石油化工控制室抗爆结构设计探讨

    刘国强 殷守统

    摘 要：本文根据《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012（下文简称规范）和工程设计经验，从结构受力体系、爆炸荷载及构件分析等方面进行分析和介绍。

    关键词：控制室；受力体系；计算模型；抗爆构件设计

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

    石油化工生产通常具有工艺流程复杂多样，生产过程自动化水平高，原料及产品易燃易爆甚至有毒有害，一旦发生事故将会造成人员伤亡和财产损失。随着集散控制系统的广泛应用，控制室在生产过程中的重要性越来越高。控制室作为石油化工装置生產和指挥中心本着“本质安全，管控一体”的思想，控制室应形成独立工作区域以保证在某装置发生爆炸事故后仍可正常实现其他装置的安全停车，避免产生更大事故同时保证内部操作人员安全。

    基于设计理念和规范规定，控制室抗爆设计只考虑蒸气云爆炸，对于压力设备爆炸、液体爆炸等的影响一般不予考虑。

    1 受力体系与计算模型

    《规范》3.0.3条规定：对于承受爆炸荷载的建筑物，建筑平面宜为矩形，层数宜为一层。根据规范要求该结构体系应采用外抗爆墙-内框架的钢筋混凝土结构，框架梁柱与抗爆墙设间隙。间隙应能满足水平爆炸荷载下的外抗爆墙的弹塑性变形不影响内框架结构，以保证爆炸不会造成主体结构的破坏。抗爆墙与框架柱保持距离d：

    d为抗爆墙与框架柱间隙距离，θ为抗爆墙弹塑性转角，H为墙板计算跨度。

    外抗爆墙承受爆炸荷载，内钢筋混凝土框架梁柱及中间楼板不考虑爆炸引起的动力作用，依据规范5.7.4规定采取构造措施即可。

    对于封闭建筑物，爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶。墙体水平爆炸荷载传给屋面板和基础，屋面板承受的墙体水平爆炸荷载再通过对应侧面墙体传给基础；屋面板竖向爆炸荷载通过框架梁柱传至基础。

    抗爆结构设计中只限于外围结构构件直接承受爆炸动荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构造上予以适当加强（规范条文5.7.4）。无爆炸荷载时仅对内框架按照弹性状态，用软件进行常规计算即可。考虑抗爆设计时，基础设计应采用等效静力分析方法。对内框架柱基础用软件常规计算；对外抗爆墙基础应进行建筑物抗倾覆验算、滑移验算、基础承载力验算，计算时应计入恒活荷载及偶然爆炸荷载。

    2 抗爆构件设计—以前墙计算为例

    2.1 项目概况

    某中央控制室尺寸48.3m×30.5m，高8.3m；业主未提供爆炸荷载，则依据规范规定冲击波峰值入射超压最大值=21Kpa，正压作用时间=0.1s。

    2.2 冲击波参数

    波速：

    波峰波峰动压：

    冲击波长：

    2.3 前墙爆炸荷载计算

    峰值反射压力：

    停滞压力计算（拖拽力系数Cd=+1）：

    停滞压力点至建筑物边缘的最小距离：S=min（H，B/2）=8.3m

    峰值反射压力对应的构件冲击荷载：

    反射压持续时间：

    正压冲量：

    前墙正压等效作用时间：

    2.4 前墙抗力计算

    前墙计算跨度取8.3m，取1m宽的板，假定板厚h=350mm，有效板厚ho=330mm，混凝土强度C30，跨度方向配筋取[email protected]，钢筋强度等级HRB400。

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

    钢筋动力强度设计值：

    混凝土动力强度设计值：

    混凝土受压区高度：

    前墙抗弯承载力：

    前墙弯曲抗力：（规范表B.1.1-1）

    前墙抗剪承载力：

    剪切抗力：

    抗力：

    2.5 前墙构件刚度

    混凝土构件对形心轴的毛截面惯性矩：

    构件刚度：

    2.6 弹塑性分析时等效质量与震动周期

    荷载传递系数：

    均布质量传递系数：

    等效墙板质量：

    质点震动周期：

    2.7 延性比确定

    查图表A.0.2 μ=2.3<[μ]=3。

    2.8 弹塑性转角计算

    变形极限变位：

    弹塑性变位：

    3 结语

    石油化工抗爆控制室设计本质是控制抗爆构件弹塑性变形来保证爆炸荷载不会造成内部框架主体结构的破坏。设计中应摒弃配筋越多越安全的设计偏见，过大配筋将导致过大刚度承担更多爆炸力且减少塑性变形能力。设计通常做法是先假定构件的配筋，核算构件的延性比、转角是否满足要求，多次计算选用较少且合理的配筋与截面。国标规范吸取了《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》的概念和思路，设计者可将国内外规范整合学习，减少应用过程中的理解偏差。

    参考文献：

    [1]石油化工控制室抗爆设计规范（SH/T3160-2009）[M].北京：中国石化出版社，2009.

    [2]石油化工控制室抗爆设计规范（GB50779-2012）[M].北京：中国计划出版社，2012.

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

    [4]陈春.基于单自由度体系的钢筋混凝土抗爆墙设计[J].特种结构，2010，27（02）：17-21.

    [5]周芳建，方鸣，孙同延.石化控制室结构抗爆设计思考[J].

    作者简介：刘国强（1987-），男，山东泰安人，本科，助理工程师，从事石油化工结构设计。