石油化工控制室抗爆结构设计

邹瑜 中国成达工程有限公司 成都 610041

石油化工控制室抗爆结构设计

邹瑜*中国成达工程有限公司 成都 610041

结合工程实例，介绍石油化工控制室抗爆结构设计的范围、结构形式、爆炸荷载、设计理念、设计步骤和要点等内容。

抗爆控制室蒸气云爆炸单自由度体系动力分析方法性能化设计

石油化工行业由于其生产加工的产品大多具有易燃易爆的特点，因此在生产过程中有发生爆炸的危险。控制室作为全厂或装置生产的指挥中心，当发生爆炸事故时，必须确保设备正常工作及操作人员生命安全，不会因为控制室结构坍塌，导致功能失常而引发各类次生灾害。随着人们安全意识的提高，控制室抗爆的重要性日渐凸显，应用也越来越多。爆炸荷载是动荷载，其发生来源和作用机理都具有很强的特殊性，不同于常规的静荷载。

2009 年以前，国内控制室抗爆设计结构专业并无规范可遵循，工程设计人员大多参照相关资料或工程经验来进行设计。2009年年末《石油化工控制室抗爆设计规范》(以下简称《规范》)发布，并于2010年6月1日开始正式实施。这本行业规范在很大程度上借鉴美国土木工程协会(ASCE)编写的《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》，对控制室抗爆设计进行了提纲挈领的阐述，工程技术人员在进行抗爆设计时有规范做指导。本文结合实际工程控制室抗爆设计，阐述石油化工抗爆控制室的结构设计应用，供类似工程参考。

1 控制室抗爆设计范围

石油化工装置控制室抗爆设计的范围，一直以来没有明确的界定，2009年发布的《规范》上也没有明确提及，执行上可能存在项目不同、设计单位不同，抗爆设计范围也各异的情况。

中国成达工程有限公司对控制室、现场机柜间需采用抗爆设计的范围规定如下:

(1)中石化、中石油、中海油等执行国内石油石化行业标准的建设项目。

(2)国外引进项目或工艺包、基础设计等文件提出要求的建设项目。

(3)业主提出要求进行抗爆设计的建设项目。

(4)项目安全评价、政府部门安全消防审查意见中提出需要进行抗爆设计的建设项目。

2 抗爆控制室结构形式

《规范》5.1.3和5.1.4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。建筑物应采用钢筋混凝土结构，其受力体系的布置、外墙墙体构造及厚度应通过结构计算确定，典型布置见图1。

图1 控制室典型结构布置图

从控制室典型结构布置上看，体现了两道防线的抗爆设计理念:爆炸动水平荷载由外围剪力墙屈服耗能，内部框架只承担竖向力，保证了结构不致坍塌，从而保证控制室的安全。为了保证上述理念得以实现，结构布置时应将剪力墙和框架柱脱开布置，二者之间保留一定距离d。

d=tgθ×H/2

式中，d为剪刀墙和框架柱的距离;θ为剪力墙弹塑性转角;H为墙板计算跨度，取屋盖到基础顶面的高度。

由于人工费用较高，美国ASCE推荐的多为内部钢框架、外围装配式钢筋混凝土剪力墙的结构形式，虽有些区别，但设计理念一致。

3 爆炸荷载

石油化工装置中可能发生的爆炸有蒸汽云爆炸、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆炸等。虽然可能发生的爆炸存在多种形式，但石油化工装置主要以蒸气云爆炸为主。蒸气云是指由易燃易爆气体泄漏后在空气中形成的气团，由于蒸气云可以在空中自由飘移，因此它的爆炸位置和方向具有很大的不确定性。

爆炸最主要的特征是被压缩的能量突然向空气中释放，形成瞬时压力增加现象，即爆炸波超压，传递到建筑物上时就形成爆炸荷载。由于爆炸波在空气中形成后，在传播过程中强度衰减得很快，建筑物随着距离爆炸源的远近不同，形成的爆炸波压力是不同的，一般情况下，爆炸在临近区域形成冲击波形式，在远离区域形成压力波形式。两种爆炸波的表现形式见图2。

