石化抗爆控制室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

摘 要：石化控制室由于內(nèi)部設(shè)備的重要性，有必要在承受爆炸荷載作用時(shí)，除上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗爆能力外，基礎(chǔ)同樣必須有抵抗爆炸沖擊能力，保障在爆炸沖擊作用下整體的安全性。本文探討了抗爆控制室基礎(chǔ)抗滑移、傾覆的簡(jiǎn)化驗(yàn)算方法，探討了基礎(chǔ)抵抗爆炸沖擊波的性能，為今后同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：抗爆結(jié)構(gòu)；滑移；傾覆；樁基礎(chǔ)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.088

在石化項(xiàng)目中對(duì)新建、擴(kuò)建和改建石油化工工程的控制室、中心控制室、現(xiàn)場(chǎng)控制室和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室、以煤為原料制取燃料和化工產(chǎn)品的企業(yè)控制室進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)，在保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全同時(shí)，又可以極大地降低二次事故的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前控制室主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗爆墻-框架結(jié)構(gòu)，即上部結(jié)構(gòu)由前墻、側(cè)墻、屋面以及后墻和內(nèi)框架組成，基礎(chǔ)則依據(jù)地勘報(bào)告靈活設(shè)計(jì)，較為普遍采用的型式有樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)-剛性地坪等。

考慮到上部結(jié)構(gòu)所傳遞到基礎(chǔ)的荷載沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)造成了極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。本文探討了一種抗爆控制室基礎(chǔ)豎向承載力、抗滑移、傾覆的簡(jiǎn)化驗(yàn)算方法。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

在無(wú)爆炸荷載參與時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求進(jìn)行計(jì)算。在有爆炸荷載參與時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算、基礎(chǔ)抗傾覆及抗滑移驗(yàn)算。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用外墻爆炸荷載、屋面爆炸荷載、恒荷載、活荷載同時(shí)組合的動(dòng)力反應(yīng)最大值。

1.1 天然地基

（1）進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算時(shí)，爆炸荷載作用情況下地基土的允許承載力可取其特征值的2倍。

（2）驗(yàn)算基礎(chǔ)抗傾覆時(shí)，基礎(chǔ)抗不平衡側(cè)向動(dòng)力荷載的傾覆安全系數(shù)應(yīng)取1.2，不計(jì)入活荷載的影響。

（3）抗滑移驗(yàn)算時(shí)，抗滑移安全系數(shù)應(yīng)取1.05。當(dāng)計(jì)入基礎(chǔ)的被動(dòng)土壓力增加抗滑移能力時(shí)，基礎(chǔ)的被動(dòng)土壓力取不平衡荷載的1.5倍，不平衡荷載應(yīng)取總動(dòng)水平荷載減去摩擦阻力。

1.2 樁地基

（1）樁基礎(chǔ)在爆炸荷載作用下的允許垂直承載力，可取其垂直承載力極限值。

（2）樁基礎(chǔ)在爆炸荷載作用下的水平允許承載力，可取其水平極限承載力。計(jì)入基礎(chǔ)的被動(dòng)土壓力與樁共同抵抗爆炸水平力時(shí)，樁基的最終水平承載力及作用在基礎(chǔ)墻及基礎(chǔ)上的被動(dòng)抗力組合后，不應(yīng)小于所需水平抗力的1.5倍。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法

2.1 爆炸荷載確定

爆炸荷載由《建設(shè)場(chǎng)地安全評(píng)估報(bào)告》提供或采取《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，其中應(yīng)包含爆炸沖擊波峰值入射超壓和正壓作用時(shí)間等設(shè)計(jì)擬采用參數(shù)。

作用在前墻上的爆炸荷載峰值反射壓力及正壓時(shí)間：

作用在側(cè)墻上以及平屋頂屋面的有效沖擊波超壓及其升壓時(shí)間：

2.2 基礎(chǔ)驗(yàn)算實(shí)例

某石油化工裝置控制室基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁樁承臺(tái)基礎(chǔ)，沖擊波峰值入射超壓Pmax=21kN/㎡，計(jì)算長(zhǎng)度L=81.7m，計(jì)算寬度B=27m，計(jì)算高度H=10m。

