石油化工控制室抗爆結構設計

鄒瑜 中國成達工程有限公司 成都 610041

石油化工控制室抗爆結構設計

鄒瑜*中國成達工程有限公司 成都 610041

結合工程實例，介紹石油化工控制室抗爆結構設計的范圍、結構形式、爆炸荷載、設計理念、設計步驟和要點等內容。

抗爆控制室蒸氣云爆炸單自由度體系動力分析方法性能化設計

石油化工行業由于其生產加工的產品大多具有易燃易爆的特點，因此在生產過程中有發生爆炸的危險。控制室作為全廠或裝置生產的指揮中心，當發生爆炸事故時，必須確保設備正常工作及操作人員生命安全，不會因為控制室結構坍塌，導致功能失常而引發各類次生災害。隨著人們安全意識的提高，控制室抗爆的重要性日漸凸顯，應用也越來越多。爆炸荷載是動荷載，其發生來源和作用機理都具有很強的特殊性，不同于常規的靜荷載。

2009 年以前，國內控制室抗爆設計結構專業并無規范可遵循，工程設計人員大多參照相關資料或工程經驗來進行設計。2009年年末《石油化工控制室抗爆設計規范》(以下簡稱《規范》)發布，并于2010年6月1日開始正式實施。這本行業規范在很大程度上借鑒美國土木工程協會(ASCE)編寫的《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》，對控制室抗爆設計進行了提綱挈領的闡述，工程技術人員在進行抗爆設計時有規范做指導。本文結合實際工程控制室抗爆設計，闡述石油化工抗爆控制室的結構設計應用，供類似工程參考。

1 控制室抗爆設計范圍

石油化工裝置控制室抗爆設計的范圍，一直以來沒有明確的界定，2009年發布的《規范》上也沒有明確提及，執行上可能存在項目不同、設計單位不同，抗爆設計范圍也各異的情況。

中國成達工程有限公司對控制室、現場機柜間需采用抗爆設計的范圍規定如下:

(1)中石化、中石油、中海油等執行國內石油石化行業標準的建設項目。

(2)國外引進項目或工藝包、基礎設計等文件提出要求的建設項目。

(3)業主提出要求進行抗爆設計的建設項目。

(4)項目安全評價、政府部門安全消防審查意見中提出需要進行抗爆設計的建設項目。

2 抗爆控制室結構形式

《規范》5.1.3和5.1.4條規定:對于承受爆炸荷載的建筑物，建筑平面宜為矩形，層數宜為一層。建筑物應采用鋼筋混凝土結構，其受力體系的布置、外墻墻體構造及厚度應通過結構計算確定，典型布置見圖1。

圖1 控制室典型結構布置圖

從控制室典型結構布置上看，體現了兩道防線的抗爆設計理念:爆炸動水平荷載由外圍剪力墻屈服耗能，內部框架只承擔豎向力，保證了結構不致坍塌，從而保證控制室的安全。為了保證上述理念得以實現，結構布置時應將剪力墻和框架柱脫開布置，二者之間保留一定距離d。

d=tgθ×H/2

式中，d為剪刀墻和框架柱的距離;θ為剪力墻彈塑性轉角;H為墻板計算跨度，取屋蓋到基礎頂面的高度。

由于人工費用較高，美國ASCE推薦的多為內部鋼框架、外圍裝配式鋼筋混凝土剪力墻的結構形式，雖有些區別，但設計理念一致。

3 爆炸荷載

石油化工裝置中可能發生的爆炸有蒸汽云爆炸、壓力容器爆炸、濃縮相物質爆炸以及粉塵爆炸等。雖然可能發生的爆炸存在多種形式，但石油化工裝置主要以蒸氣云爆炸為主。蒸氣云是指由易燃易爆氣體泄漏后在空氣中形成的氣團，由于蒸氣云可以在空中自由飄移，因此它的爆炸位置和方向具有很大的不確定性。

爆炸最主要的特征是被壓縮的能量突然向空氣中釋放，形成瞬時壓力增加現象，即爆炸波超壓，傳遞到建筑物上時就形成爆炸荷載。由于爆炸波在空氣中形成后，在傳播過程中強度衰減得很快，建筑物隨著距離爆炸源的遠近不同，形成的爆炸波壓力是不同的，一般情況下，爆炸在臨近區域形成沖擊波形式，在遠離區域形成壓力波形式。兩種爆炸波的表現形式見圖2。

