控制，通常位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，要做抗爆設(shè)計(jì)。爆炸荷載作為一種偶然荷載，有其特殊性，雖然有專門的《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)指導(dǎo)，但是規(guī)范內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際操作部分不具有針對(duì)性，一些參數(shù)沒有解釋清楚，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)非常困惑。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，通過實(shí)際案例，將抗爆設(shè)計(jì)的過程和參數(shù)進(jìn)行逐一分析，闡述抗爆結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)過程，供大家參考。

1 爆炸荷載

爆炸在正對(duì)的前墻形成沖擊波，在其他方向形成壓力波，形式如圖1。

圖1 兩種爆炸波的表現(xiàn)形式

如果業(yè)主未邀請(qǐng)專業(yè)的第三方公司做針對(duì)性爆炸評(píng)估，《規(guī)范》也給定了一個(gè)爆炸初始參考值供設(shè)計(jì)采用。

爆炸荷載在前墻、側(cè)墻、后墻及屋面上的作用形式見圖2，這與確定結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵值時(shí)采用的抗力-延性比關(guān)系圖是一一對(duì)應(yīng)的，不可混用。

圖2 爆炸荷載在建筑物不同位置的作用B.垂直于沖擊波方向建筑物尺寸；H.建筑物高度；L.平行于沖擊波方向建筑物尺寸

2 抗爆設(shè)計(jì)方法

《規(guī)范》5.1.1中寫到：在爆炸荷載作用下，結(jié)構(gòu)分析有兩種方法：?jiǎn)巫杂啥润w系動(dòng)力分析方法和等效靜荷載分析方法。

由于等效靜荷載分析方法不考慮結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的動(dòng)力效應(yīng)，是一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，易于理解但受力模型和實(shí)際相差較大，設(shè)計(jì)結(jié)果不經(jīng)濟(jì)，且結(jié)構(gòu)安全性不清晰，故不推薦使用；單自由度體系動(dòng)力分析方法，從結(jié)構(gòu)破壞的實(shí)際表現(xiàn)入手，控制爆炸時(shí)構(gòu)件的極限形變。與實(shí)際情況接近，推薦采用。具體設(shè)計(jì)方法見第三節(jié)案例分析。

這里需要明確的是，《規(guī)范》附錄A的A.0.2和A.0.3兩張圖是理論和統(tǒng)計(jì)結(jié)合的圖，在這里同樣適用于單自由度體系動(dòng)力設(shè)計(jì)方法對(duì)延性比的確定。

3 工程實(shí)例

圖3 石化項(xiàng)目A控制室平面布置圖

采用單自由度體系動(dòng)力設(shè)計(jì)方法對(duì)前墻進(jìn)行動(dòng)力分析，計(jì)算步驟如下：

按照《規(guī)范》5.3.1條，取沖擊波峰值入射超壓為21kPa，正壓左右時(shí)間為100ms。根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算前墻上的爆炸荷載：

(1)波速：U=345(1+0.0083PSO)0.5=373.9m/s。

(2)峰值動(dòng)壓：qo≈0.0032Pso2=1.41kPa。

(3)沖擊波波長(zhǎng)：LW=U·td=37.4m。

(4)峰值反射壓力：Pr=(2+0.0073Pso)·Pso=45.2kPa。

(5)停滯壓力：Ps=Pso+Cd·qo=22.4kPa(前墻拖拽力系數(shù)Cd=1.0)。

(6)正壓沖量：Iw=0.5·(Pr-Ps)·tc+0.5·Ps·td=1.633。

(7)反射壓持續(xù)時(shí)間：tc=3S/U=0.045s

(8)前墻正壓等效作用時(shí)間：te=2IW/Pr=(td-tc)·Ps/Pr+tc=0.072s。

《規(guī)范》5.5節(jié)規(guī)定：有爆炸荷載參與時(shí)，風(fēng)、雪、地震作用不應(yīng)參與組合，且各個(gè)荷載的分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。故在研究爆炸荷載下的前墻時(shí)，僅考慮爆炸荷載即可滿足規(guī)范要求。

墻板抗彎承載能力：Mpc=α1fdcbx(h0-x/2)=272.6kN·m(h0為墻板有效高度，取285mm)

根據(jù)《規(guī)范》5.6.5—5.6.7，截面參數(shù)計(jì)算如下：

截面平均慣性矩：Ia=0.5(Ig+Icr)=1.44×109mm4

均布質(zhì)量傳遞系數(shù)：Km=0.50

荷載傳遞系數(shù)：KL=0.64

等效質(zhì)量：Me=Km·m=4875kg

查圖4可知：

從圖4中可以得出μ≈1.5，而《規(guī)范》表5.6.3的限值[μ]為3，滿足規(guī)范要求。

圖4 規(guī)范附圖

4 結(jié)語

在具體的控制室抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用單自由度體系動(dòng)力分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)的變形，這是與普通建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要轉(zhuǎn)變思路，拋掉強(qiáng)度決定安全，變形影響使用功能的思想。爆炸荷載屬于偶然荷載，國(guó)內(nèi)這方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)大多借鑒國(guó)外資料，在編制時(shí)難免會(huì)有疏漏。而對(duì)規(guī)范的權(quán)威解讀又相對(duì)較少，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在查閱規(guī)范時(shí)獨(dú)立思考，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等知識(shí)對(duì)規(guī)范進(jìn)行判斷并歸納總結(jié)設(shè)計(jì)思路，從而進(jìn)行正確的分析計(jì)算。