某石油化工控制室抗爆结构分析与设计

谢庆红 于业栓

(1.中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101； 2.山东交通学院，山东 济南 250357)

某石油化工控制室抗爆结构分析与设计

谢庆红1于业栓2

(1.中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101； 2.山东交通学院，山东 济南 250357)

以某石油化工控制室为例，介绍了抗爆设计的原则，按照等效静力计算方法对该工程的抗爆结构进行了动力分析，并依据抗爆墙承载力、质点震动周期、延性比等计算结果，提出了设计建议。

抗爆结构，动力计算，延性比，弹塑性转角

控制室作为石油化工企业生产装置的指挥中心，具有监控装置生产过程的功能，是装置界区内的关键部位。由于石油化工企业生产过程中易燃、易爆物质较多，且生产过程经常在高压、高温等条件下进行，装置发生爆炸的概率也相应增加。爆炸发生后，控制室一旦被破坏将会使整个厂区陷于瘫痪，装置的不可控又可能会产生次生灾害，造成严重的财产损失，甚至威胁人员的生命安全。因此，石油化工装置中的关键部位，尤其是作为工厂装置神经中枢的控制室，必须采用合理的抗爆设计，一方面应确保内部工作人员的生命安全并控制设备装置的正常运行操作，另一方面能够在爆炸发生时，采取合理控制措施，尽可能将爆炸危害控制在最小程度[1]。

1 概述

1.1 爆炸及爆炸荷载作用

爆炸是物质内含的能量，在一定环境条件下触发后瞬间集中释放的现象。石油化工行业中的爆炸可分为蒸气云爆炸、压力容器爆炸、凝液相爆炸和粉尘爆炸四个基本形式，由于其生产性质，最常发生的是可燃气体、液体的蒸气与空气混合物的爆炸，即蒸气云爆炸。当发生爆炸时，爆心区在瞬时内产生极高压力，于是形成一股高压气流，从爆心以超过声波速度向四周推进，其前沿犹如一道压力墙面，空气冲击波的高压直接作用于结构，相当于一般地区地震荷载的数倍。爆炸冲击波的量级和形态取决于能量释放的特性和距爆炸中心的距离。

1.2 抗爆结构设计依据

相对美、英等国家而言，我国在建筑结构物抗爆防护方面研究起步较晚，且多是面向军事防爆建筑的，针对工业及民用建筑方面研究较少，石油化工类抗爆设计主要依据的规范也大都参考国外规范制定。设计主要依据石油化工类抗爆设计规范及相关行业规范，主要有：SH/T 3006—2012石油化工控制室设计规范、GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范[2]、GB 50010—2010混凝土结构设计规范[3]、GB 50011—2010建筑抗震设计规范。

1.3 抗爆结构设计原则

1)爆炸荷载是偶然性瞬间作用的荷载，作用次数常常只有一次，荷载值却特别大，且又不很确定。鉴于爆炸作用的特点，结构设计的安全度或者承载力储备可降低要求，允许结构达到设计荷载时进入塑性阶段，出现较大的变形和裂缝，甚至局部破坏，但是必须防止倒塌和具备必要的维护功能[4]。2)爆炸荷载作用下要对结构进行动力分析，以确定建筑物的变形，即结构构件的延性比和弹塑性转角满足规范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范要求。3)由于装置爆炸所产生的冲击波特性和破坏力的不确定性，除了进行力学计算，抗爆设计更应注重概念设计。即采用延性好的结构体系，整个结构要有多余的抗力能力，有较好的防连续性倒塌的能力。在设计中宜采用现浇钢筋混凝土结构，矩形平面布置，层数宜为一层。

2 抗爆设计实例分析

2.1 工程概况

比如，教师在对旅游专业学生进行教学的时候，应该重视提高学生的语言表达能力。教师在对苏教版的《再别康桥》这一课进行教学时，可以让学生将“康桥”作为一个旅游景点，结合文章，用自己的语言来向大家介绍“康桥”，也就是即兴说一段关于“康桥”的导游词。教师在教学过程中能够有效将教材内容与学生的职业进行融合，从而能够在潜移默化中提高学生的语言表达能力，促使学生取长补短，为此专业学生以后的就业奠定基础。