圖2 兩種爆炸波的表現形式

鋼筋混凝土結構中產生的沖擊波或壓力波在負壓階段形成的沖擊能量，遠遠低于正壓階段，對建筑物影響較小，通常在抗爆設計中可以不予考慮。

用于確定爆炸荷載代表值的參數主要包括:①沖擊波峰值入射超壓PS0;②正壓作用時間td。一般情況下該兩項參數應由業主提供《蒸汽云爆炸定量分析報告》確定，但在沒有相關報告數據時，《規范》6.3.1條規定，取沖擊波峰值入射超壓21kPa，正壓作用時間100ms;或沖擊波峰值入射超壓69kPa，正壓作用時間20ms。

確定了以上兩個基本參數以后，可以通過公式求得波速、峰值動壓、波長以及作用在建筑物前墻、側墻、屋面和后墻的爆炸荷載。《規范》6.3.2至6.4.4條詳細地給出了這些計算公式，限于篇幅，不再一一羅列。

4 抗爆設計方法

《規范》6.1.4條規定:控制室結構在爆炸荷載作用下，其動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力分析的方法。

等效靜荷載分析方法是將爆炸荷載轉化為等效靜荷載，然后再用常規的結構設計方法進行設計，《規范》附錄E給出了等效靜荷載的計算公式。由于等效靜荷載的分析方法采用的是常規的結構設計方法，不允許出現塑性變形，而爆炸荷載是瞬間荷載，其加載過程和作用時間與靜力荷載有著本質的不同，如果不管爆炸荷載的動力特性，按照常規方法來進行設計，則勢必出現設計過于保守、材料浪費大、造價高且存在安全隱患等問題。

單自由度體系動力設計方法，簡言之就是將建筑物的每一部分結構構件都簡化為單自由度的構件來進行動力分析，在爆炸荷載作用下允許構件出現塑性鉸從而進入彈塑性工作階段，設計以控制構件的變形為主。這種設計方法充分體現了抗爆設計中的性能設計理念，在滿足安全性的前提下最大程度地兼顧了經濟性，是目前進行抗爆設計的最優方法。

因此，現階段采用單自由度體系動力分析的方法來進行控制室的抗爆設計是比較合適的。

5 控制室抗爆設計步驟和要點

5.1 設計步驟

抗爆控制室的結構設計主要分四步:

5.1.1 結構整體分析

結構整體分析同常規設計，需要在PKPM或其它軟件中進行三維建模，以進行結構整體性計算，這里不再贅述。應注意在建模時必須將外圍的剪力墻建進模型里，因為在地震作用時，外圍的剪力墻由于剛度很大，地震剪力主要由外圍剪力墻承擔，如果不建進模型里，則進行地震分析時，地震剪力大部分會由柱來承擔，這樣出來的結果會導致柱斷面和配筋的增大，造成不必要的浪費。5.1.2爆炸工況下單一構件分析

爆炸工況主要應考慮爆炸荷載在前墻產生的水平爆炸荷載和在屋蓋產生的垂直爆炸荷載。水平爆炸荷載傳遞路徑為:前墻把受到的爆炸荷載傳遞給屋蓋和基礎，屋蓋再把受到的荷載傳遞給側墻，再由側墻將這部分荷載傳遞給基礎;垂直爆炸荷載則通過屋蓋傳遞給柱，再由柱傳遞給基礎。按照這樣的傳力路徑，房屋的抗爆分析也可以分解為前墻、屋面板、屋面梁、框架柱的單一構件分析，采用單自由度體系的動力設計方法，設計時主要控制構件的變形能力，即《規范》表6.6.2和6.6.3規定的延性比μ和彈塑性轉角θ容許值。

5.1.3 基礎設計

《規范》6.9.2條規定:在有爆炸荷載參與時，基礎設計應進行地基土承載力驗算、基礎抗傾覆及抗滑移驗算。由于爆炸引起的水平荷載較大，同時為保證結構整體穩定性，控制室基礎宜采用筏板基礎或樁筏基礎。

