石化抗爆控制室基础设计研究

摘 要：石化控制室由于内部设备的重要性，有必要在承受爆炸荷载作用时，除上部结构应具有足够的抗爆能力外，基础同样必须有抵抗爆炸冲击能力，保障在爆炸冲击作用下整体的安全性。本文探讨了抗爆控制室基础抗滑移、倾覆的简化验算方法，探讨了基础抵抗爆炸冲击波的性能，为今后同类项目设计提供参考。

关键词：抗爆结构；滑移；倾覆；桩基础

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.088

在石化项目中对新建、扩建和改建石油化工工程的控制室、中心控制室、现场控制室和现场机柜室、以煤为原料制取燃料和化工产品的企业控制室进行抗爆设计，在保证现场操作人员的安全同时，又可以极大地降低二次事故的风险。当前控制室主要为现浇钢筋混凝土抗爆墙-框架结构，即上部结构由前墙、侧墙、屋面以及后墙和内框架组成，基础则依据地勘报告灵活设计，较为普遍采用的型式有桩基础、筏板基础、独立基础-刚性地坪等。

考虑到上部结构所传递到基础的荷载没有统一标准和依据，在基础设计时造成了极大的安全隐患和经济浪费。本文探讨了一种抗爆控制室基础竖向承载力、抗滑移、倾覆的简化验算方法。

1 基础设计原则

在无爆炸荷载参与时，基础设计可按国家现行有关基础设计标准的规定要求进行计算。在有爆炸荷载参与时，基础设计应进行地基承载力验算、基础抗倾覆及抗滑移验算。设计时，应采用外墙爆炸荷载、屋面爆炸荷载、恒荷载、活荷载同时组合的动力反应最大值。

1.1 天然地基

（1）进行地基承载力验算时，爆炸荷载作用情况下地基土的允许承载力可取其特征值的2倍。

（2）验算基础抗倾覆时，基础抗不平衡侧向动力荷载的倾覆安全系数应取1.2，不计入活荷载的影响。

（3）抗滑移验算时，抗滑移安全系数应取1.05。当计入基础的被动土压力增加抗滑移能力时，基础的被动土压力取不平衡荷载的1.5倍，不平衡荷载应取总动水平荷载减去摩擦阻力。

1.2 桩地基

（1）桩基础在爆炸荷载作用下的允许垂直承载力，可取其垂直承载力极限值。

（2）桩基础在爆炸荷载作用下的水平允许承载力，可取其水平极限承载力。计入基础的被动土压力与桩共同抵抗爆炸水平力时，桩基的最终水平承载力及作用在基础墙及基础上的被动抗力组合后，不应小于所需水平抗力的1.5倍。

2 基础设计方法

2.1 爆炸荷载确定

爆炸荷载由《建设场地安全评估报告》提供或采取《石油化工控制室抗爆设计规范》确定，其中应包含爆炸冲击波峰值入射超压和正压作用时间等设计拟采用参数。

作用在前墙上的爆炸荷载峰值反射压力及正压时间：

作用在侧墙上以及平屋頂屋面的有效冲击波超压及其升压时间：

2.2 基础验算实例

某石油化工装置控制室基础采用钢筋混凝土灌注桩桩承台基础，冲击波峰值入射超压Pmax=21kN/㎡，计算长度L=81.7m，计算宽度B=27m，计算高度H=10m。

依据《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.1.1条：“抗爆控制室结构在爆炸荷载作用下，其动力分析可近似采用单自由度体系动力分析的方法或等效静荷载分析方法”，如图2：

依据《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.5.1条：“…有爆炸荷载参与时，风、雪荷载、地震作用不参与组合”。验算爆炸力对桩承台竖向荷载影响时，仅考虑爆炸力作用。前墙P1=0.8Pmax=16.8kN/㎡， 后墙P2=-0.5Pmax=-10.5kN/㎡。

2.2.1 竖向承载力验算

爆炸荷载作用下，结构X向总弯矩：Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2），将结构承受弯矩等效为力偶作用值，即：Mx=F*B。假定：力偶值等效为前、后墙所承受的拉、压力值。（如图3所示）

因此，基础竖向承载力验算：L=81.7m，B=27.0m、H=10.0m

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2）

=13725.6×5+8578.5×5=111520.5 kN.m

F =Mx/B=111520.5÷27=4130 kN

结构后墙基础面积为84.7*3=254.1㎡，爆炸力作用下基础竖向承载为4130÷254.1=16.25KPa小于地基承载力Fak=230KPa，且《抗爆规》第5.9.4条第一款：“进行地基土承载力验算时，爆炸荷载作用情况下地基土的允许承载力可取其特征值的2倍。”

通过以上计算方法验算，可知爆炸力作用下基础竖向承载力满足设计要求。

2.2.2 基础滑移、倾覆验算

如图4所示：对结构基础进行抗滑移、倾覆验算时，水平爆炸作用产生的滑移及倾覆全部由刚性地坪、回填土、桩承台、桩及附近原状场地土承担，简化计算如下：

爆炸荷载作用下，桩基水平承载力验算：

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

P= Pa+ Pb=13725.6+8578.5=22304.1 kN

计算拟采用下式：

其中：Ph=P=22304.1 kN，

N=34104.54 kN（结构总自重）

G=G1+G2+G3

=34104.54+0+95294.88=129399.42 （G1为基础重；G2为刚性地坪重，G3为回填土重）

μ=0.30

依据以上规范简化计算可得：

通过以上简化方法验算，可知爆炸力作用下结构抗滑移稳定验算满足设计要求。

如图4所示：对抗爆结构基础进行抗倾覆验算，结构基础与土壤摩擦μ系数取0.3。

结构自重产生水平抗力为：F1=（N+G1+G2）*0.3=38819.8 kN

查《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011式6.7.3-1：

基础回填土产生水平抗力：

F2=*L=1270.6 kN

结构总抗力：F=F1+F2=40090.4 kN

简化计算可知： F/P=1.8>1.5

通过以上计算方法验算，可知爆炸力作用下结构水平抗力验算满足设计要求。

3 结论及建议

（1）该计算方法将爆炸荷载作用下的抗爆控制室结构动力分析采用单自由度体系等效静荷载进行分析。能满足设计的要求和安全的保证。

（2）本计算方法充分考虑在抗爆控制室进行抗滑移、倾覆验算时，刚性地坪、回填土、桩承台、桩及附近原状场地土对基础的滑移、倾覆影响作用。使基础计算更加准确，抗爆性能更好。

参考文献：

[1]Design of Blast-resistant Buildings In Petrochemical Facilities[M].2nd ed.Reston：ASCE，2010.

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

[3]SH/T3006-201石油化工控制室设计规范[S].中国石化出版社2012.

作者简介：毛江涛（1984-），男，山东济南人，硕士，工程师，主要从事石化工程结构设计工作。