石油化工抗爆控制室结构设计研究

杨 洋

江苏信息职业技术学院 江苏 无锡 214000

1 墙体的爆炸荷载

1.1 前墙爆炸荷载

抗爆控制室前墙正对于爆炸源，类似于常规武器地面爆炸空气冲击波简化波形，冲击波直接作用于抗爆前墙，抗爆前墙动力响应造成最先出现峰值反射压力，反射压持续作用tc时间，然后通过等冲量简化为正压等效作用时间te。

1.2 侧墙及屋面爆炸荷载

抗爆控制室侧墙及屋面没有正对爆炸源，类似于常规武器地面爆炸土中冲击波简化波形，首先有一段有效冲击波超压升压时间tr, 升压至有效冲击波最大超压Pa后下降并持续作用td时间，爆炸荷载体现为有升压时间的三角形波形。

1.3 后墙爆炸荷载

抗爆控制室后墙背对爆炸源，与前墙和屋面荷载类似，但是由于距离的原因，冲击波到达后墙需要一段时间ta;然后波形与前墙和屋面类似，仅超压值与作用时间有所区别，爆炸荷载体现为时间滞后的有升压时间的三角形波形。

1.4 墙体的爆炸荷载总结

由于石油化工厂区内危险源较多，可能位于控制室的各个方位，一旦发生爆炸往往会产生各处蔓延，造成多点多方位爆炸。这样的情况下特定区分前墙、侧墙及后墙意义往往不大，且计算烦琐，所以在工程设计实践中往往不区分前墙、侧墙和后墙，统一按最不利的前墙考虑，这样不仅可以大大减少计算工作，而且也能较好保证抗爆控制室的结构安全性，所以抗爆控制室中对于前墙的设计尤其重要。

2 抗爆控制室的设计方法

2.1 设计过程中的规范要求

按《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）中的设计要求，当爆炸发生后，允许抗爆结构可以处于非弹性状态且不会发生倒塌事故。即控制室的结构在遭受爆炸荷载作用后，其发生的损坏必须要在能进行修复的范围之内，而且经修复后仍然可以继续使用。在爆炸荷载作用下，应验算抗爆结构的承载力及变形，其中延性比和支座转角必须满足规范要求[1]。

2.2 控制室结构选型及爆炸荷载传递路径

2.2.1 结构体系选择

在进行建筑物结构设计时，选择合理的结构体系是保证抗爆控制室在外力作用下受力安全、传力明确的前提。《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）规定：抗爆控制室建筑平面宜为矩形，层数宜为一层，宜采用钢筋混凝土抗爆墙与框架组合的形式。因此，在结构设计时，可以将抗爆控制室内部设计为框架结构，外部设计为抗爆剪力墙围绕其四周布置。外部抗爆墙应与内部框架脱开，抗爆墙与框架梁、柱之间留有间隙。同时，抗爆墙上端与屋面板铰接连接，下端与结构（刚性）地坪或基础铰接连接。这样当爆炸时，外部剪力墙承受水平爆炸荷载，而框架结构不受水平爆炸荷载影响，只需要承担垂直荷载，这样的组合形式保护了内部主要结构和人员的安全。

2.2.2 爆炸荷载传力路径

这里以抗爆前墙为例，当发生爆炸时，作用在其上的爆炸荷载传递路径是：爆炸水平荷载首先直接作用在抗爆前墙上，然后前墙通过上下构造连接，上端传到屋面，下端传到刚性地坪或下部基础。随之屋面板通过与侧墙的连接将力传递给两边侧墙，最后侧墙将力传到基础。

2.3 控制室结构动力分析

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）规范5.6.1 的要求：结构的动力分析宜对整体结构按时程分析法进行。条件不具备时，对于矩形建筑物，构件可按作用的爆炸荷载进行动力分析[1]。实际化工项目中对于抗爆结构缺少时程分析法所需要的相关实验数据，因此大多数抗爆控制室在进行动力分析时，抗爆墙和屋面板等构件是按单自由度体系的等效静荷载法进行设计。