5.1.4 施工圖繪制

在計算完成后進行施工圖繪制中特別要注意的一點是，繪制施工圖時應注意綜合正常使用工況和爆炸工況的結果，一般來說，剪力墻的厚度及配筋，完全采用爆炸工況下的彈塑性分析結果;柱的大小及配筋，則完全采用正常使用工況下的彈性分析結果;屋面板的厚度和配筋，取上述兩種分析結果的較大值;而梁的大小及配筋則應結合兩種分析結果，即梁底正彎矩鋼筋采用爆炸工況下的彈塑性分析結果，而梁端負彎矩鋼筋采用正常使用狀態下的彈性分析結果。應該注意的是，由于配筋率對于結構構件的延性影響較大，因此對于抗爆結構構件，其鋼筋強度等級和配筋面積均應按照計算確定，不能隨意更改鋼筋強度等級或加大鋼筋面積。

5.2 設計要點

本文主要討論爆炸工況下的結構設計要點，正常使用工況下的結構設計不在此討論。

5.2.1 結構構件布置

當采用單自由度體系進行構件的彈塑性動力分析時，由于《規范》受分析方法的局限，目前對于板只能進行單向板的動力分析，而對于梁，只能分析三種荷載作用下的梁，即均布荷載、一個集中荷載和兩個集中荷載。因此，在進行屋蓋系統結構布置時，應注意盡量將板劃分為單向板，并且保證每根框架梁上的集中荷載數量不大于兩個。

5.2.2 材料強度

由于在爆炸荷載的作用下，結構材料的變形率一般會落后于應力加載速率，這種對于荷載的響應方式使材料在最終破壞前達到一個高于最小屈服點的應力值，形成材料強度增加的現象，這種現象使得結構動力承載能力比靜力承載能力有所增加，這個增加值用動力荷載提高系數DIF來衡量;另外，在一般規范和規程中，材料強度是按照最低性能定義的，在實際爆炸受力中，材料平均屈服強度會高于規范中給出的強度，如鋼材的平均屈服強度會比《規范》中規定的屈服強度高出約25%，這種屈服強度的增加用強度提高系數SIF來衡量。因此材料在爆炸荷載作用下的屈服強度Fdy=Fy×DIF×SIF。關于這一點，《規范》6.7.2條有明確規定，設計時應注意。

5.2.3 荷載組合

《規范》6.5條對于荷載效應組合有明確的規定，這里需要強調的是，爆炸荷載作用下各種荷載的分項系數均應取1。

5.2.4 單自由度體系動力分析

詳見工程實例分析。

5.2.5 構造要求

《規范》6.8條對于結構構造要求有明確規定，如框架和剪力墻的構造不應低于《建筑抗震設計規范》二級框架、二級剪力墻的相關要求等，設計時應充分注意。

6 工程實例

某化工中央控制室建筑平面尺寸48.3m× 39.1m，兩層，建筑總高12.5m。該控制室建筑面積大，建筑內部功能復雜，且內部有一個23m× 34.2m的大空間不能設置框架柱，需要采用鋼桁架，因此抗爆設計不能完全應用單自由度體系的彈塑性動力分析，在設計鋼桁架時應采用等效靜荷載的方法進行彈性分析。

結構體系平面布置及基礎平面布置見圖3、圖4和圖5。

結合該工程，單自由度體系動力設計計算步驟如下:

由于業主未提供爆炸相關數據，按照《規范》6.3.1條，取沖擊波峰值入射超壓PS0為21kPa，正壓作用時間td為100ms，根據規范公式可以計算出前墻爆炸荷載如下:

圖3 剪力墻平面布置圖

圖4 屋面結構平面布置圖

圖5 基礎平面布置圖

峰值反射壓力:

峰值動壓:

停滯壓力:

式中，Cd為阻力系數，對于封閉矩形建筑物，前墻的阻力系數取+1.0。

波速:

反射壓持續時間:

式中，S為停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離，取建筑物寬度一半和墻板計算跨度的較小值。

正壓沖量:

前墻正壓等效作用時間:

由于允許墻板兩端出現塑性鉸，因此將墻板簡化成上端簡支于屋面板，下端簡支于基礎的簡支構件，見圖6。

圖6 簡支構件

墻板計算跨度L為13m，取1m寬板帶，則b為1m，假設墻板厚度h為400mm，配豎向受力鋼筋Φ20@120，As為2618 mm2，則:

墻板抗彎承載能力:

式中，α1為系數，取值參見《混凝土結構設計規范》，這里取1.0;fdc為混凝土的動力設計值強度，fdc為23.9 N/mm2;h0為墻板截面有效高度，取385mm;x為混凝土受壓區高度，經計算得47mm。

單位板寬的墻板能承受的均布壓力:

