石油化工控制室抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

黃勇標(biāo)

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

1 建筑總圖布置

建筑物是否需要抗爆、確定抗爆建筑物平面布置、建筑物抗爆炸沖擊波的大小一般都應(yīng)經(jīng)過安全分析后才能確定。

新建抗爆建筑物平面布置除應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50160—2018）和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）的規(guī)定，還應(yīng)滿足下列要求：①建筑物應(yīng)獨(dú)立設(shè)置。②建筑安全出口不應(yīng)直接面向有爆炸危險(xiǎn)性的裝置或設(shè)備；設(shè)置多個(gè)出口時(shí)，宜在不同的方向設(shè)置[1]。

2 抗爆設(shè)計(jì)分析

2.1 控制室抗爆設(shè)計(jì)的設(shè)防目標(biāo)

（1）保證人員生命安全。

（2）發(fā)生事故時(shí)裝置處于受控狀態(tài)，能夠執(zhí)行停車、切斷等控制操作，防止工藝裝置失控導(dǎo)致級(jí)聯(lián)事故，使其影響擴(kuò)散。

（3）避免造成經(jīng)濟(jì)損失或?qū)⒔?jīng)濟(jì)損失降至最低。

2.2 抗爆控制室的結(jié)構(gòu)組成和傳力路徑分析

抗爆控制室以單層框-剪抗爆結(jié)構(gòu)為例，抗爆結(jié)構(gòu)體系由外墻、屋蓋、框架和基礎(chǔ)4 個(gè)部分構(gòu)成。

外墻是直接承擔(dān)水平爆炸荷載的構(gòu)件。直接面向爆炸源的外墻為前墻；把墻面與爆炸沖擊波前進(jìn)方向平行的外墻為側(cè)墻；背向爆炸源的外墻為后墻。水平爆炸荷載傳給前墻或后墻，前墻荷載通過屋蓋傳至側(cè)墻，最后由外墻系統(tǒng)傳至基礎(chǔ)[2]。

屋蓋結(jié)構(gòu)由屋面板、次梁、屋面主梁組成。屋面板在平面外直接承受豎向爆炸荷載，并將這些荷載傳給次梁，次梁承受屋面板傳來的豎向爆炸荷載再將荷載傳給主梁，最后由主梁將荷載傳至框架柱。

由外墻和屋面組成的箱型結(jié)構(gòu)，其側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于框架的側(cè)向剛度。屋蓋結(jié)構(gòu)與內(nèi)部框架柱脫開布置，實(shí)現(xiàn)爆炸水平荷載由外圍抗爆墻屈服耗能而內(nèi)部框架不承受爆炸水平荷載，只承受垂直荷載。

2.3 抗爆控制室的構(gòu)件抗爆動(dòng)力計(jì)算的流程

由于前墻承受的爆炸沖擊波反射壓最大，它在外墻的平面外設(shè)計(jì)中起控制作用。由于篇幅有限，本文僅以前墻為例，探討構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)的基本流程。

2.3.1 建立計(jì)算模型

根據(jù)蒸汽云爆炸模型來區(qū)分爆炸荷載的特點(diǎn)，采用非線性多自由度的動(dòng)力計(jì)算模型對(duì)建筑物進(jìn)行動(dòng)力分析。當(dāng)采用單層鋼筋混凝土抗爆墻結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)件呈現(xiàn)單自由度動(dòng)力特征，可采用單自由度的動(dòng)力計(jì)算模型。

前墻四邊分別支承在基礎(chǔ)、屋面和側(cè)墻上。由于一般控制室為單層結(jié)構(gòu)，而且一般情況下前墻的寬度遠(yuǎn)大于其高度，前墻可簡化為單向板結(jié)構(gòu)，即按單跨豎向簡支板，一端鉸接與屋面板，另一端與基礎(chǔ)鉸接，取b=1 m 寬為單元來計(jì)算。

2.3.2 爆炸荷載特點(diǎn)及計(jì)算

石油化工行業(yè)建筑物的抗爆設(shè)計(jì)一般采用蒸氣云爆炸模型。建筑物抗爆炸沖擊波的大小由安全分析后確定。當(dāng)未進(jìn)行評(píng)估時(shí)，也可按下列規(guī)定確定，并應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中說明[3]。

（1）沖擊波峰值入射超壓最大值取21 kPa，正壓作用時(shí)間為100 ms；也可取沖擊波峰值入射超壓最大值69 kPa，正壓作用時(shí)間取20 ms。

（2）爆炸沖擊波形取時(shí)間為零至正壓作用時(shí)間，峰值入射壓超壓從最大到零的三角形分布[3]。

假定爆炸源位于前墻正前方，前墻墻面與沖擊波傳播方向垂直，它的入射角為0°，這時(shí)反射系數(shù)最大。最大峰值反射壓力Pr按式（1）計(jì)算。

為了計(jì)算方便，把前墻爆炸沖擊波超壓-時(shí)間曲線簡化為等效三角形，如式（3）到式（6）所示。

式中：Pr——峰值反射壓力，kPa；Pso——峰值入射超壓，kPa；tc——反射壓持續(xù)時(shí)間，s；Ps——停滯壓力，kPa；td——正壓作用時(shí)間，s；S——停滯壓力點(diǎn)至建筑物邊緣的最小距離；IW——正壓沖量；te——前墻正壓等效作用時(shí)間。

