石油化工控制室抗爆結構設計探討

劉國強 殷守統

摘 要：本文根據《石油化工控制室抗爆設計規范》GB50779-2012（下文簡稱規范）和工程設計經驗，從結構受力體系、爆炸荷載及構件分析等方面進行分析和介紹。

關鍵詞：控制室；受力體系；計算模型；抗爆構件設計

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

石油化工生產通常具有工藝流程復雜多樣，生產過程自動化水平高，原料及產品易燃易爆甚至有毒有害，一旦發生事故將會造成人員傷亡和財產損失。隨著集散控制系統的廣泛應用，控制室在生產過程中的重要性越來越高。控制室作為石油化工裝置生產和指揮中心本著“本質安全，管控一體”的思想，控制室應形成獨立工作區域以保證在某裝置發生爆炸事故后仍可正常實現其他裝置的安全停車，避免產生更大事故同時保證內部操作人員安全。

基于設計理念和規范規定，控制室抗爆設計只考慮蒸氣云爆炸，對于壓力設備爆炸、液體爆炸等的影響一般不予考慮。

1 受力體系與計算模型

《規范》3.0.3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。根據規范要求該結構體系應采用外抗爆墻-內框架的鋼筋混凝土結構，框架梁柱與抗爆墻設間隙。間隙應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框架結構，以保證爆炸不會造成主體結構的破壞。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為抗爆墻彈塑性轉角，H為墻板計算跨度。

外抗爆墻承受爆炸荷載，內鋼筋混凝土框架梁柱及中間樓板不考慮爆炸引起的動力作用，依據規范5.7.4規定采取構造措施即可。

對于封閉建筑物，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，屋面板承受的墻體水平爆炸荷載再通過對應側面墻體傳給基礎；屋面板豎向爆炸荷載通過框架梁柱傳至基礎。

抗爆結構設計中只限于外圍結構構件直接承受爆炸動荷載作用，對內墻、與外圍結構脫開的柱及中間樓板等一般不考慮由于結構振動引起的動力作用，僅在構造上予以適當加強（規范條文5.7.4）。無爆炸荷載時僅對內框架按照彈性狀態，用軟件進行常規計算即可。考慮抗爆設計時，基礎設計應采用等效靜力分析方法。對內框架柱基礎用軟件常規計算；對外抗爆墻基礎應進行建筑物抗傾覆驗算、滑移驗算、基礎承載力驗算，計算時應計入恒活荷載及偶然爆炸荷載。

2 抗爆構件設計—以前墻計算為例

2.1 項目概況

某中央控制室尺寸48.3m×30.5m，高8.3m；業主未提供爆炸荷載，則依據規范規定沖擊波峰值入射超壓最大值=21Kpa，正壓作用時間=0.1s。

2.2 沖擊波參數

波速：

波峰波峰動壓：

沖擊波長：

2.3 前墻爆炸荷載計算

峰值反射壓力：

停滯壓力計算（拖拽力系數Cd=+1）：

停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離：S=min（H，B/2）=8.3m

峰值反射壓力對應的構件沖擊荷載：

反射壓持續時間：

正壓沖量：

前墻正壓等效作用時間：

2.4 前墻抗力計算

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

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

鋼筋動力強度設計值：

混凝土動力強度設計值：

混凝土受壓區高度：

前墻抗彎承載力：

前墻彎曲抗力：（規范表B.1.1-1）

前墻抗剪承載力：

剪切抗力：

抗力：

2.5 前墻構件剛度

混凝土構件對形心軸的毛截面慣性矩：

構件剛度：

2.6 彈塑性分析時等效質量與震動周期

荷載傳遞系數：

均布質量傳遞系數：

等效墻板質量：

質點震動周期：

2.7 延性比確定

查圖表A.0.2 μ=2.3<[μ]=3。

2.8 彈塑性轉角計算

變形極限變位：

彈塑性變位：

3 結語

石油化工抗爆控制室設計本質是控制抗爆構件彈塑性變形來保證爆炸荷載不會造成內部框架主體結構的破壞。設計中應摒棄配筋越多越安全的設計偏見，過大配筋將導致過大剛度承擔更多爆炸力且減少塑性變形能力。設計通常做法是先假定構件的配筋，核算構件的延性比、轉角是否滿足要求，多次計算選用較少且合理的配筋與截面。國標規范吸取了《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》的概念和思路，設計者可將國內外規范整合學習，減少應用過程中的理解偏差。

參考文獻：

[1]石油化工控制室抗爆設計規范（SH/T3160-2009）[M].北京：中國石化出版社，2009.

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

[3]《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》[M].USA ：ASCE，1997.

[4]陳春.基于單自由度體系的鋼筋混凝土抗爆墻設計[J].特種結構，2010，27（02）：17-21.

[5]周芳建，方鳴，孫同延.石化控制室結構抗爆設計思考[J].

作者簡介：劉國強（1987-），男，山東泰安人，本科，助理工程師，從事石油化工結構設計。