石油化工抗爆建筑物結構設計探究

謝占金

（中國石油工程建設有限公司青海分公司，甘肅敦煌 736202）

1 引言

石油、天然氣等當前常見燃料發生燃爆時，會形成巨大的沖擊壓力波，會對周圍建筑造成爆炸荷載，使建筑結構受到破壞損失，一旦建筑結構受損，易對建筑物內工作人員的生命安全造成巨大威脅。所以，在石油化工相關建筑物的結構設計中，需重視其抗爆設計，以提升建筑物的抗爆能力，保障建筑物內工作人員的生命安全。

本文主要從石油化工抗爆建筑物的基本概述，石油化工抗爆建筑物結構設計的基礎、原則、目標，石油化工抗爆建筑物結構設計應用3 個方面對當前的石油化工抗爆建筑物結構設計情況展開論述。

2 石油化工建筑物抗爆設計基本概述

建筑物抗爆設計主要是指針對有發生爆炸可能的建筑物進行有針對性的防爆、泄爆設計，并采取防爆構造措施，進一步降低爆炸對建筑物和建筑物內工作人員的損傷，通過一定的泄爆措施，包括安裝自動噴水滅火設備、雨淋滅火設備等，在較短時間內控制爆炸帶來的災害，延長建筑物內工作人員的安全轉移時間[1]。

石油化工作為以石油、天然氣為原料的重要化學工業，其產業內容主要涉及原油的裂解、重整、分離，以天然氣、輕汽油、重油為原料的合成工作等，其主要意義是為其他產業提供能源，同時相關合成產物也是化肥、合成材料的重要來源。石油、天然氣作為當前主要的燃料物質，其整體的燃爆風險普遍較高[2]，所以，在石油化工產業的建筑設計中，需重視建筑物的抗爆設計，以降低石油、天然氣燃爆后對建筑物及建筑物內工作人員的損害。

3 石油化工抗爆建筑物結構設計的基礎、原則和目標

3.1 石油化工抗爆建筑物結構設計基礎

我國住房和城鄉建設部于2019 年起草了《石油化工建筑物抗爆設計標準（征求意見稿）》，同時明確指出，建筑物防火間距需滿足GB 50016—2014《建筑設計防火規范》、GB 50160—2008《石油化工企業設計防火標準》（2018 版），針對未進行抗爆設計且建筑物受到爆炸沖擊波超壓≥6.9 kPa 或沖量≥207 kPa·ms 的建筑，需加強抗爆治理。即根據相關條例與標準可知，我國已對石油化工抗爆建筑物結構設計有了更明確、更細化的規范標準，設計者在進行建筑物的抗爆結構設計時，需嚴格按照國家標準、條例進行基本的結構設計，以防止重大人員傷害，提升我國石油化工抗爆建筑結構設計水平[3]。

3.2 石油化工抗爆建筑物結構設計原則

爆炸會在極短的時間內釋放出大量能量，產生高溫，釋放氣體，致周圍介質因高壓而產生相應的化學反應或狀態變化，具有極強的破壞性。所以，一旦石油化工產業相關建筑物內或周邊發生爆炸，會對建筑物的結構、安全性造成直接影響。在石油化工抗爆建筑物結構設計過程中，為提升建筑物整體結構設計的安全性和適用性，設計者需考慮下述5 點原則：

1）安全距離。建筑物間需有一定的安全距離[4]，在建筑物設計中，建筑結構、材料延性、強度的不同，爆炸后的能力吸收能力也有所不同，設計者需根據爆炸能量吸收能力設定合理的建筑物間距，一般石油化工建筑物與爆炸源的間隔應＞30 m。

2）建筑材料選擇。根據抗力函數、冗余度，盡量選取吸收能力大、延展性強的材料，以提升建筑物的抗爆炸能力。

3）荷載組合。在結構設計中，設計師需考慮風荷載、爆炸荷載共同影響下，建筑物的抗爆能力設計。

4）適用性。設計師還需考慮爆炸發生后，出現層位移、建筑物損傷情況下，建筑物結構設計的適用性、安全度。

5）安全性。石油化工抗爆建筑物結構設計安全性需盡量以下述幾點為主：（1）建筑物一般在爆炸源上風處；（2）控制室、交接班室、機柜間等重要作用房間需盡量遠離爆炸正壓力面；（3）盡量減小建筑物迎向爆炸源壓力的面。

3.3 石油化工抗爆建筑物結構設計目標

《中國石油發布既有建筑物抗爆治理指導意見》中有提及，建筑物抗爆設計的主要目的是防止重大人員傷害，所以，在石油化工抗爆建筑物結構設計中，需以減少人員傷亡和經濟損失為主要目標。在結構設計中，需重視建筑物的抗連續倒塌性，為建筑物內工作人員預留安全撤離通道，有效延長建筑物內工作人員的安全撤離時間，避免建筑物因爆炸沖擊波所致破壞而出現連續倒塌問題，致建筑物內工作人員無法有效撤離[5]。同時需重視建筑物的安全儲備能力和可修復性，進一步降低爆炸所致的經濟損失。