2.4 抗爆控制室设计步骤

抗爆控制室内部框架结构与外围抗爆墙脱开布置，内部框架结构和外部抗爆墙所受荷载及传力途径等不同，计算时也需要按常规工况和爆炸工况分别进行计算：

（1）常规工况的整体分析：首先利用PKPM 或者盈建科等设计软件按照常规设计流程对内部混凝土框架结构在恒、活、风、地震等荷载效应组合下进行建模、分析、设计、计算。即不考虑爆炸的情况，整体模型中无需建入外围剪力墙。

（2）采用抗爆构件单自由度体系的等效静荷载法计算：首先依据甲方给出的安全分析综合评估或《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）中第5.3.1 条中的参数来计算建筑物承受的冲击波、爆炸荷载的各项参数值，然后再假设抗爆墙体的厚度、材料、竖向和水平配筋As 等参数来验算构件的延性比、转角是否满足规范要求。此步骤中假定墙体相关参数来进行的一系列验算为一个试算的过程，需要不断调整构件的参数直至延性比、转角符合规范要求。

（3）爆炸工况下的整体分析：对于封闭式的抗爆控制室，爆炸点产生的爆炸载荷主要直接作用于外墙和屋顶。屋面板直接承受的竖向爆炸荷载通过内部框架结构的梁、柱最终传给下部基础。所以在爆款工况下，需要将外部剪力墙和内部框架进行整体建模计算分析。同时荷载规范中明确规定：爆炸工况下，不再考虑爆炸荷载与风、雪、地震荷载的组合作用。

（4）下部基础分析:基础是上部结构的有效支撑，由于爆炸水平荷载很大，设计时除了满足承载力的要求，还需验算抗滑移、抗倾覆。在设计过程中，应采用外墙爆炸荷载、屋顶爆炸荷载、恒载、活载同时组合的动力反映最大值。

（5）施工图绘制：应按常规工况和爆炸工况这两种最不利结果进行设计。其中外部剪力墙厚度、剪力墙配筋、混凝土及钢筋强度等级应按爆炸工况进行取值设计；而内框架结构的柱、梁、屋面板应包络设计，取最不利结果。

3 抗爆控制室构件单自由度体系等效静荷载设计——以前墙实例分析

3.1 项目概况

本工程实例为岳阳某化工区新建中央控制室，控制室建筑平面尺寸15m×15m，单层建筑。屋面标高5.000m，一层设置地坪，但室内地面刚性地坪不满足嵌固作用。建筑室内外高差0.600m，基础顶面埋深标高- 1.900m，计算高度取H=5+1.9=6.9m。

本工程未请专业机构进行安全评估，故按《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）中第5.3.1 条进行取值分析，本工程冲击波峰值入射超压最大值PSO=21kPa，正压作用时间td=100ms 计算前墙的爆炸力。

3.2 冲击波参数计算

3.3 前墙爆炸荷载

峰值反射压力：

单位宽度上峰值反射压力对应的构件冲击荷载：

停滞压力：PS=PSO+Cd·qO=21+1×1.41=22.41kPa。

停滞压力点至建筑物边缘的最小距离：

反射压持续时间：

正 压 冲 量：IW=0.5·（PY- PS）·tc+0.5·PS·td=0.5×（45.22- 22.41）×0.055+0.5×22.41×0.1=1.75 前墙正压等效作用时间：te=2IW/ PY=2×1.75/ 45.22=0.077s。

3.4 前墙计算

假定前墙厚度300mm，混凝土强度C30,受力竖向配筋双层 18@150，AS=1696mm2，水平钢筋 12@150，截面有效高度h0=255mm，计算时取1m 宽前墙。

