石油化工控制室抗爆设计中结构专业的几点注意事项

刘青

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 概述

对于中国来说，经济的发展离不开化工行业的发展，化工行业的发展也确实为我国经济的发展贡献了一份力量，但是化工行业的发展也同时带来安全事故的频发，特别是近几年化工厂区有很多非常大的爆炸事故发生，不但给社会带来了恶劣的影响，也给人民群众的生命和财产造成了巨大的损失。事故发生时，首先要启动的就是应急预案，作为全厂的“神经中枢”，控制室就应保证在任何情况下都能正常运行，这就对控制室提出了比项目中的其它装置更高的要求，特别是一些新建场区，只要有爆炸的可能性，控制室就需要进行抗爆设计，下面根据我自己设计的几个抗爆控制室在设计过程中需要结构专业注意的事项进行总结说明。

目前，我国涉及到控制室抗爆设计的规范规程只有《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012。本规范给出了抗爆墙设计计算公式，并给出了计算参数值。下面将规范中的第5.3节的相关内容列出（仅列出跟本文有关的几点）。

1）控制室抗爆设计采用的峰值入射超压及相应的正压作用时间，应根据石油化工装置性质以及平面布置等因素进行安全分析综合评估确定。但是国内的项目一般都不提供此参数，当不进行评估时，规范给出了以下规定：冲击波峰值入射超压最大值可取21kPa，正压作用时间可取100ms；或者冲击波峰值入射超压最大值可取69kPa，正压作用时间可取20ms。

此处，冲击波峰值入射超压与正压作用时间为一对对应的数值，如何取值须在设计文件中说明。

本项目在计算中取用以下数值：

爆炸冲击波峰值入射超压Ps0=21kPa：

正压作用时间td=100ms=0.1s。

2）拖曳力系数Cd取决于障碍表面的形状及朝向。对于封闭矩形建筑物，前墙取+1.0，侧墙及屋面、后墙取-0.4。

3）停滞压力点至建筑物边缘的最小距离S取H（建筑物的高度）或B/2（B 为建筑物的长度）中的较小值。

4）根据前面几组固定参数，对冲击波的参数及进行计算：

①波速 U=345（1+0.0083Ps0）0.5=373.86m/s；

②峰值动压q0=0.0032Ps02=1.41kPa；

5)根据以上数值，对最危险的建筑物前墙爆炸荷载进行计算：

①峰值反射压力Pr=(2+0.0073 Ps0)·Ps0=45.22 kPa；

②停滞压力 Ps=Ps0+Cd·q0=22.41 kPa；

③反射压持续时间tc=3S/U，具体每个项目根据S 数值定。

④正压冲量Iw=0.5·（Pr-Ps）·ts+0.5·Ps·td

⑤前墙正压等效作用时间tc=2Iw/Pr

选择我设计过的一个项目中抗爆控制室作为案例，并对控制室做一些简要介绍：本建筑物为一个正方形的二层建筑物，房屋总高度为H=9m，建筑物的总长度为B=20m。

2 抗爆墙体设计实例

2.1 结构设计的基本原则

1)根据规范进行设计的控制室，要求当遭受一次爆炸荷载作用，可能局部损坏时，经一般修理应能继续使用。

2)抗爆控制室建筑平面宜为矩形，层数宜为一层。本项目虽然建筑物总层高为两层，但在计算抗爆墙时，我们仍按照一层来计算整体的墙高度。

3)建筑物外墙不应设置雨篷、挑檐等附属结构。

4)建筑物不得设置变形缝。

5)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。规范根据经验，当采用单层钢筋混凝土剪力墙结构，构件呈现单自由度动力特性，故规范正文给出了单自由度的动力计算模型。

6)抗爆控制室结构在爆炸荷载作用下，应验算结构的承载力及变形，对结构构件裂缝可不进行验算。

以上几点从根本上说明了抗爆控制室在力学计算的基础上，抗爆设计更应该注重概念设计，从建筑布局、结构选型、平面布置、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。