图2 两种爆炸波的表现形式

钢筋混凝土结构中产生的冲击波或压力波在负压阶段形成的冲击能量，远远低于正压阶段，对建筑物影响较小，通常在抗爆设计中可以不予考虑。

用于确定爆炸荷载代表值的参数主要包括:①冲击波峰值入射超压PS0;②正压作用时间td。一般情况下该两项参数应由业主提供《蒸汽云爆炸定量分析报告》确定，但在没有相关报告数据时，《规范》6.3.1条规定，取冲击波峰值入射超压21kPa，正压作用时间100ms;或冲击波峰值入射超压69kPa，正压作用时间20ms。

确定了以上两个基本参数以后，可以通过公式求得波速、峰值动压、波长以及作用在建筑物前墙、侧墙、屋面和后墙的爆炸荷载。《规范》6.3.2至6.4.4条详细地给出了这些计算公式，限于篇幅，不再一一罗列。

4 抗爆设计方法

《规范》6.1.4条规定:控制室结构在爆炸荷载作用下，其动力分析可近似采用等效静荷载分析方法或单自由度体系动力分析的方法。

等效静荷载分析方法是将爆炸荷载转化为等效静荷载，然后再用常规的结构设计方法进行设计，《规范》附录E给出了等效静荷载的计算公式。由于等效静荷载的分析方法采用的是常规的结构设计方法，不允许出现塑性变形，而爆炸荷载是瞬间荷载，其加载过程和作用时间与静力荷载有着本质的不同，如果不管爆炸荷载的动力特性，按照常规方法来进行设计，则势必出现设计过于保守、材料浪费大、造价高且存在安全隐患等问题。

单自由度体系动力设计方法，简言之就是将建筑物的每一部分结构构件都简化为单自由度的构件来进行动力分析，在爆炸荷载作用下允许构件出现塑性铰从而进入弹塑性工作阶段，设计以控制构件的变形为主。这种设计方法充分体现了抗爆设计中的性能设计理念，在满足安全性的前提下最大程度地兼顾了经济性，是目前进行抗爆设计的最优方法。

因此，现阶段采用单自由度体系动力分析的方法来进行控制室的抗爆设计是比较合适的。

5 控制室抗爆设计步骤和要点

5.1 设计步骤

抗爆控制室的结构设计主要分四步:

5.1.1 结构整体分析

结构整体分析同常规设计，需要在PKPM或其它软件中进行三维建模，以进行结构整体性计算，这里不再赘述。应注意在建模时必须将外围的剪力墙建进模型里，因为在地震作用时，外围的剪力墙由于刚度很大，地震剪力主要由外围剪力墙承担，如果不建进模型里，则进行地震分析时，地震剪力大部分会由柱来承担，这样出来的结果会导致柱断面和配筋的增大，造成不必要的浪费。5.1.2爆炸工况下单一构件分析

爆炸工况主要应考虑爆炸荷载在前墙产生的水平爆炸荷载和在屋盖产生的垂直爆炸荷载。水平爆炸荷载传递路径为:前墙把受到的爆炸荷载传递给屋盖和基础，屋盖再把受到的荷载传递给侧墙，再由侧墙将这部分荷载传递给基础;垂直爆炸荷载则通过屋盖传递给柱，再由柱传递给基础。按照这样的传力路径，房屋的抗爆分析也可以分解为前墙、屋面板、屋面梁、框架柱的单一构件分析，采用单自由度体系的动力设计方法，设计时主要控制构件的变形能力，即《规范》表6.6.2和6.6.3规定的延性比μ和弹塑性转角θ容许值。

5.1.3 基础设计

《规范》6.9.2条规定:在有爆炸荷载参与时，基础设计应进行地基土承载力验算、基础抗倾覆及抗滑移验算。由于爆炸引起的水平荷载较大，同时为保证结构整体稳定性，控制室基础宜采用筏板基础或桩筏基础。

5.1.4 施工图绘制

在计算完成后进行施工图绘制中特别要注意的一点是，绘制施工图时应注意综合正常使用工况和爆炸工况的结果，一般来说，剪力墙的厚度及配筋，完全采用爆炸工况下的弹塑性分析结果;柱的大小及配筋，则完全采用正常使用工况下的弹性分析结果;屋面板的厚度和配筋，取上述两种分析结果的较大值;而梁的大小及配筋则应结合两种分析结果，即梁底正弯矩钢筋采用爆炸工况下的弹塑性分析结果，而梁端负弯矩钢筋采用正常使用状态下的弹性分析结果。应该注意的是，由于配筋率对于结构构件的延性影响较大，因此对于抗爆结构构件，其钢筋强度等级和配筋面积均应按照计算确定，不能随意更改钢筋强度等级或加大钢筋面积。

