某石油化工控制室抗爆结构分析与设计

・３Ｏ・　第４１卷第４期　２　０　１　５年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．４　Ｆｅｂ．　２０１５　文章编号：１００９—６８２５（２０１５）０４—００３０—０２　某石油化工控制室抗爆结构分析与设计　谢　于业栓　（１．中海油山东化学工程有限责任公司，山东济南２５０１０１；　２．山东交通学院，山东济南２５０３５７）　摘要：以某石油化工控制室为例，介绍了抗爆设计的原则，按照等效静力计算方法对该工程的抗爆结构进行了动力分析，并依据　抗爆墙承载力、质点震动周期、延性比等计算结果，提出了设计建议。　关键词：抗爆结构，动力计算，延性比，弹塑性转角　中图分类号：ＴＵ３５２．１３　文献标识码：Ａ　控制室作为石油化工企业生产装置的指挥中心，具有监控装　相对美、英等国家而言，我国在建筑结构物抗爆防护方面研　置生产过程的功能，是装置界区内的关键部位。由于石油化工企　究起步较晚，且多是面向军事防爆建筑的，针对工业及民用建筑　业生产过程中易燃、易爆物质较多，且生产过程经常在高压、高温　方面研究较少，石油化工类抗爆设计主要依据的规范也大都参考　等条件下进行，装置发生爆炸的概率也相应增加。爆炸发生后，　国外规范制定。设计主要依据石油化工类抗爆设计规范及相关　控制室一旦被破坏将会使整个厂区陷于瘫痪，装置的不可控又可　行业规范，主要有：ＳＨ／Ｔ　３００６－－２０１２石油化工控制室设计规范、　能会产生次生灾害，造成严重的财产损失，甚至威胁人员的生命　ＧＢ　５０７７９－－２０１２石油化工控制室抗爆设计规范　、ＧＢ　５００ｌ０—　安全。因此，石油化工装置中的关键部位，尤其是作为工厂装置　２０１０混凝土结构设计规范　Ｊ、ＧＢ　５００１１—２０１Ｏ建筑抗震设计规范。　神经中枢的控制室，必须采用合理的抗爆设计，一方面应确保内　１．３抗爆结构设计原则　部工作人员的生命安全并控制设备装置的正常运行操作，另一方　１）爆炸荷载是偶然性瞬间作用的荷载，作用次数常常只有一　面能够在爆炸发生时，采取合理控制措施，尽可能将爆炸危害控　次，荷载值却特别大，且又不很确定。鉴于爆炸作用的特点，结构　制在最小程度”　。　设计的安全度或者承载力储备可降低要求，允许结构达到设计荷　１　概述　载时进入塑性阶段，出现较大的变形和裂缝，甚至局部破坏，但是　１．１爆炸及爆炸荷载作用　必须防止倒塌和具备必要的维护功能　。２）爆炸荷载作用下要　爆炸是物质内含的能量，在一定环境条件下触发后瞬间集中　对结构进行动力分析，以确定建筑物的变形，即结构构件的延性　－２０１２石油化工控制室抗爆　释放的现象。石油化工行业中的爆炸可分为蒸气云爆炸、压力容　比和弹塑性转角满足规范ＧＢ　５０７７９－器爆炸、凝液相爆炸和粉尘爆炸四个基本形式，由于其生产性质，　设计规范要求。３）由于装置爆炸所产生的冲击波特性和破坏力　　最常发生的是可燃气体、液体的蒸气与空气混合物的爆炸，即蒸　的不确定性，除了进行力学计算，抗爆设计更应注重概念设计。气云爆炸。当发生爆炸时，爆心区在瞬时内产生极高压力，于是　即采用延性好的结构体系，整个结构要有多余的抗力能力，有较　形成一股高压气流，从爆心以超过声波速度向四周推进，其前沿　好的防连续性倒塌的能力。在设计中宜采用现浇钢筋混凝土结　矩形平面布置，层数宜为一层。　犹如一道压力墙面，空气冲击波的高压直接作用于结构，相当于　构，般地区地震荷载的数倍。爆炸冲击波的量级和形态取决于能　２抗爆设计实例分析　２．１　工程概况　量释放的特性和距爆炸中心的距离。　一１．２抗爆结构设计依据　某石化项目控制室，建筑平面尺寸为１０．０　ｍ×２９．４　ｍ，建筑　５００４６－－２００８，工业建筑防腐蚀设计规范［ｓ］．　阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋，增加混凝土强度，增加保护层厚度等　［４］　ＧＢ　郑七振，王　东，等．某框架结构抗震鉴定与加层加　措施，可有效地提高结构的安全性和耐久性。　［５］　李玲玲，参考文献：　固改造设计［Ｊ］．工程抗震与加固改造，２０１２。３４（１）：１０８一　ｌ１１．　［１］ＧＢ　５０１４４－－２００８，．ｘ－，＿ｌｋ建筑可靠性鉴定标准［Ｓ］．　［２］　ＧＢ　５００２３－－２００９，建筑抗震鉴定标准［ｓ］．　［３］　ＧＢ　５０３６７－－２００６，混凝土结构加固设计规范［ｓ］．　［６］　卜良桃，周锡全．工程结构可靠性鉴定与加固［Ｍ］．北京：中　国建筑工业出版社，２００９．　Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｌａｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｊｉｎ　Ｊｕｇａｏ。Ｄｉｎｇ　Ｚｉｗｅｎ　Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｅ　Ｚｈａｏ　Ｐｅｎｇｊｕ　（１．Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｄｅｇｕ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ａ　ｔｈｒｅｅ　ｓｔｏｒｉｅｓ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｌａｎｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｔ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｍｅｍｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｍａｄｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｌｅｖｅｌ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ，ｍａｄｅ　ｒｕｓｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｏ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｒｅｉｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ａｆｔｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ　ｆｏｒ　ｕｓｅ，ｈａｄ　ｇｏｏｄ　ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｉｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｎｕｃｔｒｕｒｅ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ，ｒｅ—ｂａｒ　ｒｕｓｔ　收稿日期：２０１４—１１－２０　作者简介：谢（１９８０一），女，工程师，一级注册结构工程师；　于业栓（１９８０一），男，讲师　爹　掌拳；　谢等：某石油化工控制室抗爆结构分析与设计　１０　ｍｍ　ｏ　・３１・　总高度为５．５　ｍ，单层框架，结构外部配置抗爆墙及抗爆屋顶，均　采用现浇钢筋混凝土结构。结构构件尽量均匀布置，避免结构刚　其中，ｂ为截面宽度，取１　０００　ｍｍ；ｄ为截面高度，取２５０　ｍｍ；ｃ＝　度不规则。抗爆设计按照动力反应的等效静力计算方法进行计　［一ｎＡ　＋　以　（ｎＡ　＋２ｂｄ）］／ｂ＝５９．８　ｍｍ。　算，以控制室前墙为例进行结构抗爆分析和设计。　构件截面平均惯性矩：ｌａ＝０．５（　＋，￡，）：０．８６×１０　ｍｍ　。　２．２抗爆设计参数计算　该项目由于业主未能提供爆炸安全分析报告，根据ＧＢ　室抗爆设计规范附录Ｂ表Ｂ．０．１—１取弹塑性状态分析有：　５０７７９－－２０１２石油化工控制室抗爆设计规范取冲击波峰值入射超　荷载传递系数：ＫＬ：０．５７。　压最大值Ｐ　＝２１　ｋＰａ，正压作用时间ｔ　＝１００　ｍｓ，爆炸冲击波形时　２）计算质点震动周期。根据ＧＢ　５０７７９－－２０１２石油化工控制　十。．．．．．．．　。。。　８ｎ　一　．　质量传递系数：　＝０．４２。　构件刚度：ｋ＝３８４Ｅ　，。／（５Ｌ　）＝１．１９×１０　Ｎ／ｍ。　间为零至正压作用时间，峰值入射超压从最大到零的三角形分　布。峰值反射压力：Ｐ，＝（２＋０．０７３Ｐ　）ｘ　Ｐ，ｏ＝４５．２　ｋＰａ。峰值动　压：ｑ０—０．００３　２　＝１．４　ｋＰａ。停滞压力：Ｐ　＝Ｐ，ｏ＋Ｃｄｑ０＝　等效质量：　＝　・ｍ＝０．４２×１×０．２５×５．５×２５＝１４．４　ｋＮ。　厂。　２２．４　ｋＰａ。其中，Ｃ　为阻力系数，对于封闭矩形建筑物，前墙的阻　力系数取１．０。波速：Ｕ＝３４５×（１＋０．００８　３Ｐ　）　’＝３７３．９　ｍ／ｓ。　反射压持续时间：ｔ　＝３Ｓ／Ｕ：０．０４１　ｓ＜ｔｄ＝０．１　ｓ。