首先我对抗爆控制室进行了模型的简化。根据《石油化工控制室抗爆设计规范》中有关抗爆设计的性能设计理念，并在满足建筑物安全性的前提下，最大程度的兼顾经济性，结合国内外设计实例，此次设计将内部梁柱框架与抗爆墙体分开设计并分别计算，这是目前为止进行抗爆设计的最优方法，其简化模型如图1 和图2 所示。

图1 计算模型平面布置

图2 计算模型立面布置

第二步就需要我们对抗爆控制室的墙体材料、墙体厚度及配筋做一个基本接近现实的假设。

假设抗爆墙体采用混凝土的强度等级为C40；钢筋采用三级钢。墙体厚度h=400mm，钢筋采用Ф18@150。墙体保护层厚c=15mm。以上的材料选定后，可根据《混凝土结构设计规范》将材料的强度标准值及强度设计值与其它参数一并查出。如：混凝土的轴心抗压强度标准值fck、混凝土受压和受拉的弹性模量Ec、钢筋的屈服强度标准值fyk、钢筋的弹性模量Es 等计算所需数值。并根据所查数值计算出材料的动力强度设计值。材料的动力强度设计值计算公式可参见《石油化工控制室抗爆设计规范》的第5.7.2 条，在此不再赘述。

2.2 抗爆计算

模型简化完成，计算所需的材料假设完成，材料的基本参数也就定了，下一步就是根据规范的要求对墙体进行抗爆计算。

计算过程需要设计师细心与耐心，特别是根据计算出来的数据进行查表时，更是需要我们仔细，因为稍微粗心大意点，查出来的数值可能对我们的计算影响就会很大。在此仅给出根据以上所列的各种假设进而计算出抗爆墙体的最终所需数据：结构构件的延性比Ч=Xm/Xy=2.63,基本接近结构构件的允许延性比[Ч]=3.0。结构构件的弹塑性转角 θ=arctan(2π/L0)·180°/π=0.71°。远远小于规范给出的弹塑性转角允许值[θ]=1.5°。基于经济型的要求，这个结果说明构件的延性不错，但是弹塑性转角较小，即可能墙板厚度太厚或是钢筋配筋率偏小。此时需要我们重新对墙体厚度或者是墙体配筋做假设，继续第二遍计算直到延性和转角均满足要求为止。

2.3 相关的一些结构构造要求

1）剪力墙两端和抗爆门门框墙应设暗柱加强，且应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》有关边缘构件的规定。

2）屋面板及外墙应双面配筋，单面竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应＜0.25%，并不应＞1.5%。屋面板的最小厚度不应＜125mm，墙体的最小厚度不应＜250mm。

3）钢筋宜采用搭接接头。

4）当地坪作为外墙的支座时，宜设刚性地坪。刚性地坪的最小厚度不应＜150mm，并应双面配筋。

5）基础埋深不宜＜1.5m。设计时可计入刚性地坪对基础的嵌固作用。

2.4 需要特别引起注意的几点注意事项

1)抗爆控制室采用矩形平面，也是为了传递爆炸力时路径明确。建筑层数为一层，主要考虑工程成本问题。

2)抗爆控制室采用现浇钢筋混凝土结构。一般情况下，建筑物屋顶采用现浇钢筋混凝土板，是为了传递爆炸力的要求。

3)钢筋采用搭接接头，是为了防止焊接引起的钢筋性能的变化。

4)墙体与基础采用铰接方式连接。

5)基础采用独立基础时，独立基础间宜设系梁。

3 结论

文中所述项目自2017 年9 月设计完成，并于同年底施工完成。采用单自由度体系动力分析方法计算控制室，抗爆墙单独承担瞬时的爆炸荷载，允许其出现塑性铰，而内部框架结构仅作为正常使用，仅仅考虑正常楼面荷载及地震作用，采用此种计算方法，不但传力路径更加清晰明确，而且计算得出的基础及梁柱更加贴近现实，节省了混凝土及钢筋用量，更加经济。

同时，该项目的成功设计与施工完成，不但与国际抗爆设计成功接轨，也为我公司以后的抗爆控制室的设计积累了成功的经验，在本项目以后，我公司又接连设计了很多的抗爆控制室，目前都应用良好，得到了业主的一致好评。