石油化工控制室抗爆結構設計應用

黃勇標

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

1 建筑總圖布置

建筑物是否需要抗爆、確定抗爆建筑物平面布置、建筑物抗爆炸沖擊波的大小一般都應經過安全分析后才能確定。

新建抗爆建筑物平面布置除應符合現行國家標準《石油化工企業設計防火標準》（GB 50160—2018）和《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）的規定，還應滿足下列要求：①建筑物應獨立設置。②建筑安全出口不應直接面向有爆炸危險性的裝置或設備；設置多個出口時，宜在不同的方向設置[1]。

2 抗爆設計分析

2.1 控制室抗爆設計的設防目標

（1）保證人員生命安全。

（2）發生事故時裝置處于受控狀態，能夠執行停車、切斷等控制操作，防止工藝裝置失控導致級聯事故，使其影響擴散。

（3）避免造成經濟損失或將經濟損失降至最低。

2.2 抗爆控制室的結構組成和傳力路徑分析

抗爆控制室以單層框-剪抗爆結構為例，抗爆結構體系由外墻、屋蓋、框架和基礎4 個部分構成。

外墻是直接承擔水平爆炸荷載的構件。直接面向爆炸源的外墻為前墻；把墻面與爆炸沖擊波前進方向平行的外墻為側墻；背向爆炸源的外墻為后墻。水平爆炸荷載傳給前墻或后墻，前墻荷載通過屋蓋傳至側墻，最后由外墻系統傳至基礎[2]。

屋蓋結構由屋面板、次梁、屋面主梁組成。屋面板在平面外直接承受豎向爆炸荷載，并將這些荷載傳給次梁，次梁承受屋面板傳來的豎向爆炸荷載再將荷載傳給主梁，最后由主梁將荷載傳至框架柱。

由外墻和屋面組成的箱型結構，其側向剛度遠大于框架的側向剛度。屋蓋結構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。

2.3 抗爆控制室的構件抗爆動力計算的流程

由于前墻承受的爆炸沖擊波反射壓最大，它在外墻的平面外設計中起控制作用。由于篇幅有限，本文僅以前墻為例，探討構件抗爆設計的基本流程。

2.3.1 建立計算模型

根據蒸汽云爆炸模型來區分爆炸荷載的特點，采用非線性多自由度的動力計算模型對建筑物進行動力分析。當采用單層鋼筋混凝土抗爆墻結構時，構件呈現單自由度動力特征，可采用單自由度的動力計算模型。

前墻四邊分別支承在基礎、屋面和側墻上。由于一般控制室為單層結構，而且一般情況下前墻的寬度遠大于其高度，前墻可簡化為單向板結構，即按單跨豎向簡支板，一端鉸接與屋面板，另一端與基礎鉸接，取b=1 m 寬為單元來計算。

2.3.2 爆炸荷載特點及計算

石油化工行業建筑物的抗爆設計一般采用蒸氣云爆炸模型。建筑物抗爆炸沖擊波的大小由安全分析后確定。當未進行評估時，也可按下列規定確定，并應在設計文件中說明[3]。

（1）沖擊波峰值入射超壓最大值取21 kPa，正壓作用時間為100 ms；也可取沖擊波峰值入射超壓最大值69 kPa，正壓作用時間取20 ms。

（2）爆炸沖擊波形取時間為零至正壓作用時間，峰值入射壓超壓從最大到零的三角形分布[3]。

假定爆炸源位于前墻正前方，前墻墻面與沖擊波傳播方向垂直，它的入射角為0°，這時反射系數最大。最大峰值反射壓力Pr按式（1）計算。

為了計算方便，把前墻爆炸沖擊波超壓-時間曲線簡化為等效三角形，如式（3）到式（6）所示。

式中：Pr——峰值反射壓力，kPa；Pso——峰值入射超壓，kPa；tc——反射壓持續時間，s；Ps——停滯壓力，kPa；td——正壓作用時間，s；S——停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離；IW——正壓沖量；te——前墻正壓等效作用時間。

