石油化工抗爆建筑物结构设计探究

谢占金

（中国石油工程建设有限公司青海分公司，甘肃敦煌 736202）

1 引言

石油、天然气等当前常见燃料发生燃爆时，会形成巨大的冲击压力波，会对周围建筑造成爆炸荷载，使建筑结构受到破坏损失，一旦建筑结构受损，易对建筑物内工作人员的生命安全造成巨大威胁。所以，在石油化工相关建筑物的结构设计中，需重视其抗爆设计，以提升建筑物的抗爆能力，保障建筑物内工作人员的生命安全。

本文主要从石油化工抗爆建筑物的基本概述，石油化工抗爆建筑物结构设计的基础、原则、目标，石油化工抗爆建筑物结构设计应用3 个方面对当前的石油化工抗爆建筑物结构设计情况展开论述。

2 石油化工建筑物抗爆设计基本概述

建筑物抗爆设计主要是指针对有发生爆炸可能的建筑物进行有针对性的防爆、泄爆设计，并采取防爆构造措施，进一步降低爆炸对建筑物和建筑物内工作人员的损伤，通过一定的泄爆措施，包括安装自动喷水灭火设备、雨淋灭火设备等，在较短时间内控制爆炸带来的灾害，延长建筑物内工作人员的安全转移时间[1]。

石油化工作为以石油、天然气为原料的重要化学工业，其产业内容主要涉及原油的裂解、重整、分离，以天然气、轻汽油、重油为原料的合成工作等，其主要意义是为其他产业提供能源，同时相关合成产物也是化肥、合成材料的重要来源。石油、天然气作为当前主要的燃料物质，其整体的燃爆风险普遍较高[2]，所以，在石油化工产业的建筑设计中，需重视建筑物的抗爆设计，以降低石油、天然气燃爆后对建筑物及建筑物内工作人员的损害。

3 石油化工抗爆建筑物结构设计的基础、原则和目标

3.1 石油化工抗爆建筑物结构设计基础

我国住房和城乡建设部于2019 年起草了《石油化工建筑物抗爆设计标准（征求意见稿）》，同时明确指出，建筑物防火间距需满足GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》（2018 版），针对未进行抗爆设计且建筑物受到爆炸冲击波超压≥6.9 kPa 或冲量≥207 kPa·ms 的建筑，需加强抗爆治理。即根据相关条例与标准可知，我国已对石油化工抗爆建筑物结构设计有了更明确、更细化的规范标准，设计者在进行建筑物的抗爆结构设计时，需严格按照国家标准、条例进行基本的结构设计，以防止重大人员伤害，提升我国石油化工抗爆建筑结构设计水平[3]。

3.2 石油化工抗爆建筑物结构设计原则

爆炸会在极短的时间内释放出大量能量，产生高温，释放气体，致周围介质因高压而产生相应的化学反应或状态变化，具有极强的破坏性。所以，一旦石油化工产业相关建筑物内或周边发生爆炸，会对建筑物的结构、安全性造成直接影响。在石油化工抗爆建筑物结构设计过程中，为提升建筑物整体结构设计的安全性和适用性，设计者需考虑下述5 点原则：

1）安全距离。建筑物间需有一定的安全距离[4]，在建筑物设计中，建筑结构、材料延性、强度的不同，爆炸后的能力吸收能力也有所不同，设计者需根据爆炸能量吸收能力设定合理的建筑物间距，一般石油化工建筑物与爆炸源的间隔应＞30 m。

2）建筑材料选择。根据抗力函数、冗余度，尽量选取吸收能力大、延展性强的材料，以提升建筑物的抗爆炸能力。

3）荷载组合。在结构设计中，设计师需考虑风荷载、爆炸荷载共同影响下，建筑物的抗爆能力设计。

4）适用性。设计师还需考虑爆炸发生后，出现层位移、建筑物损伤情况下，建筑物结构设计的适用性、安全度。

5）安全性。石油化工抗爆建筑物结构设计安全性需尽量以下述几点为主：（1）建筑物一般在爆炸源上风处；（2）控制室、交接班室、机柜间等重要作用房间需尽量远离爆炸正压力面；（3）尽量减小建筑物迎向爆炸源压力的面。

3.3 石油化工抗爆建筑物结构设计目标

《中国石油发布既有建筑物抗爆治理指导意见》中有提及，建筑物抗爆设计的主要目的是防止重大人员伤害，所以，在石油化工抗爆建筑物结构设计中，需以减少人员伤亡和经济损失为主要目标。在结构设计中，需重视建筑物的抗连续倒塌性，为建筑物内工作人员预留安全撤离通道，有效延长建筑物内工作人员的安全撤离时间，避免建筑物因爆炸冲击波所致破坏而出现连续倒塌问题，致建筑物内工作人员无法有效撤离[5]。同时需重视建筑物的安全储备能力和可修复性，进一步降低爆炸所致的经济损失。

