石油化工控制室抗爆结构设计应用

黄勇标

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525011）

1 建筑总图布置

建筑物是否需要抗爆、确定抗爆建筑物平面布置、建筑物抗爆炸冲击波的大小一般都应经过安全分析后才能确定。

新建抗爆建筑物平面布置除应符合现行国家标准《石油化工企业设计防火标准》（GB 50160—2018）和《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）的规定，还应满足下列要求：①建筑物应独立设置。②建筑安全出口不应直接面向有爆炸危险性的装置或设备；设置多个出口时，宜在不同的方向设置[1]。

2 抗爆设计分析

2.1 控制室抗爆设计的设防目标

（1）保证人员生命安全。

（2）发生事故时装置处于受控状态，能够执行停车、切断等控制操作，防止工艺装置失控导致级联事故，使其影响扩散。

（3）避免造成经济损失或将经济损失降至最低。

2.2 抗爆控制室的结构组成和传力路径分析

抗爆控制室以单层框-剪抗爆结构为例，抗爆结构体系由外墙、屋盖、框架和基础4 个部分构成。

外墙是直接承担水平爆炸荷载的构件。直接面向爆炸源的外墙为前墙；把墙面与爆炸冲击波前进方向平行的外墙为侧墙；背向爆炸源的外墙为后墙。水平爆炸荷载传给前墙或后墙，前墙荷载通过屋盖传至侧墙，最后由外墙系统传至基础[2]。

屋盖结构由屋面板、次梁、屋面主梁组成。屋面板在平面外直接承受竖向爆炸荷载，并将这些荷载传给次梁，次梁承受屋面板传来的竖向爆炸荷载再将荷载传给主梁，最后由主梁将荷载传至框架柱。

由外墙和屋面组成的箱型结构，其侧向刚度远大于框架的侧向刚度。屋盖结构与内部框架柱脱开布置，实现爆炸水平荷载由外围抗爆墙屈服耗能而内部框架不承受爆炸水平荷载，只承受垂直荷载。

2.3 抗爆控制室的构件抗爆动力计算的流程

由于前墙承受的爆炸冲击波反射压最大，它在外墙的平面外设计中起控制作用。由于篇幅有限，本文仅以前墙为例，探讨构件抗爆设计的基本流程。

2.3.1 建立计算模型

根据蒸汽云爆炸模型来区分爆炸荷载的特点，采用非线性多自由度的动力计算模型对建筑物进行动力分析。当采用单层钢筋混凝土抗爆墙结构时，构件呈现单自由度动力特征，可采用单自由度的动力计算模型。

前墙四边分别支承在基础、屋面和侧墙上。由于一般控制室为单层结构，而且一般情况下前墙的宽度远大于其高度，前墙可简化为单向板结构，即按单跨竖向简支板，一端铰接与屋面板，另一端与基础铰接，取b=1 m 宽为单元来计算。

2.3.2 爆炸荷载特点及计算

石油化工行业建筑物的抗爆设计一般采用蒸气云爆炸模型。建筑物抗爆炸冲击波的大小由安全分析后确定。当未进行评估时，也可按下列规定确定，并应在设计文件中说明[3]。

（1）冲击波峰值入射超压最大值取21 kPa，正压作用时间为100 ms；也可取冲击波峰值入射超压最大值69 kPa，正压作用时间取20 ms。

（2）爆炸冲击波形取时间为零至正压作用时间，峰值入射压超压从最大到零的三角形分布[3]。

假定爆炸源位于前墙正前方，前墙墙面与冲击波传播方向垂直，它的入射角为0°，这时反射系数最大。最大峰值反射压力Pr按式（1）计算。

为了计算方便，把前墙爆炸冲击波超压-时间曲线简化为等效三角形，如式（3）到式（6）所示。

式中：Pr——峰值反射压力，kPa；Pso——峰值入射超压，kPa；tc——反射压持续时间，s；Ps——停滞压力，kPa；td——正压作用时间，s；S——停滞压力点至建筑物边缘的最小距离；IW——正压冲量；te——前墙正压等效作用时间。

