淺談石油化工中心控制室結構設計

李 劍

（中國昆侖工程有限公司， 北京 100037）

0 前言

近年來，石化企業(yè)的生產(chǎn)裝置在生產(chǎn)過程中發(fā)生火災、爆炸事故越來越多，造成危害也越來越大。中心控制室作為石油化工企業(yè)的指揮中心，是廠區(qū)內最關鍵的建筑。在爆炸事故中，中心控制室一旦被炸毀將會引起所有裝置癱瘓，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至還會嚴重威脅人員的生命安全。因此，中心控制室必須采用合理的抗爆設計，在發(fā)生爆炸時確保內部操作人員的安全以便能繼續(xù)正常發(fā)出指令，如此才能盡最大限度的減少爆炸帶來的經(jīng)濟損失。對于結構專業(yè)而言，抗爆設計的目標就是在爆炸荷載作用下，主要承重構件不致喪失承載能力，允許構件進入彈塑性工作狀態(tài)，結構不發(fā)生連續(xù)倒塌，經(jīng)一般的修復加固后仍可重新投入使用。

1 中心控制室設計概述

首先總圖設計時，中心控制室宜布置在易燃易爆源全年最小風頻的下風向，并與易燃易爆生產(chǎn)裝置保持一定的距離，既不能太遠也不能太近。距離太近，爆炸沖擊荷載會非常大。距離太遠，不利于節(jié)約用地及生產(chǎn)管理。目前，國內外公認的距離標準為不小于 30m[1]。建筑專業(yè)設計時，中心控制室的平立面應簡單規(guī)則，在滿足工藝、儀表、暖通等其他專業(yè)要求的前提下，高度盡量低，跨度盡量小。

中心控制室的結構設計內容主要有三個方面：結構方案、結構計算以及施工圖繪制。結構方案的制定需要綜合考慮各專業(yè)的實際要求，在滿足各專業(yè)的條件下，充分保證結構安全可靠。結構計算主要分為荷載計算、構件計算。荷載計算分為爆炸荷載和正常荷載兩種形式。正常荷載可按常規(guī)取值，主要應用于框架部分的。爆炸荷載的確定主要包括兩個參數(shù)：①沖擊波峰值入射超壓；②正壓作用時間。在業(yè)主未提供這兩個參數(shù)的情況下，石油化工裝置可按蒸汽云爆炸模型，取沖擊波峰值入射超壓為21kPa，正壓作用時間為lOOms[2]。抗爆構件計算的主要步驟[1]：

1）初步假定外圍抗爆墻的截面大小、配筋面積、混凝土及鋼筋強度等設計參數(shù)；

2）計算混凝土、鋼筋在動力特性下的設計強度及材料性能；

3）動力求解（其動力分析可近似采用等效靜荷載分析方法或單自由度體系動力分析的方法），根據(jù)計算結果驗算延性比和轉角變形；

4）框架部分單獨計算，按正常荷載狀態(tài)設計，應用盈建科或PKPM 等設計程序；

5）基礎：由于爆炸引起的水平?jīng)_擊荷載較大，同時為保證結構整體穩(wěn)定性，抗爆墻與框架柱宜采用筏板基礎或條形基礎，基礎在滿足承載力的同時還需驗算抗滑移、抗傾覆。

繪制施工圖要對比分析正常使用工況和爆炸工況的結果，例如抗爆墻的截面大小及配筋，應全部采用爆炸工況下的彈塑性分析結果；柱的截面及配筋，則采用正常使用工況下的彈性分析結果。另外要特別注意抗爆構造措施，例如抗爆墻洞口周邊要加筋補強，抗爆墻轉角要設置邊緣構件加強，抗爆墻與基礎鉸接處要設置交叉斜筋等。

