张维秀
中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院 吉林 132021
控制室抗爆设计
张维秀*
中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院吉林132021
石油化工装置的易燃易爆特点和控制室的操作控制中心性质,要求发生爆炸事故时,控制室结构必须具有足够的抗爆能力,保证控制室结构和操作人员的生命安全。本文介绍了控制室抗爆墙爆炸荷载确定方法、材料动力强度确定,探讨了图解法和数值积分法进行动力分析的方法和步骤,并给出工程实例。
抗爆设计
由于石油化工行业生产过程物料的易燃易爆特点,作为全厂或装置操作控制中心的控制室,在爆炸事故发生时,必须具有保证其内部设备正常工作及操控人员的生命安全的功能。根据《石油化工控制室抗爆设计规范和自动分析器室设计规范》和《控制室设计规范》,规定控制室建筑物应根据安全专业抗爆强度计算和分析结果设计。《石油化工控制室抗爆设计规范》给出了抗爆设计方法,规定抗爆控制室宜采用钢筋砼框架-抗爆墙结构,由结构框架承担竖向荷载,抗爆墙承担水平爆炸荷载。抗爆结构设计采用但自由度体系动力计算方法或等效静荷载分析,结构处于弹塑性工作阶段的设计方法。本文探讨了采用图解法和数值积分法进行抗爆设计的步骤,最后给出了控制室抗爆设计的实例。
爆炸荷载数据应由安全专业根据抗爆分析计算结果提供,包括爆炸冲击波入射超压Pso和作用时间td等参数。
前墙动荷载计算:
在发生爆炸时前墙承受爆炸冲击波产生的反射压力。峰值反射压力Pr按下式计算:
(1)
式中,Pr为峰值反射压力,KPa;PSO为峰值入射超压,KPa;tC为滞留时间,s;PS为停滞压力,KPa;td为爆炸冲击波作用时间,s。
为方便计算,将爆炸冲击波反射压力与时间关系曲线简化为等效三角形(见图1),采用冲量和峰值压力相等原则进行简化,等效三角形作用时间:
te=2Iw/Pr
(2)
IW=0.5(Pr-Ps)tc+0.5Pstd
式中,IW为爆炸冲击波正压冲量,kPa-s。
图1 前墙荷载
2.1图解法
2.1.1计算模型
抗爆前墙简支在基础、屋面和侧墙上,常取1m宽的墙体为计算单元。为使前墙与基础铰接,前墙与基础连接节点处墙纵筋交叉锚入基础内,或另设交叉钢筋连接。
2.1.2荷载
前墙计算单元总的峰值荷载Po:
Po=PrbH
(3)
2.1.3截面承载力计算
(1)抗弯承载力
前墙截面受压区高度:
x=fdyAs/fdcb
(4)
前墙截面抗弯承载力:
Mp=fdcbx(h0-x)
(5)
前墙截面弯曲抗力:
Rb=8Mp/H
(6)
(2)抗剪承载力
前墙截面抗剪承载力:
V=0.7fdtbh0
(7)
前墙截面剪切抗力:
Rs=2V
(8)
式中,b为计算单元宽度,取1m;AS为墙体截面单侧配筋面积,mm2;MP为抗弯承载力,KN-m;Rb为弯曲抗力,KN;hO为截面有效高度,m;V为抗剪承载力,KN;RS为剪切抗力,KN;fdy为钢筋或钢材动力强度设计值,N/mm2;fdc为砼动力抗压强度设计值,N/mm2;fdt为砼动力抗拉强度设计值,N/mm2。
2.1.4确定允许变形
前墙受力控制形式根据截面极限抗力Ru=Min(Rb,Rs)确定。如果Ru=Rb,则受弯曲控制,仅需验算支座转角变形,θ≤[θ];如果Ru=Rs,则受剪切控制,需要验算延性比和支座转角变形。前墙应属于受弯控制,出现受剪切控制时需要调整截面尺寸。
2.1.5振动周期计算
(1)等效刚度计算
等效刚度:
k=384EcIa/(5H3)
(9)
其中平均惯性矩:
Ia=(Ig+Icr)/2
毛截面惯性矩:
Ig=bh3/12
开裂惯性矩:
Icr=bc3/3+nAs(h0-c)2
n=Es/Ecd
式中,hO为截面有效高度,m;ES为钢筋弹性模量,N/m2;Ecd为砼动弹性模量,N/m2。
(2) 等效质量计算
墙板质量:
m=γbhH/g
式中,m为墙板质量,kg;γ为砼容重,kN/m3;g为重力加速度,取9.81m/s2。
确定等效单自由度体系荷载-质量转换系数:
KLM=KM/KL
式中,KM、KL分别为质量传递系数和荷载刚度传递系数,按《石油化工控制室抗爆设计规范》附录B查取,取其弹性和塑性的平均值。
等效质量:
me=Kmm
(3)振动周期
