石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)專業(yè)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

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(jì)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(shí)為我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量，但是化工行業(yè)的發(fā)展也同時(shí)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(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。事故發(fā)生時(shí)，首先要啟動的就是應(yīng)急預(yù)案，作為全廠的“神經(jīng)中樞”，控制室就應(yīng)保證在任何情況下都能正常運(yùn)行，這就對控制室提出了比項(xiàng)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(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)，下面根據(jù)我自己設(shè)計(jì)的幾個(gè)抗爆控制室在設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)構(gòu)專業(yè)注意的事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)說明。

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

1）控制室抗爆設(shè)計(jì)采用的峰值入射超壓及相應(yīng)的正壓作用時(shí)間，應(yīng)根據(jù)石油化工裝置性質(zhì)以及平面布置等因素進(jìn)行安全分析綜合評估確定。但是國內(nèi)的項(xiàng)目一般都不提供此參數(shù)，當(dāng)不進(jìn)行評估時(shí)，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(shí)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(shí)間可取20ms。

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

本項(xiàng)目在計(jì)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(shí)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(cè)墻及屋面、后墻取-0.4。

3）停滯壓力點(diǎn)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(jìn)行計(jì)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(xiǎn)的建筑物前墻爆炸荷載進(jìn)行計(jì)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(shí)間tc=3S/U，具體每個(gè)項(xiàng)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(shí)間tc=2Iw/Pr

選擇我設(shè)計(jì)過的一個(gè)項(xiàng)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(gè)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(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

1)根據(jù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制室，要求當(dāng)遭受一次爆炸荷載作用，可能局部損壞時(shí)，經(jīng)一般修理應(yīng)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(xiàng)目雖然建筑物總層高為兩層，但在計(jì)算抗爆墻時(shí)，我們?nèi)园凑找粚觼碛?jì)算整體的墻高度。

3)建筑物外墻不應(yīng)設(shè)置雨篷、挑檐等附屬結(jié)構(gòu)。

4)建筑物不得設(shè)置變形縫。

5)抗爆控制室結(jié)構(gòu)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(yàn)，當(dāng)采用單層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，構(gòu)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(jì)算模型。

6)抗爆控制室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的承載力及變形，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫可不進(jìn)行驗(yàn)算。

以上幾點(diǎn)從根本上說明了抗爆控制室在力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，抗爆設(shè)計(jì)更應(yīng)該注重概念設(shè)計(jì)，從建筑布局、結(jié)構(gòu)選型、平面布置、結(jié)構(gòu)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(jìn)行了模型的簡化。根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)抗爆設(shè)計(jì)的性能設(shè)計(jì)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(jì)性，結(jié)合國內(nèi)外設(shè)計(jì)實(shí)例，此次設(shè)計(jì)將內(nèi)部梁柱框架與抗爆墻體分開設(shè)計(jì)并分別計(jì)算，這是目前為止進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)的最優(yōu)方法，其簡化模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 計(jì)算模型平面布置

圖2 計(jì)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(gè)基本接近現(xiàn)實(shí)的假設(shè)。

假設(shè)抗爆墻體采用混凝土的強(qiáng)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(hù)層厚c=15mm。以上的材料選定后，可根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與其它參數(shù)一并查出。如：混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck、混凝土受壓和受拉的彈性模量Ec、鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk、鋼筋的彈性模量Es 等計(jì)算所需數(shù)值。并根據(jù)所查數(shù)值計(jì)算出材料的動力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。材料的動力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式可參見《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》的第5.7.2 條，在此不再贅述。

2.2 抗爆計(jì)算

模型簡化完成，計(jì)算所需的材料假設(shè)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(jìn)行抗爆計(jì)算。

計(jì)算過程需要設(shè)計(jì)師細(xì)心與耐心，特別是根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表時(shí)，更是需要我們仔細(xì)，因?yàn)樯晕⒋中拇笠恻c(diǎn)，查出來的數(shù)值可能對我們的計(jì)算影響就會很大。在此僅給出根據(jù)以上所列的各種假設(shè)進(jìn)而計(jì)算出抗爆墻體的最終所需數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性比Ч=Xm/Xy=2.63,基本接近結(jié)構(gòu)構(gòu)件的允許延性比[Ч]=3.0。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性轉(zhuǎn)角 θ=arctan(2π/L0)·180°/π=0.71°。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范給出的彈塑性轉(zhuǎn)角允許值[θ]=1.5°?；诮?jīng)濟(jì)型的要求，這個(gè)結(jié)果說明構(gòu)件的延性不錯(cuò)，但是彈塑性轉(zhuǎn)角較小，即可能墻板厚度太厚或是鋼筋配筋率偏小。此時(shí)需要我們重新對墻體厚度或者是墻體配筋做假設(shè)，繼續(xù)第二遍計(jì)算直到延性和轉(zhuǎn)角均滿足要求為止。

2.3 相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求

1）剪力墻兩端和抗爆門門框墻應(yīng)設(shè)暗柱加強(qiáng)，且應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)邊緣構(gòu)件的規(guī)定。

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

3）鋼筋宜采用搭接接頭。

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

5）基礎(chǔ)埋深不宜＜1.5m。設(shè)計(jì)時(shí)可計(jì)入剛性地坪對基礎(chǔ)的嵌固作用。

2.4 需要特別引起注意的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

1)抗爆控制室采用矩形平面，也是為了傳遞爆炸力時(shí)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(jié)構(gòu)。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(chǔ)采用鉸接方式連接。

5)基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，獨(dú)立基礎(chǔ)間宜設(shè)系梁。

3 結(jié)論

文中所述項(xiàng)目自2017 年9 月設(shè)計(jì)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(jì)算控制室，抗爆墻單獨(dú)承擔(dān)瞬時(shí)的爆炸荷載，允許其出現(xiàn)塑性鉸，而內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)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(jì)算方法，不但傳力路徑更加清晰明確，而且計(jì)算得出的基礎(chǔ)及梁柱更加貼近現(xiàn)實(shí)，節(jié)省了混凝土及鋼筋用量，更加經(jīng)濟(jì)。

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