主要的材料：钢筋HRB400,fy=360N/ mm2，Es=2×105N/ mm2。

混凝土：C30，fC=14.3N/ mm2，EC=3×104N/ mm2。

钢筋动力强度设计值：fdy=ysif·ydif·fyk=1.1×1.17×400=514.8N/ mm2。

混 凝 土 动 力 强 度 设 计 值:fdc=ysif·ydif·f′ck=1.0×1.19×20.1=23.92N/ mm2。

混凝土受压区高度：x=ASfdy/ fdcb=1696 ×514.8/ 23.92×1000=36.5mm。

前 墙 抗 弯 承 载 力：Mu=a1fdcbx （h0- x/ 2）=1.0×23.92×1000×36.5×（255- 36.5/ 2）=206.7kN·m。

前墙弯曲抗力：

Rb=8Mu/ L=8×206.7/ 6.9=239.7kN。

前 墙 抗 剪 承 载 力：Vu=0.7βhftkbh0=0.7×1.0×2.01×1000×255=358.8kN。

剪切抗力：RS=2VU=2×358.8=717.6kN。

极限抗力:Ru= mim（Rb，RS）=239.7kN。

3.5 前墙刚度计算

混凝土构件对形心轴的毛截面惯性矩：

开裂截面惯性矩：

平均惯性矩：Ia=0.5·（Ig+Icy）=0.5×（22.5×108+4.3×108）=1.34×109mm4。

构件刚度：K=384EcdIa/ 5ι3=384×1.2×30000×1.34×109/ 5×69003=1.13×104N/ mm。

3.6 弹塑性动力分析时等效质量和振动周期：

通过查附录B，取弹性和塑性的平均值

均布质量传递系数：Km=（0.5+0.33）/ 2=0.415。

荷载传递系数：KL=（0.64+0.5）/ 2=0.57。

墙板等效质量：Me=Km·m=0.415×6.9×0.3×1×2500=2148kg。

3.7 延性比

通过查规范附录图A.0.2，μ=2.4＜［μ］=3.0，满足要求。

弹性极限变位：Xy=Ru/ K=239.7/ 11.3=21.2mm。弹塑性变位：Xm=μXy=2.4×21.2=50.88mm。

最大转角：θ=arctan ［2Xm/ L］·180/ π=0.8450＜［θ］=20满足要求。

抗爆前墙水平分布筋验算：为了保证结构的安全性，假设爆炸源移动到侧墙位置，这时侧墙就转换为前墙，从而能使得前墙（原侧墙）所受的爆炸荷载最大，传递给侧墙（原正墙）的水平剪力也最大，这样就可以通过一侧传来的最大水平剪力来进行计算。通过查附录B 中表B.0.1- 1

假设侧墙相关的参数包括墙厚、材料、配筋与前墙的参数一致，那么侧墙的极限抗力Ru=239.7kN。

前墙的所受的最大水平剪力：Vd=V·B/ 2=128.53×15×2=964kN。

前墙平面内抗剪承载力：Vu=0.7βhftbh0=0.7×1×1.43×15000×255=3829kN＞Vd，满足规范要求。

经过计算假设的前墙水平分布钢筋12@150 其配筋率为0.5%，满足规范中最小配筋率0.25%的要求。抗爆控制室其他构件：包括两侧侧墙、屋面板、抗爆后墙的计算方法类似于与前墙, 但其中极限抗力- 延性比关系图应取《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）附录A.0.3 图。

4 结语

在设计时，抗爆构件采用的是弹塑性设计法，是利用爆炸过程中构件产生变形来吸收并消耗能量，所以相关设计人员不得随意变动计算结果，包括对抗爆墙的截面大小、混凝土及钢筋的强度等级、配筋量等进行人为随意加大更改，这是错误的设计理念。因为过大的配筋率会导致结构构件有过大的刚度，相关构件将会承担更多爆炸力且减少塑性变形的能力，反而会引起安全隐患。