某石化项目控制室，建筑平面尺寸为10.0 m×29.4 m，建筑总高度为5.5 m，单层框架，结构外部配置抗爆墙及抗爆屋顶，均采用现浇钢筋混凝土结构。结构构件尽量均匀布置，避免结构刚度不规则。抗爆设计按照动力反应的等效静力计算方法进行计算，以控制室前墙为例进行结构抗爆分析和设计。

2.2 抗爆设计参数计算

2.3 选用抗爆墙

2.4 抗爆墙承载力计算

抗爆设计时允许墙板两端出现塑性铰，按照底部简支在刚性地坪处，上部简支在屋面板处的受弯构件考虑，如图1所示。取1 m宽板带计算，则1 m板宽As=1 695 mm2。

钢筋动力设计强度：fdy=γsif·γdif·fyk=1.1×1.7×400=514.8 MPa。

极限抗弯承载力：MPc=α1fdcbx(h0-x/2)=198.9 kN·m。

单位板宽的墙板能承受的均布压力：P=8MPc/L2=52.6 kPa。

2.5 抗爆墙动力计算

1)计算构件截面平均惯性矩。混凝土构件对形心轴的毛截面惯性矩(不考虑钢筋影响)为：Ig=bh3/12=1.3×109mm4。

混凝土开裂截面惯性矩为：Icr=bc3/3+nAs(d-c)2=0.41×

109mm4。

构件截面平均惯性矩：Ia=0.5(Ig+Icr)=0.86×109mm4。

2)计算质点震动周期。根据GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范附录B表B.0.1-1取弹塑性状态分析有：

荷载传递系数：KL=0.57。

质量传递系数：Km=0.42。

构件刚度：k=384EcIa/(5L3)=1.19×107N/m。

等效质量：Me=Km·m=0.42×1×0.25×5.5×25=14.4 kN。

3)延性比和弹塑性转角验算。

a.延性比验算。根据以上计算结果，查GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范附录A图A.0.2，注意到图中Ru/P应取P/Pr=52.6/45.2=1.16，Td/TN应取te/TN=0.07/0.28=0.25，可得到构件延性比为0.6，不大于3.0，满足规范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范表5.6.3要求。

结构弹塑性转角：θ=arctan(2Δ/L)=0.44°。

转角不大于2°，满足规范GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范表5.6.4要求。

3 结语

通过以上计算步骤可知构件动力分析一般是先根据经验假设构件截面尺寸及配筋，然后验算其延性比和转角是否满足要求，在经验不足的情况下需要反复试算。

由于爆炸结构分析的复杂性，在实际设计过程中应该充分重视概念设计，结构体系要有充分的塑性变形能力，采用延性好的结构，整个结构要有多余的抗力能力，有较好的防连续性倒塌的能力；为了满足抗爆结构的塑性变形能力，设计时应保证构件首先出现受弯裂缝和钢筋屈服，防止过早地发生斜裂缝破坏，即为抗剪留出较大的安全储备；另外，还要做好加密箍筋、增大钢筋锚固长度、增强节点附近的连接构造钢筋、加大保护层厚度、限制配筋率等构造措施提高结构的抗爆炸冲击性能。

[1] 刘慧颖．爆炸荷载作用下石油化工控制室动力响应分析[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．

[2] GB 50779—2012，石油化工控制室抗爆设计规范[S]．

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S]．

[4] 过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析[M]．北京：清华大学出版社，2003.

Analysis and design for the blast-resistant structure of the petrochemical engineering control room

Xie Qinghong1Yu Yeshuan2

(1.CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd，Jinan250101，China； 2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Taking some petrochemical engineering control room as the example, the paper introduces the principle of blast-resistance, undertakes the dynamic analysis of the blasting-resistance of the projects according to the equivalent static calculation methods, and provides some design suggestions referring to the calculation results of the loading capacity of blasting-resistant walls, particle vibration period, and ductility.

blasting-resistant structure, dynamic calculation, ductility, elastic plastic corner

2014-11-20

谢庆红(1980- )，女，工程师，一级注册结构工程师； 于业栓(1980- )，男，讲师

1009-6825(2015)04-0030-02

TU352.13

A