4 石油化工抗爆建筑物结构设计应用

4.1 建筑结构材料和结构形式

根据上述可知，在同一抗爆结构设计中，不同延性、强度的建筑材料，其可达的爆炸能量吸收能力均有所不同，爆炸发生后，建筑物的损伤、倒塌程度均有所不同。所以，在实际的抗爆建筑物结构设计中，设计者需根据建筑物的应用场景选取更适宜的建筑材料。常见抗爆建筑结构形式与适用抗爆范围见表1。同时，受爆炸冲击波影响，建筑材料需有一定变形能力，以维持建筑结构的稳定性。

表1 常见抗爆建筑结构形式与适用抗爆范围

4.2 荷载代表值同爆炸波的关系

荷载代表值是建筑设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值。即爆炸瞬时形成的高压爆炸波超压，及爆炸后的气体、粉尘对建筑物的影响。在实际爆炸过程中，爆炸波随距离的延长，其强度呈逐渐衰弱趋势，即一般情况下，建筑物与爆炸源距离较近者以受冲击波作用为主，距离较远者以受压力波作用为主，如图1 所示。一般相同抗爆建筑物结构设计条件下，压力波对建筑物的损伤相对较小，因此，在建筑物的选址与设计中，需重视建筑物与爆炸源的距离设计。

图1中，td为冲击波持续时间；t为时间；P为压力值；P0为建筑物材料原承重压力；Pso为入射超压峰值；曲线P（t）为时间-超压函数。图1a 表示建筑物在爆炸源附近，此时建筑物承载的爆炸波压力形式为冲击波，因距离近，此时建筑材料受到的压力值骤然上升，并形成一个超压峰值自由场，随着时间的推移，爆炸形成的冲击波逐渐减弱，最后在正负压交替中逐渐衰减、结束。图1b 表示建筑物在爆炸发生远处，此时建筑物承载的爆炸波压力形式为压力波，随着时间的推移及爆炸形成压力的推进，建筑材料承受压力值从0 开始缓慢上升，受距离影响，建筑材料所受压力波超压峰值低于冲击波压力峰值，与冲击波类似，到达压力峰值后随时间推移，压力波开始缓慢下降，无正负压交替现象并逐渐衰减、归0。

图1 建筑物与爆炸源距离、所受压力的关系

4.3 建筑物材料的标准和强度

不同建筑材料的爆炸能量吸收力存在明显差异。一般情况下，爆炸过程中，建筑材料变形速度越快，建筑材料的强度越强，承受爆炸作用力的能力越强。即在爆炸荷载作用下，构件应力呈快速上升状态，此时，多数材料变形速率会达到高于最小屈服点的应力值，此阶段，材料强度明显增加[6]。材料爆炸荷载状态下的屈服强度Fdy计算公式为：

式中，Fy为材料静力受荷状态下最小屈服强度值；DIF 为动力增强系数；SIF 为材料增强系数。根据式（1）对建筑材料的抗爆能力进行综合评估分析，在符合国家规定的条件下，选择最适宜的建筑材料，以提升其整体的抗爆炸能力。

4.4 建筑结构动态响应的动力分析

在爆炸过程的建筑结构动态响应中，构件关键控制截面的应力随材料的应变而变化，即在动态响应中，主要涉及可靠度指标、动力分析方式这两个设计点。其中，可靠度指标方面，GB 50068—2018《建筑结构可靠度设计统一标准》给出明确定义和常见结构构件的可靠指标，针对构件的延性破坏、脆性破坏可靠度进行了安全等级划分，根据预选材料的可靠度指标，分析评估建筑物的容许位移值，以保障抗爆建筑物结构设计的安全度。动态分析方法方面，主要是针对构件最大相对挠度、塑性铰位置相对转角、动力效应向支座的传递、挠度、回弹效应等指标数据进行计算，以提升建筑物抗爆结构设计的有效性。在分析方法方面，如针对单自由度体系SDOF 动力分析模型，除采用F(t)=Ma+Cv+K[F(t)为以时间为变量的作用力；M为质量；a为加速度；C为黏滞阻尼系数；v为速率；K为刚度系数；y为位移]这一模型计算公式外，还可以采用多自由度体系分析模型、高级分析方法、有限元分析方法等进行动力分析，以便于在石油化工抗爆建筑物结构设计的相关指标计算过程中，寻找计算方式的简单性、精准性间平衡。进一步提升设计方案中结构数据的精准性、有效性，从而有效提升、保障石油化工相关建筑物的抗爆效果。

5 结语

综上所述，与其他产业相比，石油化工产业的石油、天然气存储量普遍较高，燃爆风险更大，所以，在石油化工相关建筑物的结构设计过程中，需重视建筑物的抗爆设计，并在设计过程中采用一定的抗爆、泄爆措施。同时设计者需严格按照当前已发布的国家规定、条例进行建筑物的抗爆结构设计，以保障建筑物抗爆设计的安全度和有效性。在实际应用中，需以防止重大人员伤亡为主要目标进行石油化工防爆建筑物结构设计，排除建筑物抗爆结构设计中的安全隐患，提升建筑物的抗爆能力，使建筑物能达预期性能目标，以有效保障建筑物内工作人员的生命安全，减少石油化工企业的经济损失。