2.3.3 確定材料動力設計強度

抗爆結構材料要在材料強度標準值的基礎上連乘材料強度提高系數和動力提高系數。

2.3.4 截面承載力計算

截面受壓區高度如式（7）所示。

截面抗彎承載力如式（8）所示。

式中：h0——墻體截面有效高度。

根據《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012）附錄B.0.1-1，在均布荷載作用下，單跨簡支構件的彎曲抗力計算如下。

截面彎曲抗力如式（9）所示。

截面剪切抗力如式（10）所示。

截面極限抗力如式（11）所示。

2.3.5 確定允許變形

根據《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012）第5.6 條，并考慮構件的彎、剪破壞狀態確定前墻的允許變形。如果Ru=Rb，屬于受彎控制，僅需驗算支座轉角變形，其支座允許轉角變形[θ]=2°。如果Ru=Rs，屬于受剪控制，需要驗算延性比和支座轉角變形。

按照規范前墻設計成強剪弱彎構件，抗剪承載力應高于抗彎承載力20%。一旦出現受剪控制，應優先考慮調整截面尺寸，提高抗剪承載力。

2.3.6 振動周期計算

（1）彈性剛度計算。

毛截面慣性矩如式（12）所示。

截面開裂慣性矩如式（13）所示。

平均慣性矩如式（14）到式（16）所示。

式中：Es——鋼筋彈性模量；Ec——混凝土彈性模量。

彈性剛度如式（17）所示。

（2）等效質量計算。

墻板質量如式（18）所示。

等效單自由度體系荷載-質量轉換系數如式（19）所示。

式中：KM、KL分別為質量傳遞系數和荷載傳遞系數，在《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012）附錄B 查取。對兩端簡支情況的彈塑性分析，可取彈性、塑性狀態的平均值。

等效質量如式（20）所示。

（3）求解振動周期。

2.3.7 彈塑性變形驗算

跨中極限彈性變形如式（22）所示。

根據td/tN，Ru/Po，查《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012）附錄 A 的圖 A.0.2，得到延性比μ。

前墻跨中彈塑性變形如式（23）所示。

彈塑性轉角如式（24）所示。

2.4 工程實例計算分析

以中石化某分公司現場機柜間抗爆墻設計為例，按《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012）取爆炸荷載，爆炸沖擊波峰值入射超壓Pso=21 kPa，正壓作用時間為100 ms。機柜間采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，長18 m，寬18 m，計算高度為7.4 m，混凝土采用C35 水泥，鋼筋采用HRB400，墻厚 300 mm，主筋配 18@150。

2.4.1 荷載計算

2.4.2 確定材料動力設計強度

fck=23.4 MPa，ftk=2.2 MPa，fyk=400 MPa，h=300 mm，As=1696 mm2。取強度提高系數，鋼筋取1.1，混凝土取1；取動力提高系數，鋼筋取1.17，混凝土取1.19。

2.4.3 截面承載力計算

Rs/Rb=4.13>1.2，說明本構件由受彎控制，僅需驗算支座轉角變形。其支座允許轉角變形[θ]=2°。

2.4.4 振動周期計算

2.4.5 彈塑性變形驗算

跨中極限彈性變形Xy=Ru/k=0.029 m；te=0.08 s；te/tN=0.56；Ru/P0=0.7。

查《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779—2012） 附錄 A 的圖 A.0.2，延性比 μ=2.2；Xm=Xyμ=0.064 m。

3 結構構造設計

樓板、屋面板的跨度不宜大于3 m，厚度不小于125 mm，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不小于0.25%，最大的配筋率不大于1.5%[3]。

鋼筋混凝土抗爆墻厚度不應小于200 mm，且不宜小于層高的1/25，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不應小于0.25%，最大的配筋率不應大于1.5%[4]。

4 結語

從以上實例計算分析可知，抗爆建筑最重要的是，能夠吸納爆炸能量而不造成整個建筑的結構損毀。基于這個延性目標，石油化工控制室抗爆設計要從結構計算、建筑合理布置、結構構造和概念設計等多個方面出發，實現結構有一定的延性和強度，以保證結構某些部位出現塑性鉸以后具有足夠的轉動和耗能能力。總之，隨著人們安全意識的增強，控制室抗爆的重要性日漸凸顯，因此進一步加強對其的研究非常有必要。