(10)
2.1.6弹塑性变形验算
跨中极限弹性变形:
ye=Ru/k
(11)
根据td/tN,Ru/PO,查《石油化工控制室抗爆设计规范》附表A.0.2,得到延性比md,则前墙跨中弹塑性变形fp=μdye,支座转角 Qd=arctan(fp/0.5H)。结构构件弹塑性转角允许值见表1。
表1 结构构件弹塑性转角允许值
2.2数值解法
(1)单自由度体系动力方程
5、6,弹塑性抗力模型见图2。
图2 弹塑性抗力模型
在图2模型下,单自由度体系动力方程:
(0 (12) (ye (13) (yu-2ye) (14) 式中,y为质点位移,m;F(t)为t时刻质点所受到的外力,kN;k为弹性刚度,kN/m;yu为极限变形,m。 (2)数值积分 在i时刻的速度的近似表达式: y(i+1)=y(i)+vΔt (15) (16) 式中,v为i时刻质点的运动速度,m/s;Δt为时段,s;y(i)、y(i+1)分别为i、i+1时刻质点位移,m;a(i)为i时刻质点运动加速度,m/s2。 将(16)式代入(15)式,得: y(i+1)=2y(i)-y(i-1)+a(i)(Δt)2 (17) 根据以上公式,可逐步推算出每一时刻质点的位置。对于第一时刻: (18) 或: (19) 3.1材料设计强度 爆炸荷载作用下材料设计强度考虑瞬时和动力效应,采用材料的动力设计强度。材料动力强度按下列各式计算: fdc=rsif.rdif.fck (20) fdt=rsif.rdifrftk (21) fdy=rsif.rdif.fyk (22) 式中,fck为砼抗压强度标准值,N/mm2;ftk为砼抗拉强度标准值,N/mm2;fyk为钢筋或钢材强度标准值,N/mm2;rstf为材料强度提高系数;rdif为材料动力提高系数。 3.2构件变形规定 构件在弹塑性状态下的转角应符合下列要求: θ≤[θ] (23) 某化工装置控制室抗爆墙设计。某化工装置经安全专业计算,爆炸冲击波峰值入射超压PSO:41kPa,作用时间td:0.05s,控制室采用钢筋砼框架剪力墙结构,长30m,宽20m,高6m,砼采用C30,钢筋采用HRB335,墙厚300mm,主筋配Φ18@150。 4.1图解法 4.1.1荷载计算 波速: U=345(1+0.0083Pso)1/2=399.4m/s 波长: Lw=Utd=20.0m 峰值动压: 前墙反射超压: Pr=[2+0.0073Pso]Pso=94.3kPa 滞留距离: S=min(H,B/2)=6m 反射超压持续时间: tc=3(S/U)=0.045s 拖拽力系数:对前墙Cd:1.0,停滞压力: Ps=Pso+Cdq0=46.4kPa 前墙冲量: Iw=0.5(Pr-Ps)·tc+0.5Ps·td=2.2kPs-s 等效作用时间: te=2Iw/Pr=0.047s 取1m宽前墙计算,峰值荷载: Po=PrbH=565.8kN 4.1.2截面承载力计算 fck=20.1MPaftk=2.01MPafyk=335MPa h=300mmAs=1696mm2/m (1)材料动力设计强度: 由《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.7.2,强度提高系数,钢筋取1.1,砼取1.0,动力提高系数,钢筋取1.17,砼受弯取1.19,受剪取1.0。 fdc=rsif.rdif.fck=23.9MPa fdt=rsif.rdifrftk=2.01MPa fdy=rsif.rdif.fyk=431.1MPa (2)抗弯承载力 h0=276mm x=fdy·As/(fdc·b)=30.6mm Mp=fdcbx(h0-x/2)=190.7kN-m V=0.7fdtbh0=388kN Rb=8Mp/H=254.3kN Rs=2V=776kN Ru=Min(Rb,Rs)=254.3kN 且Rs>1.2Rb,由受弯控制,仅需验算支座转角变形。 4.1.3允许转角 由《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.6.4,前墙允许转角[θ]=20。 