浅谈石油化工中心控制室结构设计

李 剑

（中国昆仑工程有限公司， 北京 100037）

0 前言

近年来，石化企业的生产装置在生产过程中发生火灾、爆炸事故越来越多，造成危害也越来越大。中心控制室作为石油化工企业的指挥中心，是厂区内最关键的建筑。在爆炸事故中，中心控制室一旦被炸毁将会引起所有装置瘫痪，造成严重的经济损失，甚至还会严重威胁人员的生命安全。因此，中心控制室必须采用合理的抗爆设计，在发生爆炸时确保内部操作人员的安全以便能继续正常发出指令，如此才能尽最大限度的减少爆炸带来的经济损失。对于结构专业而言，抗爆设计的目标就是在爆炸荷载作用下，主要承重构件不致丧失承载能力，允许构件进入弹塑性工作状态，结构不发生连续倒塌，经一般的修复加固后仍可重新投入使用。

1 中心控制室设计概述

首先总图设计时，中心控制室宜布置在易燃易爆源全年最小风频的下风向，并与易燃易爆生产装置保持一定的距离，既不能太远也不能太近。距离太近，爆炸冲击荷载会非常大。距离太远，不利于节约用地及生产管理。目前，国内外公认的距离标准为不小于 30m[1]。建筑专业设计时，中心控制室的平立面应简单规则，在满足工艺、仪表、暖通等其他专业要求的前提下，高度尽量低，跨度尽量小。

中心控制室的结构设计内容主要有三个方面：结构方案、结构计算以及施工图绘制。结构方案的制定需要综合考虑各专业的实际要求，在满足各专业的条件下，充分保证结构安全可靠。结构计算主要分为荷载计算、构件计算。荷载计算分为爆炸荷载和正常荷载两种形式。正常荷载可按常规取值，主要应用于框架部分的。爆炸荷载的确定主要包括两个参数：①冲击波峰值入射超压；②正压作用时间。在业主未提供这两个参数的情况下，石油化工装置可按蒸汽云爆炸模型，取冲击波峰值入射超压为21kPa，正压作用时间为lOOms[2]。抗爆构件计算的主要步骤[1]：

1）初步假定外围抗爆墙的截面大小、配筋面积、混凝土及钢筋强度等设计参数；

2）计算混凝土、钢筋在动力特性下的设计强度及材料性能；

3）动力求解（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），根据计算结果验算延性比和转角变形；

4）框架部分单独计算，按正常荷载状态设计，应用盈建科或PKPM 等设计程序；

5）基础：由于爆炸引起的水平冲击荷载较大，同时为保证结构整体稳定性，抗爆墙与框架柱宜采用筏板基础或条形基础，基础在满足承载力的同时还需验算抗滑移、抗倾覆。

绘制施工图要对比分析正常使用工况和爆炸工况的结果，例如抗爆墙的截面大小及配筋，应全部采用爆炸工况下的弹塑性分析结果；柱的截面及配筋，则采用正常使用工况下的弹性分析结果。另外要特别注意抗爆构造措施，例如抗爆墙洞口周边要加筋补强，抗爆墙转角要设置边缘构件加强，抗爆墙与基础铰接处要设置交叉斜筋等。

2 中心控制室结构设计中应注意的问题

2.1 多工况下的复核

我国位于地震多发地带，特别是近年来地震频发，给人们的生命财产造成了严重影响。有些设计人员容易忽视地震工况的复核，认为爆炸工况的设计结果一定是最安全的，但是如果存在以下情况：地震烈度高，场地条件差，建筑较高，跨度较大等，地震工况有可能起控制作用。设计时一定要综合各种工况，进行包络设计。

2.2 结构体系的选择

合理的结构体系应选用抗爆墙与框架组合的形式，其中抗爆墙应与框架脱开布置，抗爆墙承担全部水平爆炸荷载，竖向荷载由框架承担。一些设计人员没有把抗爆墙和框架柱进行脱开设置，导致结构传力路线不清晰。如果抗爆墙与框架柱整浇在一起不脱开，二者相当于刚接，由于剪力墙刚度大，变形亦大，从而导致框架柱弯曲变形也很大，这对于抗爆结构是极其不利的。爆炸荷载越大，迎爆面框架柱变形破坏就越严重，一旦失去承受竖向荷载的能力，结构将发生倒塌。另外，抗爆墙与框架柱脱开后，上下两端宜应分别铰接于楼板和基础，做到只传递剪力而不传递弯矩。

2.3 设计参数的选取

结构体系确定之后，采用合理的设计参数能实现优化设计，从而减少工程造价和工程量。有些设计人员认为结构刚度越大，抗爆就越有利，其实这是一个误区。抗爆设计采用的是弹塑性动力分析方法，这种方法允许构件在规范允许范围内出现开裂变形，更好的起到吸收、消耗爆炸能的作用。例如混凝土，计算表明当混凝土强度等级高于C40 时，再提高混凝土强度等级对降低构件延性比不起任何作用。对于钢筋，《石油化工控制室抗爆设计规范》5.2.3 条规定: “抗爆构件的钢筋强度等级和配筋面积应按计算确定，不得任意提高钢筋强度等级和加大配筋截面”[2]。这是因为配筋率深刻影响着构件的延性，对于抗爆构件而言，配筋面积、钢筋强度等级均应严格按照计算确定，不能随意放大钢筋面积或钢筋强度等级。由此可见，盲目放大一些设计参数，只会增加经济成本，对结构起不到任何好处。

2.4 规范有待完善

《石油化工控制室抗爆设计规范》5.6.2 条提出：对于受弯构件，其抗剪承载力应比抗弯承载力高20%[2]。这种说法的概念比较模糊，抗剪计算的具体方法规范只字未提，希望规范升版修订时把这块的内容补充完整[4]。

2.5 预应力结构研究少

由于预应力混凝土结构延性很好，不会发生脆性破坏，因此比较适合应用于抗爆结构。另外,预应力结构还具有截面小、强度高、不开裂等特点，有利于结构安全的同时也便于建筑、工艺等其他专业进行布置。但是，目前国内外关于预应力混凝土结构应用于抗爆结构方面的研究甚少，国内只有李砚召等人做过少量研究，国外也只有日本和美国开展过这方面的研究，但至今还未见应用于工程实践[3]。

3 结束语

作为抗爆结构，中心控制室建筑外形看似简单，但其结构设计却繁琐复杂。虽然石化装置发生爆炸的概率很小，但是结构设计必须做到安全可靠，这对结构设计人员提出了更高的要求。类似于地震作用，爆炸荷载也是一种偶然作用，充满复杂性和未知性，瞬时冲击力极大，因此结构工程师更应该重视抗爆的概念性设计。首先，结构方案的确定阶段要积极与其他专业进行沟通，为优化结构设计创造最有利条件。其次，采用的结构体系应具有冗余度多、塑性变形能力大、延性好的特点，确保中心控制室在爆炸时不发生脆性破坏而倒塌，继续发挥全厂指挥官的功能。