根據《規范》6.6.4到6.6.6條計算公式，以及附錄D，可以求得混凝土構件對形心軸的毛截面慣性矩(忽略鋼筋影響):

式中，Es為鋼筋的彈性模量，取2×105N/mm2; Ec為混凝土的彈性模量，爆炸荷載作用下取靜荷載作用時的1.2倍，為3.6×104N/mm2。

式中，d為構件截面高度，取h。

形成裂縫時的混凝土截面慣性矩:

構件截面慣性矩:

構件剛度:

式中，E取Ec。

等效質量:

式中，質量傳遞系數km取0.5;m為構件質量。

質點振動周期:

式中，KL為荷載或剛度傳遞系數，這里取0.64。

根據以上計算結果，可以查圖7求得延性比μ，但注意表中Ru/P0應取P/Pr，td/tn應取te/tn。

圖7 三角形荷載下的極限抗力－延性比關系

值得一提的是，不同于墻板，該表中的P0應取Pa(作用在側墻及屋面上的有效沖擊波超壓)，按照《規范》6.4.3條計算得出;而Td則應取tr+td，tr(側墻及屋面有效沖擊波超壓升壓時間)按照《規范》6.4.3條計算得出。

由以上墻板計算步驟可以看出，求延性比μ是個反復試算的過程，這個過程計算量很大，尤其在經驗不足的時候，甚至有可能反復多次也不能得出正確的結果。

如果得出的延性比μ小于《規范》容許值3，則墻板的厚度及配筋符合要求，否則，應重復以上步驟，直到求出合適的墻板厚度及配筋。一般情況下，延性比μ滿足《規范》要求，彈塑性轉角θ也能滿足規范要求，θ的計算公式《規范》6.6.3條有明確規定，這里不再討論。

屋面板和屋面梁的計算步驟與以上墻板的計算步驟類似，應查圖8以求得μ。

圖8 脈沖荷載作用下的極限抗力－延性比關系

7 關于《規范》尚未明確的若干問題

《規范》有幾個問題提出討論:

(1)《規范》6.4.3條對于參數L的說明是沖擊波前進方向結構構件的長度。若沖擊波前進方向與建筑物長度方向垂直，則L取建筑物名義單位寬度。這里對于什么叫建筑物名義單位寬度闡述不清，而圖9中建筑物寬度是用L來表示的，這就很容易讓人誤解為L就是指建筑物的寬度。

圖9 建筑物外形

實際上，通過查閱ASCE所編的《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》可以很容易看出，這里的L是指屋面梁或屋面板的計算跨度，而非建筑物的寬度。如果誤將此值取為建筑物寬度，則會造成計算出的爆炸荷載過于小，導致計算結果的不準確。

(2)《規范》6.6.1條:對于受彎構件，其抗剪承載力應比抗彎承載力高20%。除了這條以外，整篇沒有提及抗剪計算的具體方法，因此在設計時，目前只能按抗剪承載力比抗彎承載力高20%來進行構件截面大小和配筋的復核，期望《規范》升級時能將這部分內容補充完善。

(3)《規范》附錄D的表中，“動力反應V”表述不明確，通過查詢ASCE所編寫的抗爆規范可以看出，V值應該是指動力反力，亦即爆炸荷載下的支座反力，有了這個力，就可以進行上面所述的抗剪計算，然而《規范》為何對這部分計算略去不提，期望《規范》升級時能將這部分內容補充完善。

8 結語

石油化工控制室的抗爆設計不同于一般框架剪力墻的設計，采用的是單自由度體系的彈塑性動力分析方法，這種方法強調的是對構件變形的控制，而非常規的應力控制，因此在設計時要擯棄截面越大越好、配筋越多越牢的傳統思想，在爆炸發生時，允許外部結構構件在《規范》規定的范圍內發生變形開裂以吸能耗能，保證主體結構的安全。

1 SH/T 3160－2009，石油化工控制室抗爆設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2009．

2 ASCE．Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities，1997．

With an engineering example，introduce the scope，structural style，explosion load，design concept，design procedures and key points of the antiknock structure design for petrochemical control room．

Antiknock Structure Design of Petrochemical Control Room

Zhou Yu
(China Chengda Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041)

antiknock control roomsteam cloud explosion dynamic analysis method of single-mode systemperformance-based design

*鄒瑜:高級工程師。2000年畢業于南京建筑工程學院建筑工程專業。現從事結構設計工作。聯系電話(028)65531356。

(修改回稿2012－03－08)