5.2 设计要点

本文主要讨论爆炸工况下的结构设计要点，正常使用工况下的结构设计不在此讨论。

5.2.1 结构构件布置

当采用单自由度体系进行构件的弹塑性动力分析时，由于《规范》受分析方法的局限，目前对于板只能进行单向板的动力分析，而对于梁，只能分析三种荷载作用下的梁，即均布荷载、一个集中荷载和两个集中荷载。因此，在进行屋盖系统结构布置时，应注意尽量将板划分为单向板，并且保证每根框架梁上的集中荷载数量不大于两个。

5.2.2 材料强度

由于在爆炸荷载的作用下，结构材料的变形率一般会落后于应力加载速率，这种对于荷载的响应方式使材料在最终破坏前达到一个高于最小屈服点的应力值，形成材料强度增加的现象，这种现象使得结构动力承载能力比静力承载能力有所增加，这个增加值用动力荷载提高系数DIF来衡量;另外，在一般规范和规程中，材料强度是按照最低性能定义的，在实际爆炸受力中，材料平均屈服强度会高于规范中给出的强度，如钢材的平均屈服强度会比《规范》中规定的屈服强度高出约25%，这种屈服强度的增加用强度提高系数SIF来衡量。因此材料在爆炸荷载作用下的屈服强度Fdy=Fy×DIF×SIF。关于这一点，《规范》6.7.2条有明确规定，设计时应注意。

5.2.3 荷载组合

《规范》6.5条对于荷载效应组合有明确的规定，这里需要强调的是，爆炸荷载作用下各种荷载的分项系数均应取1。

5.2.4 单自由度体系动力分析

详见工程实例分析。

5.2.5 构造要求

《规范》6.8条对于结构构造要求有明确规定，如框架和剪力墙的构造不应低于《建筑抗震设计规范》二级框架、二级剪力墙的相关要求等，设计时应充分注意。

6 工程实例

某化工中央控制室建筑平面尺寸48.3m× 39.1m，两层，建筑总高12.5m。该控制室建筑面积大，建筑内部功能复杂，且内部有一个23m× 34.2m的大空间不能设置框架柱，需要采用钢桁架，因此抗爆设计不能完全应用单自由度体系的弹塑性动力分析，在设计钢桁架时应采用等效静荷载的方法进行弹性分析。

结构体系平面布置及基础平面布置见图3、图4和图5。

结合该工程，单自由度体系动力设计计算步骤如下:

由于业主未提供爆炸相关数据，按照《规范》6.3.1条，取冲击波峰值入射超压PS0为21kPa，正压作用时间td为100ms，根据规范公式可以计算出前墙爆炸荷载如下:

图3 剪力墙平面布置图

图4 屋面结构平面布置图

图5 基础平面布置图

峰值反射压力:

峰值动压:

停滞压力:

式中，Cd为阻力系数，对于封闭矩形建筑物，前墙的阻力系数取+1.0。

波速:

反射压持续时间:

式中，S为停滞压力点至建筑物边缘的最小距离，取建筑物宽度一半和墙板计算跨度的较小值。

正压冲量:

前墙正压等效作用时间:

由于允许墙板两端出现塑性铰，因此将墙板简化成上端简支于屋面板，下端简支于基础的简支构件，见图6。

图6 简支构件

墙板计算跨度L为13m，取1m宽板带，则b为1m，假设墙板厚度h为400mm，配竖向受力钢筋Φ20@120，As为2618 mm2，则:

墙板抗弯承载能力:

式中，α1为系数，取值参见《混凝土结构设计规范》，这里取1.0;fdc为混凝土的动力设计值强度，fdc为23.9 N/mm2;h0为墙板截面有效高度，取385mm;x为混凝土受压区高度，经计算得47mm。

单位板宽的墙板能承受的均布压力:

根据《规范》6.6.4到6.6.6条计算公式，以及附录D，可以求得混凝土构件对形心轴的毛截面惯性矩(忽略钢筋影响):