依據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.1條：“抗爆控制室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，其動(dòng)力分析可近似采用單自由度體系動(dòng)力分析的方法或等效靜荷載分析方法”，如圖2：

依據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.1條：“…有爆炸荷載參與時(shí)，風(fēng)、雪荷載、地震作用不參與組合”。驗(yàn)算爆炸力對(duì)樁承臺(tái)豎向荷載影響時(shí)，僅考慮爆炸力作用。前墻P1=0.8Pmax=16.8kN/㎡， 后墻P2=-0.5Pmax=-10.5kN/㎡。

2.2.1 豎向承載力驗(yàn)算

爆炸荷載作用下，結(jié)構(gòu)X向總彎矩：Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2），將結(jié)構(gòu)承受彎矩等效為力偶作用值，即：Mx=F*B。假定：力偶值等效為前、后墻所承受的拉、壓力值。（如圖3所示）

因此，基礎(chǔ)豎向承載力驗(yàn)算：L=81.7m，B=27.0m、H=10.0m

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2）

=13725.6×5+8578.5×5=111520.5 kN.m

F =Mx/B=111520.5÷27=4130 kN

結(jié)構(gòu)后墻基礎(chǔ)面積為84.7*3=254.1㎡，爆炸力作用下基礎(chǔ)豎向承載為4130÷254.1=16.25KPa小于地基承載力Fak=230KPa，且《抗爆規(guī)》第5.9.4條第一款：“進(jìn)行地基土承載力驗(yàn)算時(shí)，爆炸荷載作用情況下地基土的允許承載力可取其特征值的2倍。”

通過(guò)以上計(jì)算方法驗(yàn)算，可知爆炸力作用下基礎(chǔ)豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 基礎(chǔ)滑移、傾覆驗(yàn)算

如圖4所示：對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行抗滑移、傾覆驗(yàn)算時(shí)，水平爆炸作用產(chǎn)生的滑移及傾覆全部由剛性地坪、回填土、樁承臺(tái)、樁及附近原狀場(chǎng)地土承擔(dān)，簡(jiǎn)化計(jì)算如下：

爆炸荷載作用下，樁基水平承載力驗(yàn)算：

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

P= Pa+ Pb=13725.6+8578.5=22304.1 kN

計(jì)算擬采用下式：

其中：Ph=P=22304.1 kN，

N=34104.54 kN（結(jié)構(gòu)總自重）

G=G1+G2+G3

=34104.54+0+95294.88=129399.42 （G1為基礎(chǔ)重；G2為剛性地坪重，G3為回填土重）

μ=0.30

依據(jù)以上規(guī)范簡(jiǎn)化計(jì)算可得：

通過(guò)以上簡(jiǎn)化方法驗(yàn)算，可知爆炸力作用下結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖4所示：對(duì)抗爆結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與土壤摩擦μ系數(shù)取0.3。

結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生水平抗力為：F1=（N+G1+G2）*0.3=38819.8 kN

查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011式6.7.3-1：

基礎(chǔ)回填土產(chǎn)生水平抗力：

F2=*L=1270.6 kN

結(jié)構(gòu)總抗力：F=F1+F2=40090.4 kN

簡(jiǎn)化計(jì)算可知： F/P=1.8>1.5

通過(guò)以上計(jì)算方法驗(yàn)算，可知爆炸力作用下結(jié)構(gòu)水平抗力驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論及建議

（1）該計(jì)算方法將爆炸荷載作用下的抗爆控制室結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析采用單自由度體系等效靜荷載進(jìn)行分析。能滿足設(shè)計(jì)的要求和安全的保證。

（2）本計(jì)算方法充分考慮在抗爆控制室進(jìn)行抗滑移、傾覆驗(yàn)算時(shí)，剛性地坪、回填土、樁承臺(tái)、樁及附近原狀場(chǎng)地土對(duì)基礎(chǔ)的滑移、傾覆影響作用。使基礎(chǔ)計(jì)算更加準(zhǔn)確，抗爆性能更好。

參考文獻(xiàn)：

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[3]SH/T3006-201石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)石化出版社2012.

作者簡(jiǎn)介：毛江濤（1984-），男，山東濟(jì)南人，碩士，工程師，主要從事石化工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。