石油化工抗爆控制室結構設計

黃思遠（北京燕山玉龍石化工程股份有限公司土建室，北京 102500）

1 荷載

抗爆控制室除了受到常規荷載的作用以外，還要抵抗爆炸荷載的作用。爆炸產生的沖擊波是一種瞬時荷載，其特點是荷載大，作用時間短，且荷載大小隨時間變化。

當有專業機構提供的安全分析評估報告時，抗爆控制室的爆炸荷載應按安全分析評估報告采用。如沒有安全分析評估報告，也可按GB50779-2012《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.3.1條采用，所采用的爆炸荷載應在設計文件中加以說明。

2 抗爆控制室設計基本規定

2.1 設計原則

按照規范的設計水準，允許在爆炸事故發生后，結構處于非彈性狀態而不至于倒塌。即建筑物在遭受爆炸荷載作用后允許發生一定程度的損壞，但修復后仍可繼續使用。計算在爆炸荷載作用下結構的變形，將延性比和支座轉角等變形指標控制在規范允許的范圍內。

由于爆炸荷載屬偶然作用，具有較大的不確定性，因此概念設計在抗爆設計過程中應引起足夠的重視，同時應選取合適的計算模型、采取與模型一致的構造措施。

2.2 設計方法

單自由度體系動力分析或等效靜荷載分析方法是在爆炸荷載工況下，規范推薦的抗爆控制室常用的動力分析方法。

2.3 抗爆控制室的結構選型及作用原理

（1）結構選型

抗爆控制室一般采用單層框-剪抗爆結構，外圍抗爆剪力墻與內部框架柱脫開布置，實現爆炸水平荷載由外圍抗爆墻屈服耗能而內部框架不承受爆炸水平荷載（只承受垂直荷載）的目的，保證了主要結構的安全性。抗爆墻與框架柱之間保持距離d=tan θ×H/2(d 為抗爆墻與框架柱的距離；θ 為抗爆墻彈塑性轉角；H 為墻板計算跨度)

（2）爆炸力的傳遞過程

當爆炸發生時，正對爆炸源的抗爆墻將爆炸力傳給上部的屋面板和下部的基礎，由于屋面板平面內剛度很大，屋面板又將荷載傳給側面及后面的抗爆墻，側面及后面的抗爆墻再將荷載傳給基礎，而內部的框架只承受豎向荷載。

2.4 荷載組合

荷載效應組合按國標規范5.5.條執行

2.5 變形控制

在爆炸荷載參與作用下，結構抗爆構件宜按彈塑性工作階段設計。結構構件的延性比和彈塑性轉角應在規范允許的范圍內。

2.6 材料的特性及強度取值

不同等級材料的平均屈服強度高于規范中給定的材料強度值，抗爆設計中采用系數rsif考慮這種情況。當考慮材料特性與應變速率變化的影響時，采用rdif的系數。rdif隨應變速率的增大而增大；在爆炸荷載參與作用的情況下，材料的動力強度比正常使用情況有所提高，采用鋼筋和混凝土的強度乘以以上兩項系數，對此國標規范5.7 條有詳細規定。

3 設計流程

3.1 前期準備階段

根據建筑專業提供的條件，確定抗爆墻的平面位置及結構的抗爆性能目標。根據相關專業條件及規范確定前墻的爆炸荷載。

3.2 確定計算模型及構件試算

抗爆構件的設計過程為試算的過程。首先依據安評報告或規范給出的爆炸力，計算爆炸荷載各項參數。

選擇結構構件材料、設定外墻參數后，進行各個構件的單自由度體系動力計算，根據計算得出的變形結果（延性比、彈塑性轉角）來調整構件的材料和參數，直至符合規范要求。通常的做法是先假定構件的配筋As，核算構件的延性比、轉角是否滿足要求。對結構裂縫可不進行驗算。

3.3 無爆炸荷載參與時的結構計算

不考慮爆炸荷載作用時，結構計算按正常使用情況設計，使用PKPM 或其它結構計算軟件進行計算，對外圍抗爆剪力墻以外的框架結構進行恒、活、風、地震等荷載效應組合下的承載力和正常使用分析。

3.4 施工圖繪制

在計算完成后進行施工圖繪制時，應按正常使用情況結構計算和爆炸荷載參與作用彈塑性計算兩種工況的不利結果進行取值。爆炸荷載參與作用下的彈塑性計算結果是抗爆墻的控制工況，抗爆墻的截面大小、材料的強度等級及配筋量均應按此工況的結果進行設計；框架柱、梁及屋面板的設計應按兩種工況進行包絡設計，按兩種工況的不利結果進行配筋。

應當注意的是，爆炸荷載的大小與抗爆構件的剛度密切相關，抗爆墻的截面大小、混凝土及鋼筋的強度等級、配筋量均應按計算結果進行設計，不得隨意更改。因為配筋率對結構構件的延性影響較大，隨意加大鋼筋面積將削弱構件的變形能力和耗能性能，結構將承受更大的爆炸力，反而會引起安全隱患。

4 工程實例

某化工區中央控制室建筑平面尺寸31.46m×21.46m，單層，計算高度7.8m（層高6.3m）。按規范算法，前墻抗爆計算過程如下：

本項目業主未請專業機構做安全評價，故爆炸荷載按規范5.3.1條進行取值進行分析，按Pso=21kPa，td=100ms計算前墻的爆炸力。

墻板按上、下簡支的單向板考慮。墻板計算跨度為7.8m，取1m 寬板帶，則b 為1m，假設墻板厚度h 為300mm，混凝土強度等級C40，鋼筋采用HRB400 級鋼筋，配豎向受力鋼筋20@150，As=2094.4mm2，截面有效高度255mm，則：

式中，Es 為鋼筋的彈性模量，取2×105N/mm2；Ecd 為混凝土動彈性模量，取靜荷載作用時的1.2 倍，為3.9×104N/mm2。

開裂截面慣性矩

式中，質量傳遞系數Km 根據附錄B 取彈性與塑性的平均值0.415；m 為構件質量。

式中，KL 為荷載或剛度傳遞系數，查附錄B，取彈性和塑性的平均值0.57。 根據以上計算結果，可以查國標規范附錄A的極限抗力-延性比關系圖，求得延性比μ。

另外，前墻的水平分布鋼筋可通過側墻傳來的水平剪力計算墻板平面內的抗剪承載力得到此時，應假設爆炸力正對側墻方向，即側墻轉為前墻，而計算前墻作為側墻。側墻（轉為前墻）峰值反射壓力:根據國標規范附錄B 查得墻板每延米動力反應

墻板平面內抗剪滿足要求。故水平分布鋼筋僅需滿足最小配筋率0.25%。配水平分布鋼筋16@150，配筋率0.45%。

側墻、屋面板、后墻的計算步驟與以上步驟類似，而極限抗力-延性比關系圖不同。見國標附錄A.0.3圖。

5 結語

（1）石油化工控制室的抗爆結構設計不同于一般結構設計，對抗爆構件采用的是彈塑性設計方法，允許構件在爆炸荷載作用下發生變形，通過變形吸收并消耗爆炸能量，應將變形控制在規范要求范圍內。隨意加大截面及配筋有時反而不安全，這一點與常規設計時不一樣。

（2）要注重構造措施，保證節點做法與計算模型一致。如抗爆墻底部墻體鋼筋不伸入到基礎里面，而是通過交叉斜筋形成鉸接。