石油化工控制室抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉國(guó)強(qiáng) 殷守統(tǒng)

摘 要：本文根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50779-2012（下文簡(jiǎn)稱規(guī)范）和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)受力體系、爆炸荷載及構(gòu)件分析等方面進(jìn)行分析和介紹。

關(guān)鍵詞：控制室；受力體系；計(jì)算模型；抗爆構(gòu)件設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.092

石油化工生產(chǎn)通常具有工藝流程復(fù)雜多樣，生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平高，原料及產(chǎn)品易燃易爆甚至有毒有害，一旦發(fā)生事故將會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。隨著集散控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，控制室在生產(chǎn)過程中的重要性越來越高。控制室作為石油化工裝置生產(chǎn)和指揮中心本著“本質(zhì)安全，管控一體”的思想，控制室應(yīng)形成獨(dú)立工作區(qū)域以保證在某裝置發(fā)生爆炸事故后仍可正常實(shí)現(xiàn)其他裝置的安全停車，避免產(chǎn)生更大事故同時(shí)保證內(nèi)部操作人員安全。

基于設(shè)計(jì)理念和規(guī)范規(guī)定，控制室抗爆設(shè)計(jì)只考慮蒸氣云爆炸，對(duì)于壓力設(shè)備爆炸、液體爆炸等的影響一般不予考慮。

1 受力體系與計(jì)算模型

《規(guī)范》3.0.3條規(guī)定：對(duì)于承受爆炸荷載的建筑物，建筑平面宜為矩形，層數(shù)宜為一層。根據(jù)規(guī)范要求該結(jié)構(gòu)體系應(yīng)采用外抗爆墻-內(nèi)框架的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框架梁柱與抗爆墻設(shè)間隙。間隙應(yīng)能滿足水平爆炸荷載下的外抗爆墻的彈塑性變形不影響內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，以保證爆炸不會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)的破壞。抗爆墻與框架柱保持距離d：

d為抗爆墻與框架柱間隙距離，θ為抗爆墻彈塑性轉(zhuǎn)角，H為墻板計(jì)算跨度。

外抗爆墻承受爆炸荷載，內(nèi)鋼筋混凝土框架梁柱及中間樓板不考慮爆炸引起的動(dòng)力作用，依據(jù)規(guī)范5.7.4規(guī)定采取構(gòu)造措施即可。

對(duì)于封閉建筑物，爆炸載荷主要作用于外墻和屋頂。墻體水平爆炸荷載傳給屋面板和基礎(chǔ)，屋面板承受的墻體水平爆炸荷載再通過對(duì)應(yīng)側(cè)面墻體傳給基礎(chǔ)；屋面板豎向爆炸荷載通過框架梁柱傳至基礎(chǔ)。

抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中只限于外圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接承受爆炸動(dòng)荷載作用，對(duì)內(nèi)墻、與外圍結(jié)構(gòu)脫開的柱及中間樓板等一般不考慮由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的動(dòng)力作用，僅在構(gòu)造上予以適當(dāng)加強(qiáng)（規(guī)范條文5.7.4）。無爆炸荷載時(shí)僅對(duì)內(nèi)框架按照彈性狀態(tài)，用軟件進(jìn)行常規(guī)計(jì)算即可。考慮抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)采用等效靜力分析方法。對(duì)內(nèi)框架柱基礎(chǔ)用軟件常規(guī)計(jì)算；對(duì)外抗爆墻基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行建筑物抗傾覆驗(yàn)算、滑移驗(yàn)算、基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)入恒活荷載及偶然爆炸荷載。

2 抗爆構(gòu)件設(shè)計(jì)—以前墻計(jì)算為例

2.1 項(xiàng)目概況

某中央控制室尺寸48.3m×30.5m，高8.3m；業(yè)主未提供爆炸荷載，則依據(jù)規(guī)范規(guī)定沖擊波峰值入射超壓最大值=21Kpa，正壓作用時(shí)間=0.1s。

2.2 沖擊波參數(shù)

波速：

波峰波峰動(dòng)壓：

沖擊波長(zhǎng)：

2.3 前墻爆炸荷載計(jì)算

峰值反射壓力：

停滯壓力計(jì)算（拖拽力系數(shù)Cd=+1）：

停滯壓力點(diǎn)至建筑物邊緣的最小距離：S=min（H，B/2）=8.3m

峰值反射壓力對(duì)應(yīng)的構(gòu)件沖擊荷載：

反射壓持續(xù)時(shí)間：

正壓沖量：

前墻正壓等效作用時(shí)間：

2.4 前墻抗力計(jì)算

前墻計(jì)算跨度取8.3m，取1m寬的板，假定板厚h=350mm，有效板厚ho=330mm，混凝土強(qiáng)度C30，跨度方向配筋取18@150，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)HRB400。

As=1696mm?>Asmin=0.25%×1000×350=875 mm?（規(guī)范5.8.2）

鋼筋動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

混凝土動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

混凝土受壓區(qū)高度：

前墻抗彎承載力：

前墻彎曲抗力：（規(guī)范表B.1.1-1）

前墻抗剪承載力：

剪切抗力：

抗力：

2.5 前墻構(gòu)件剛度

混凝土構(gòu)件對(duì)形心軸的毛截面慣性矩：

構(gòu)件剛度：

2.6 彈塑性分析時(shí)等效質(zhì)量與震動(dòng)周期

荷載傳遞系數(shù)：

均布質(zhì)量傳遞系數(shù)：

等效墻板質(zhì)量：

質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)周期：

2.7 延性比確定

查圖表A.0.2 μ=2.3<[μ]=3。

2.8 彈塑性轉(zhuǎn)角計(jì)算

變形極限變位：

彈塑性變位：

3 結(jié)語

石油化工抗爆控制室設(shè)計(jì)本質(zhì)是控制抗爆構(gòu)件彈塑性變形來保證爆炸荷載不會(huì)造成內(nèi)部框架主體結(jié)構(gòu)的破壞。設(shè)計(jì)中應(yīng)摒棄配筋越多越安全的設(shè)計(jì)偏見，過大配筋將導(dǎo)致過大剛度承擔(dān)更多爆炸力且減少塑性變形能力。設(shè)計(jì)通常做法是先假定構(gòu)件的配筋，核算構(gòu)件的延性比、轉(zhuǎn)角是否滿足要求，多次計(jì)算選用較少且合理的配筋與截面。國(guó)標(biāo)規(guī)范吸取了《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》的概念和思路，設(shè)計(jì)者可將國(guó)內(nèi)外規(guī)范整合學(xué)習(xí)，減少應(yīng)用過程中的理解偏差。

參考文獻(xiàn)：

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[5]周芳建，方鳴，孫同延.石化控制室結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)思考[J].

作者簡(jiǎn)介：劉國(guó)強(qiáng)（1987-），男，山東泰安人，本科，助理工程師，從事石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。