2.3.3 確定材料動(dòng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度

抗爆結(jié)構(gòu)材料要在材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上連乘材料強(qiáng)度提高系數(shù)和動(dòng)力提高系數(shù)。

2.3.4 截面承載力計(jì)算

截面受壓區(qū)高度如式（7）所示。

截面抗彎承載力如式（8）所示。

式中：h0——墻體截面有效高度。

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012）附錄B.0.1-1，在均布荷載作用下，單跨簡支構(gòu)件的彎曲抗力計(jì)算如下。

截面彎曲抗力如式（9）所示。

截面剪切抗力如式（10）所示。

截面極限抗力如式（11）所示。

2.3.5 確定允許變形

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012）第5.6 條，并考慮構(gòu)件的彎、剪破壞狀態(tài)確定前墻的允許變形。如果Ru=Rb，屬于受彎控制，僅需驗(yàn)算支座轉(zhuǎn)角變形，其支座允許轉(zhuǎn)角變形[θ]=2°。如果Ru=Rs，屬于受剪控制，需要驗(yàn)算延性比和支座轉(zhuǎn)角變形。

按照規(guī)范前墻設(shè)計(jì)成強(qiáng)剪弱彎構(gòu)件，抗剪承載力應(yīng)高于抗彎承載力20%。一旦出現(xiàn)受剪控制，應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整截面尺寸，提高抗剪承載力。

2.3.6 振動(dòng)周期計(jì)算

（1）彈性剛度計(jì)算。

毛截面慣性矩如式（12）所示。

截面開裂慣性矩如式（13）所示。

平均慣性矩如式（14）到式（16）所示。

式中：Es——鋼筋彈性模量；Ec——混凝土彈性模量。

彈性剛度如式（17）所示。

（2）等效質(zhì)量計(jì)算。

墻板質(zhì)量如式（18）所示。

等效單自由度體系荷載-質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)如式（19）所示。

式中：KM、KL分別為質(zhì)量傳遞系數(shù)和荷載傳遞系數(shù)，在《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012）附錄B 查取。對(duì)兩端簡支情況的彈塑性分析，可取彈性、塑性狀態(tài)的平均值。

等效質(zhì)量如式（20）所示。

（3）求解振動(dòng)周期。

2.3.7 彈塑性變形驗(yàn)算

跨中極限彈性變形如式（22）所示。

根據(jù)td/tN，Ru/Po，查《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012）附錄 A 的圖 A.0.2，得到延性比μ。

前墻跨中彈塑性變形如式（23）所示。

彈塑性轉(zhuǎn)角如式（24）所示。

2.4 工程實(shí)例計(jì)算分析

以中石化某分公司現(xiàn)場機(jī)柜間抗爆墻設(shè)計(jì)為例，按《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012）取爆炸荷載，爆炸沖擊波峰值入射超壓Pso=21 kPa，正壓作用時(shí)間為100 ms。機(jī)柜間采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，長18 m，寬18 m，計(jì)算高度為7.4 m，混凝土采用C35 水泥，鋼筋采用HRB400，墻厚 300 mm，主筋配 18@150。

2.4.1 荷載計(jì)算

2.4.2 確定材料動(dòng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度

fck=23.4 MPa，ftk=2.2 MPa，fyk=400 MPa，h=300 mm，As=1696 mm2。取強(qiáng)度提高系數(shù)，鋼筋取1.1，混凝土取1；取動(dòng)力提高系數(shù)，鋼筋取1.17，混凝土取1.19。

2.4.3 截面承載力計(jì)算

Rs/Rb=4.13>1.2，說明本構(gòu)件由受彎控制，僅需驗(yàn)算支座轉(zhuǎn)角變形。其支座允許轉(zhuǎn)角變形[θ]=2°。

2.4.4 振動(dòng)周期計(jì)算

2.4.5 彈塑性變形驗(yàn)算

跨中極限彈性變形Xy=Ru/k=0.029 m；te=0.08 s；te/tN=0.56；Ru/P0=0.7。

查《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50779—2012） 附錄 A 的圖 A.0.2，延性比 μ=2.2；Xm=Xyμ=0.064 m。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

樓板、屋面板的跨度不宜大于3 m，厚度不小于125 mm，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不小于0.25%，最大的配筋率不大于1.5%[3]。

鋼筋混凝土抗爆墻厚度不應(yīng)小于200 mm，且不宜小于層高的1/25，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不應(yīng)小于0.25%，最大的配筋率不應(yīng)大于1.5%[4]。

4 結(jié)語

從以上實(shí)例計(jì)算分析可知，抗爆建筑最重要的是，能夠吸納爆炸能量而不造成整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)損毀。基于這個(gè)延性目標(biāo)，石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)要從結(jié)構(gòu)計(jì)算、建筑合理布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和概念設(shè)計(jì)等多個(gè)方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有一定的延性和強(qiáng)度，以保證結(jié)構(gòu)某些部位出現(xiàn)塑性鉸以后具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)和耗能能力。總之，隨著人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，控制室抗爆的重要性日漸凸顯，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。