石化抗爆控制室基礎設計研究

摘 要：石化控制室由于內部設備的重要性，有必要在承受爆炸荷載作用時，除上部結構應具有足夠的抗爆能力外，基礎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抗滑移、傾覆的簡化驗算方法，探討了基礎抵抗爆炸沖擊波的性能，為今后同類項目設計提供參考。

關鍵詞：抗爆結構；滑移；傾覆；樁基礎

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

在石化項目中對新建、擴建和改建石油化工工程的控制室、中心控制室、現場控制室和現場機柜室、以煤為原料制取燃料和化工產品的企業控制室進行抗爆設計，在保證現場操作人員的安全同時，又可以極大地降低二次事故的風險。當前控制室主要為現澆鋼筋混凝土抗爆墻-框架結構，即上部結構由前墻、側墻、屋面以及后墻和內框架組成，基礎則依據地勘報告靈活設計，較為普遍采用的型式有樁基礎、筏板基礎、獨立基礎-剛性地坪等。

考慮到上部結構所傳遞到基礎的荷載沒有統一標準和依據，在基礎設計時造成了極大的安全隱患和經濟浪費。本文探討了一種抗爆控制室基礎豎向承載力、抗滑移、傾覆的簡化驗算方法。

1 基礎設計原則

在無爆炸荷載參與時，基礎設計可按國家現行有關基礎設計標準的規定要求進行計算。在有爆炸荷載參與時，基礎設計應進行地基承載力驗算、基礎抗傾覆及抗滑移驗算。設計時，應采用外墻爆炸荷載、屋面爆炸荷載、恒荷載、活荷載同時組合的動力反應最大值。

1.1 天然地基

（1）進行地基承載力驗算時，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）驗算基礎抗傾覆時，基礎抗不平衡側向動力荷載的傾覆安全系數應取1.2，不計入活荷載的影響。

（3）抗滑移驗算時，抗滑移安全系數應取1.05。當計入基礎的被動土壓力增加抗滑移能力時，基礎的被動土壓力取不平衡荷載的1.5倍，不平衡荷載應取總動水平荷載減去摩擦阻力。

1.2 樁地基

（1）樁基礎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。計入基礎的被動土壓力與樁共同抵抗爆炸水平力時，樁基的最終水平承載力及作用在基礎墻及基礎上的被動抗力組合后，不應小于所需水平抗力的1.5倍。

2 基礎設計方法

2.1 爆炸荷載確定

爆炸荷載由《建設場地安全評估報告》提供或采取《石油化工控制室抗爆設計規范》確定，其中應包含爆炸沖擊波峰值入射超壓和正壓作用時間等設計擬采用參數。

作用在前墻上的爆炸荷載峰值反射壓力及正壓時間：

作用在側墻上以及平屋頂屋面的有效沖擊波超壓及其升壓時間：

2.2 基礎驗算實例

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

依據《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.1.1條：“抗爆控制室結構在爆炸荷載作用下，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”，如圖2：

依據《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.5.1條：“…有爆炸荷載參與時，風、雪荷載、地震作用不參與組合”。驗算爆炸力對樁承臺豎向荷載影響時，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 豎向承載力驗算

爆炸荷載作用下，結構X向總彎矩：Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2），將結構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，基礎豎向承載力驗算：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

結構后墻基礎面積為84.7*3=254.1㎡，爆炸力作用下基礎豎向承載為4130÷254.1=16.25KPa小于地基承載力Fak=230KPa，且《抗爆規》第5.9.4條第一款：“進行地基土承載力驗算時，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。”

通過以上計算方法驗算，可知爆炸力作用下基礎豎向承載力滿足設計要求。

2.2.2 基礎滑移、傾覆驗算

如圖4所示：對結構基礎進行抗滑移、傾覆驗算時，水平爆炸作用產生的滑移及傾覆全部由剛性地坪、回填土、樁承臺、樁及附近原狀場地土承擔，簡化計算如下：

爆炸荷載作用下，樁基水平承載力驗算：

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

計算擬采用下式：

其中：Ph=P=22304.1 kN，

N=34104.54 kN（結構總自重）

G=G1+G2+G3

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

μ=0.30

依據以上規范簡化計算可得：

通過以上簡化方法驗算，可知爆炸力作用下結構抗滑移穩定驗算滿足設計要求。

如圖4所示：對抗爆結構基礎進行抗傾覆驗算，結構基礎與土壤摩擦μ系數取0.3。

結構自重產生水平抗力為：F1=（N+G1+G2）*0.3=38819.8 kN

查《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011式6.7.3-1：

基礎回填土產生水平抗力：

F2=*L=1270.6 kN

結構總抗力：F=F1+F2=40090.4 kN

簡化計算可知： F/P=1.8>1.5

通過以上計算方法驗算，可知爆炸力作用下結構水平抗力驗算滿足設計要求。

3 結論及建議

（1）該計算方法將爆炸荷載作用下的抗爆控制室結構動力分析采用單自由度體系等效靜荷載進行分析。能滿足設計的要求和安全的保證。

（2）本計算方法充分考慮在抗爆控制室進行抗滑移、傾覆驗算時，剛性地坪、回填土、樁承臺、樁及附近原狀場地土對基礎的滑移、傾覆影響作用。使基礎計算更加準確，抗爆性能更好。

參考文獻：

[1]Design of Blast-resistant Buildings In Petrochemical Facilities[M].2nd ed.Reston：ASCE，2010.

[2]GB50779-2012石油化工控制室抗爆設計規范[S].中國計劃出版社，2012.

[3]SH/T3006-201石油化工控制室設計規范[S].中國石化出版社2012.

作者簡介：毛江濤（1984-），男，山東濟南人，碩士，工程師，主要從事石化工程結構設計工作。