2 中心控制室結構設計中應注意的問題

2.1 多工況下的復核

我國位于地震多發(fā)地帶，特別是近年來地震頻發(fā)，給人們的生命財產(chǎn)造成了嚴重影響。有些設計人員容易忽視地震工況的復核，認為爆炸工況的設計結果一定是最安全的，但是如果存在以下情況：地震烈度高，場地條件差，建筑較高，跨度較大等，地震工況有可能起控制作用。設計時一定要綜合各種工況，進行包絡設計。

2.2 結構體系的選擇

合理的結構體系應選用抗爆墻與框架組合的形式，其中抗爆墻應與框架脫開布置，抗爆墻承擔全部水平爆炸荷載，豎向荷載由框架承擔。一些設計人員沒有把抗爆墻和框架柱進行脫開設置，導致結構傳力路線不清晰。如果抗爆墻與框架柱整澆在一起不脫開，二者相當于剛接，由于剪力墻剛度大，變形亦大，從而導致框架柱彎曲變形也很大，這對于抗爆結構是極其不利的。爆炸荷載越大，迎爆面框架柱變形破壞就越嚴重，一旦失去承受豎向荷載的能力，結構將發(fā)生倒塌。另外，抗爆墻與框架柱脫開后，上下兩端宜應分別鉸接于樓板和基礎，做到只傳遞剪力而不傳遞彎矩。

2.3 設計參數(shù)的選取

結構體系確定之后，采用合理的設計參數(shù)能實現(xiàn)優(yōu)化設計，從而減少工程造價和工程量。有些設計人員認為結構剛度越大，抗爆就越有利，其實這是一個誤區(qū)。抗爆設計采用的是彈塑性動力分析方法，這種方法允許構件在規(guī)范允許范圍內出現(xiàn)開裂變形，更好的起到吸收、消耗爆炸能的作用。例如混凝土，計算表明當混凝土強度等級高于C40 時，再提高混凝土強度等級對降低構件延性比不起任何作用。對于鋼筋，《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》5.2.3 條規(guī)定: “抗爆構件的鋼筋強度等級和配筋面積應按計算確定，不得任意提高鋼筋強度等級和加大配筋截面”[2]。這是因為配筋率深刻影響著構件的延性，對于抗爆構件而言，配筋面積、鋼筋強度等級均應嚴格按照計算確定，不能隨意放大鋼筋面積或鋼筋強度等級。由此可見，盲目放大一些設計參數(shù)，只會增加經(jīng)濟成本，對結構起不到任何好處。

2.4 規(guī)范有待完善

《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》5.6.2 條提出：對于受彎構件，其抗剪承載力應比抗彎承載力高20%[2]。這種說法的概念比較模糊，抗剪計算的具體方法規(guī)范只字未提，希望規(guī)范升版修訂時把這塊的內容補充完整[4]。

2.5 預應力結構研究少

由于預應力混凝土結構延性很好，不會發(fā)生脆性破壞，因此比較適合應用于抗爆結構。另外,預應力結構還具有截面小、強度高、不開裂等特點，有利于結構安全的同時也便于建筑、工藝等其他專業(yè)進行布置。但是，目前國內外關于預應力混凝土結構應用于抗爆結構方面的研究甚少，國內只有李硯召等人做過少量研究，國外也只有日本和美國開展過這方面的研究，但至今還未見應用于工程實踐[3]。

3 結束語

作為抗爆結構，中心控制室建筑外形看似簡單，但其結構設計卻繁瑣復雜。雖然石化裝置發(fā)生爆炸的概率很小，但是結構設計必須做到安全可靠，這對結構設計人員提出了更高的要求。類似于地震作用，爆炸荷載也是一種偶然作用，充滿復雜性和未知性，瞬時沖擊力極大，因此結構工程師更應該重視抗爆的概念性設計。首先，結構方案的確定階段要積極與其他專業(yè)進行溝通，為優(yōu)化結構設計創(chuàng)造最有利條件。其次，采用的結構體系應具有冗余度多、塑性變形能力大、延性好的特點，確保中心控制室在爆炸時不發(fā)生脆性破壞而倒塌，繼續(xù)發(fā)揮全廠指揮官的功能。