2.3.3 确定材料动力设计强度

抗爆结构材料要在材料强度标准值的基础上连乘材料强度提高系数和动力提高系数。

2.3.4 截面承载力计算

截面受压区高度如式（7）所示。

截面抗弯承载力如式（8）所示。

式中：h0——墙体截面有效高度。

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）附录B.0.1-1，在均布荷载作用下，单跨简支构件的弯曲抗力计算如下。

截面弯曲抗力如式（9）所示。

截面剪切抗力如式（10）所示。

截面极限抗力如式（11）所示。

2.3.5 确定允许变形

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）第5.6 条，并考虑构件的弯、剪破坏状态确定前墙的允许变形。如果Ru=Rb，属于受弯控制，仅需验算支座转角变形，其支座允许转角变形[θ]=2°。如果Ru=Rs，属于受剪控制，需要验算延性比和支座转角变形。

按照规范前墙设计成强剪弱弯构件，抗剪承载力应高于抗弯承载力20%。一旦出现受剪控制，应优先考虑调整截面尺寸，提高抗剪承载力。

2.3.6 振动周期计算

（1）弹性刚度计算。

毛截面惯性矩如式（12）所示。

截面开裂惯性矩如式（13）所示。

平均惯性矩如式（14）到式（16）所示。

式中：Es——钢筋弹性模量；Ec——混凝土弹性模量。

弹性刚度如式（17）所示。

（2）等效质量计算。

墙板质量如式（18）所示。

等效单自由度体系荷载-质量转换系数如式（19）所示。

式中：KM、KL分别为质量传递系数和荷载传递系数，在《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）附录B 查取。对两端简支情况的弹塑性分析，可取弹性、塑性状态的平均值。

等效质量如式（20）所示。

（3）求解振动周期。

2.3.7 弹塑性变形验算

跨中极限弹性变形如式（22）所示。

根据td/tN，Ru/Po，查《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）附录 A 的图 A.0.2，得到延性比μ。

前墙跨中弹塑性变形如式（23）所示。

弹塑性转角如式（24）所示。

2.4 工程实例计算分析

以中石化某分公司现场机柜间抗爆墙设计为例，按《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012）取爆炸荷载，爆炸冲击波峰值入射超压Pso=21 kPa，正压作用时间为100 ms。机柜间采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，长18 m，宽18 m，计算高度为7.4 m，混凝土采用C35 水泥，钢筋采用HRB400，墙厚 300 mm，主筋配 18@150。

2.4.1 荷载计算

2.4.2 确定材料动力设计强度

fck=23.4 MPa，ftk=2.2 MPa，fyk=400 MPa，h=300 mm，As=1696 mm2。取强度提高系数，钢筋取1.1，混凝土取1；取动力提高系数，钢筋取1.17，混凝土取1.19。

2.4.3 截面承载力计算

Rs/Rb=4.13>1.2，说明本构件由受弯控制，仅需验算支座转角变形。其支座允许转角变形[θ]=2°。

2.4.4 振动周期计算

2.4.5 弹塑性变形验算

跨中极限弹性变形Xy=Ru/k=0.029 m；te=0.08 s；te/tN=0.56；Ru/P0=0.7。

查《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779—2012） 附录 A 的图 A.0.2，延性比 μ=2.2；Xm=Xyμ=0.064 m。

3 结构构造设计

楼板、屋面板的跨度不宜大于3 m，厚度不小于125 mm，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不小于0.25%，最大的配筋率不大于1.5%[3]。

钢筋混凝土抗爆墙厚度不应小于200 mm，且不宜小于层高的1/25，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不应小于0.25%，最大的配筋率不应大于1.5%[4]。

4 结语

从以上实例计算分析可知，抗爆建筑最重要的是，能够吸纳爆炸能量而不造成整个建筑的结构损毁。基于这个延性目标，石油化工控制室抗爆设计要从结构计算、建筑合理布置、结构构造和概念设计等多个方面出发，实现结构有一定的延性和强度，以保证结构某些部位出现塑性铰以后具有足够的转动和耗能能力。总之，随着人们安全意识的增强，控制室抗爆的重要性日渐凸显，因此进一步加强对其的研究非常有必要。