式中，Es为钢筋的弹性模量，取2×105N/mm2; Ec为混凝土的弹性模量，爆炸荷载作用下取静荷载作用时的1.2倍，为3.6×104N/mm2。

式中，d为构件截面高度，取h。

形成裂缝时的混凝土截面惯性矩:

构件截面惯性矩:

构件刚度:

式中，E取Ec。

等效质量:

式中，质量传递系数km取0.5;m为构件质量。

质点振动周期:

式中，KL为荷载或刚度传递系数，这里取0.64。

根据以上计算结果，可以查图7求得延性比μ，但注意表中Ru/P0应取P/Pr，td/tn应取te/tn。

图7 三角形荷载下的极限抗力－延性比关系

值得一提的是，不同于墙板，该表中的P0应取Pa(作用在侧墙及屋面上的有效冲击波超压)，按照《规范》6.4.3条计算得出;而Td则应取tr+td，tr(侧墙及屋面有效冲击波超压升压时间)按照《规范》6.4.3条计算得出。

由以上墙板计算步骤可以看出，求延性比μ是个反复试算的过程，这个过程计算量很大，尤其在经验不足的时候，甚至有可能反复多次也不能得出正确的结果。

如果得出的延性比μ小于《规范》容许值3，则墙板的厚度及配筋符合要求，否则，应重复以上步骤，直到求出合适的墙板厚度及配筋。一般情况下，延性比μ满足《规范》要求，弹塑性转角θ也能满足规范要求，θ的计算公式《规范》6.6.3条有明确规定，这里不再讨论。

屋面板和屋面梁的计算步骤与以上墙板的计算步骤类似，应查图8以求得μ。

图8 脉冲荷载作用下的极限抗力－延性比关系

7 关于《规范》尚未明确的若干问题

《规范》有几个问题提出讨论:

(1)《规范》6.4.3条对于参数L的说明是冲击波前进方向结构构件的长度。若冲击波前进方向与建筑物长度方向垂直，则L取建筑物名义单位宽度。这里对于什么叫建筑物名义单位宽度阐述不清，而图9中建筑物宽度是用L来表示的，这就很容易让人误解为L就是指建筑物的宽度。

图9 建筑物外形

实际上，通过查阅ASCE所编的《Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》可以很容易看出，这里的L是指屋面梁或屋面板的计算跨度，而非建筑物的宽度。如果误将此值取为建筑物宽度，则会造成计算出的爆炸荷载过于小，导致计算结果的不准确。

(2)《规范》6.6.1条:对于受弯构件，其抗剪承载力应比抗弯承载力高20%。除了这条以外，整篇没有提及抗剪计算的具体方法，因此在设计时，目前只能按抗剪承载力比抗弯承载力高20%来进行构件截面大小和配筋的复核，期望《规范》升级时能将这部分内容补充完善。

(3)《规范》附录D的表中，“动力反应V”表述不明确，通过查询ASCE所编写的抗爆规范可以看出，V值应该是指动力反力，亦即爆炸荷载下的支座反力，有了这个力，就可以进行上面所述的抗剪计算，然而《规范》为何对这部分计算略去不提，期望《规范》升级时能将这部分内容补充完善。

8 结语

石油化工控制室的抗爆设计不同于一般框架剪力墙的设计，采用的是单自由度体系的弹塑性动力分析方法，这种方法强调的是对构件变形的控制，而非常规的应力控制，因此在设计时要摈弃截面越大越好、配筋越多越牢的传统思想，在爆炸发生时，允许外部结构构件在《规范》规定的范围内发生变形开裂以吸能耗能，保证主体结构的安全。

1 SH/T 3160－2009，石油化工控制室抗爆设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2009．

2 ASCE．Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities，1997．

With an engineering example，introduce the scope，structural style，explosion load，design concept，design procedures and key points of the antiknock structure design for petrochemical control room．

Antiknock Structure Design of Petrochemical Control Room

Zhou Yu
(China Chengda Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041)

antiknock control roomsteam cloud explosion dynamic analysis method of single-mode systemperformance-based design

*邹瑜:高级工程师。2000年毕业于南京建筑工程学院建筑工程专业。现从事结构设计工作。联系电话(028)65531356。

(修改回稿2012－03－08)