4.1.4振动周期 (1)截面刚度计算 毛截面惯性矩: Ig=bh3/12=2.25×109mm4 n=Es/Ec=5.6 Ia=0.5(Ig+Icr)=1.38×109mm4 k=384EcIa/5H3=14720000N/m m=rbhH/g=4592kg 由《石油化工控制室抗爆设计规范》附录B,弹性KLM=KM/KL=0.78。 塑性KLM=KM/KL=0.66,弹塑性平均荷载-质量转换系数KLM:0.72,平均质量转换系数KM:0.42,平均荷载刚度转化系数KL:0.57。 等效质量: me=KMm=1928kg 振动周期: 4.1.5弹塑性变形验算 跨中极限弹性变形: ye=Ru/k=0.017mTd=0.047s Td/TN=0.47Ru/P0=0.45 查图3,延性比μd=4.5 前墙弹塑性变形: fp=μdye=0.077m 支座转角: θd=1.50 [θ]=20 θd<[θ] 满足要求。 需要探讨的是,本算例延性比μd:4.5,超出了《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.6.3的规定。而该条文说明此规定是参考了《人民防空地下室设计规范》受弯构件“一般防水防毒要求”对延性比的规定,若按该规范受弯构件“无密闭及变形控制要求”, 延性比可取3~5。ASCE[5]表5.B.3对钢筋砼梁、板、墙(无抗剪钢筋)并没有延性比要求。建议《石油化工控制室抗爆设计规范》修订时参考。 4.2 数值解法 KLM=0.72k=14720000N/mm=4590kg 以上参数带入(12)~(14)式得: a=0.0003F(t)-4454y (0 (24) a=0.0003F(t)-76.95 (0.0170 (25) a=0.0003F(t)+4454(yu-y)-76.95 (yu-0.0340 (26) 将(24)-(26)与(17)式迭代求解,见表2。 支座弹塑性转角: θ=arctg(0.082/3)=1.60<20 表2 数值积分结果 注:① F(t)=565800-12038298t ② a=0.0003F(t)-4454y0 ③ a=0.0003F(t)-76.950.017 ④ a=0.0003F(t)+4454(yu-y)-76.95yu-0.034 ⑤ R=14720000y ⑥ R=Ru-14720000(yu-y) 满足要求。 由表1爆炸发生后0.06s,前墙最大弹塑性位移0.082m。 4.3构造设计 根据《石油化工控制室抗爆设计规范》要求,控制室应采用矩形规则单层结构,砼强度等级不应低于C30,钢筋宜选用延性良好的HRB400、HPB335钢筋,抗爆墙和屋面板采用双面配,单面筋配筋率不应小于0.25%,也不应大于1.5%,钢筋采用搭接。抗爆墙与基础及屋面板铰接,抗爆墙与框架梁预留间隙用素砼填实等,其具体节点见图3。 《石油化工控制室抗爆设计规范》是从美国土木工程协会(ASCE)Design of Blast-Resisting 图3 节点详图 Buildings in Petrochemical Facilities借鉴转化而来,计算采用单自由度体系的弹塑性动力模型,按照爆炸荷载的传导路径,逐个构件应用图解法或数值积分法进行构件抗爆计算。这种计算不同于一般框架剪力墙设计,强调的是变形控制,而非应力控制,结构应尽可能变形吸能,保证主体安全。同时,应加强构造节点设计,使构件计算模型更加准确,抗爆性能更好。 参考文献 1SH/T3006-2012,石油化工控制室抗爆设计规范和自动分析器室设计规范[S]. 2HG/T 20508-2014,控制室设计规范[S]. 3GB 50779-2012,石油化工控制室抗爆设计规范[S]. 4SH/T 3160-2009,石油化工控制室抗爆设计规范[S]. 5ASCE Design of Blast-Resistant Building in Petrochemical Facilities. Second edition. 2010. 6[美]约翰M.比格斯.姚玲森,程翔云译.结构动力学[M].人民交通出版社,1982. *张维秀:研究员,国家一级注册结构师、注册岩土工程师、英联邦结构工程师(MICE)。1989年毕业于南京水利科学研究院。从事结构设计工作。联系电话:(0432)63959402,Email:Jly-zwx0247@petrochina.com.cn。 2016-05-11)3 材料强度和变形规定
4 算例
5 结语