4 石油化工抗爆建筑物結構設計應用

4.1 建筑結構材料和結構形式

根據上述可知，在同一抗爆結構設計中，不同延性、強度的建筑材料，其可達的爆炸能量吸收能力均有所不同，爆炸發生后，建筑物的損傷、倒塌程度均有所不同。所以，在實際的抗爆建筑物結構設計中，設計者需根據建筑物的應用場景選取更適宜的建筑材料。常見抗爆建筑結構形式與適用抗爆范圍見表1。同時，受爆炸沖擊波影響，建筑材料需有一定變形能力，以維持建筑結構的穩定性。

表1 常見抗爆建筑結構形式與適用抗爆范圍

4.2 荷載代表值同爆炸波的關系

荷載代表值是建筑設計中用以驗算極限狀態所采用的荷載量值。即爆炸瞬時形成的高壓爆炸波超壓，及爆炸后的氣體、粉塵對建筑物的影響。在實際爆炸過程中，爆炸波隨距離的延長，其強度呈逐漸衰弱趨勢，即一般情況下，建筑物與爆炸源距離較近者以受沖擊波作用為主，距離較遠者以受壓力波作用為主，如圖1 所示。一般相同抗爆建筑物結構設計條件下，壓力波對建筑物的損傷相對較小，因此，在建筑物的選址與設計中，需重視建筑物與爆炸源的距離設計。

圖1中，td為沖擊波持續時間；t為時間；P為壓力值；P0為建筑物材料原承重壓力；Pso為入射超壓峰值；曲線P（t）為時間-超壓函數。圖1a 表示建筑物在爆炸源附近，此時建筑物承載的爆炸波壓力形式為沖擊波，因距離近，此時建筑材料受到的壓力值驟然上升，并形成一個超壓峰值自由場，隨著時間的推移，爆炸形成的沖擊波逐漸減弱，最后在正負壓交替中逐漸衰減、結束。圖1b 表示建筑物在爆炸發生遠處，此時建筑物承載的爆炸波壓力形式為壓力波，隨著時間的推移及爆炸形成壓力的推進，建筑材料承受壓力值從0 開始緩慢上升，受距離影響，建筑材料所受壓力波超壓峰值低于沖擊波壓力峰值，與沖擊波類似，到達壓力峰值后隨時間推移，壓力波開始緩慢下降，無正負壓交替現象并逐漸衰減、歸0。

圖1 建筑物與爆炸源距離、所受壓力的關系

4.3 建筑物材料的標準和強度

不同建筑材料的爆炸能量吸收力存在明顯差異。一般情況下，爆炸過程中，建筑材料變形速度越快，建筑材料的強度越強，承受爆炸作用力的能力越強。即在爆炸荷載作用下，構件應力呈快速上升狀態，此時，多數材料變形速率會達到高于最小屈服點的應力值，此階段，材料強度明顯增加[6]。材料爆炸荷載狀態下的屈服強度Fdy計算公式為：

式中，Fy為材料靜力受荷狀態下最小屈服強度值；DIF 為動力增強系數；SIF 為材料增強系數。根據式（1）對建筑材料的抗爆能力進行綜合評估分析，在符合國家規定的條件下，選擇最適宜的建筑材料，以提升其整體的抗爆炸能力。

4.4 建筑結構動態響應的動力分析

在爆炸過程的建筑結構動態響應中，構件關鍵控制截面的應力隨材料的應變而變化，即在動態響應中，主要涉及可靠度指標、動力分析方式這兩個設計點。其中，可靠度指標方面，GB 50068—2018《建筑結構可靠度設計統一標準》給出明確定義和常見結構構件的可靠指標，針對構件的延性破壞、脆性破壞可靠度進行了安全等級劃分，根據預選材料的可靠度指標，分析評估建筑物的容許位移值，以保障抗爆建筑物結構設計的安全度。動態分析方法方面，主要是針對構件最大相對撓度、塑性鉸位置相對轉角、動力效應向支座的傳遞、撓度、回彈效應等指標數據進行計算，以提升建筑物抗爆結構設計的有效性。在分析方法方面，如針對單自由度體系SDOF 動力分析模型，除采用F(t)=Ma+Cv+K[F(t)為以時間為變量的作用力；M為質量；a為加速度；C為黏滯阻尼系數；v為速率；K為剛度系數；y為位移]這一模型計算公式外，還可以采用多自由度體系分析模型、高級分析方法、有限元分析方法等進行動力分析，以便于在石油化工抗爆建筑物結構設計的相關指標計算過程中，尋找計算方式的簡單性、精準性間平衡。進一步提升設計方案中結構數據的精準性、有效性，從而有效提升、保障石油化工相關建筑物的抗爆效果。

5 結語

綜上所述，與其他產業相比，石油化工產業的石油、天然氣存儲量普遍較高，燃爆風險更大，所以，在石油化工相關建筑物的結構設計過程中，需重視建筑物的抗爆設計，并在設計過程中采用一定的抗爆、泄爆措施。同時設計者需嚴格按照當前已發布的國家規定、條例進行建筑物的抗爆結構設計，以保障建筑物抗爆設計的安全度和有效性。在實際應用中，需以防止重大人員傷亡為主要目標進行石油化工防爆建筑物結構設計，排除建筑物抗爆結構設計中的安全隱患，提升建筑物的抗爆能力，使建筑物能達預期性能目標，以有效保障建筑物內工作人員的生命安全，減少石油化工企業的經濟損失。