其中，Ｓ为停滞　质点振动周期：ＴＮ　２ａｖ‘√　３）延性比和弹塑性转角验算。　０・２８　ｓ。　ａ．延性比验算。根据以上计算结果，查ＧＢ　５０７７９－－２０１２石油　压力点至建筑物边缘的最小距离，取建筑物宽度一半和墙板计算　化工控制室抗爆设计规范附录Ａ图Ａ．０．２，注意到图中Ｒ　／Ｐ应　跨度的较小值，取５　ｍ。正压冲量：Ｌ＝０．５（Ｐｒ一只）×ｔ　＋０．５　ｔ　：　取Ｐ／Ｐ　＝５２．６／４５．２：１．１６，Ｔｄ／ＴＮ直取ｔｅｌＴＮ＝０．０７／０．２８：　１．５９　ｋＰａ・ｓ。前墙正压等效作用时问：　＝２１ｗ／Ｐ，：０．０７　ｓ。　０．２５，可得到构件延性比为０．６，不大于３．０，满足规范ＧＢ　５０７７９－－２０１２石油化工控制室抗爆设计规范表５．６．３要求。　２．３选用抗爆墙　墙板计算宽度为５．５　ｍ，选用其厚度为ｈ＝２５０　ｍｍ，ｈ。＝　２１５　ｍｍ，竖向配筋盐１８＠１５０。采用Ｃ３０混凝土，Ｅ＝３．０×１０４　ＭＰａ，　１０　ＭＰａ；ｎ＝Ｅ　／Ｅ　ｄ＝５．５６。　　。ｂ．弹塑性转角验算。爆炸火灾作用下板墙跨中变形：Ａ：÷・　墨　１．１９×１０　动弹性模量Ｅ　：１．２Ｅ　＝３．６×１０　ＭＰａ；ＨＲＢ４００主筋，Ｅ　＝２．０×　Ｐ　己：堡　：２０９　ｍｍ。　．２．４抗爆墙承载力计算　抗爆设计时允许墙板两端出现塑性铰，按照底部简支在刚性　结构弹塑性转角：０＝ａｒｃｔａｎ（２Ａ／Ｌ）＝０．４４。。　转角不大于２。，满足规范ＧＢ　５０７７９－－２０１２石油化工控制室　６．４要求。　地坪处，上部简支在屋面板处的受弯构件考虑，如图１所示。取　抗爆设计规范表５．１　ｍ宽板带计算，则１　ｍ板宽Ａ　＝１　６９５　ｍｍ。。　３结语　通过以上计算步骤可知构件动力分析一般是先根据经验假　设构件截面尺寸及配筋，然后验算其延性比和转角是否满足要　求，在经验不足的情况下需要反复试算。　由于爆炸结构分析的复杂性，在实际设计过程中应该充分重　视概念设计，结构体系要有充分的塑性变形能力，采用延性好的　结构，整个结构要有多余的抗力能力，有较好的防连续性倒塌的　能力；为了满足抗爆结构的塑性变形能力，设计时应保证构件首　圈１抗爆墙按简支构件计算简图（单位：ｍｉｌ１）　先出现受弯裂缝和钢筋屈服，防止过早地发生斜裂缝破坏，即为　固长度、增强节点附近的连接构造钢筋、加大保护层厚度、配　钢筋动力设计强度：　＝　５１４．８　ＭＰａ。　・ｙ　・ｆｙｋ＝１．１×１．７×４００＝　抗剪留出较大的安全储备；另外，还要做好加密箍筋、增大钢筋锚　・　ｄ　・厂　＝１．１×１．１９×　筋率等构造措施提高结构的抗爆炸冲击性能。　参考文献：　［１］　刘慧颖．爆炸荷载作用下石油化工控制室动力响应分析　［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１１．　［２］ＧＢ　５０７７９－－２０１２，石油化工控制室抗爆设计规范［Ｓ］．　混凝土动力强度设计值：　＝　２０．１＝２４　ＭＰａ。　极限抗弯承载力：肘ｎ＝理Ｌ，　（ｈｏ—ｘ／２）：１９８．９　ｋＮ・ｍ。　单位板宽的墙板能承受的均布压力：Ｐ＝８Ｍ　／　＝５２．６　ｋＰａ。　２．５抗爆墙动力计算　１）计算构件截面平均惯性矩。混凝土构件对形心轴的毛截　［３］ＧＢ　５００１０－－２０１０，混凝土结构设计规范［Ｓ］．　面惯性矩（不考虑钢筋影响）为：，　＝ｂｈ　／１２＝１．３×１０　ｍｍ　。　［４］过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析［Ｍ］．北京：清华大　混凝土开裂截面惯性矩为：　＝ｂｃ　／３＋ｎＡ　（ｄ—ｃ）　＝０．４１×　学出版社，２００３．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ．ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｏｏｍ　Ｘｉｅ　Ｑｉｎｇｈｏｎｇ’　Ｙｕ　Ｙｅｓｈｕａｎ２　（１．ＣＮＯＯＣ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｊ／ｎａｎ　２５０１０１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　船ｎ　２５０３５７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｏｍ　ｉｌｌｓ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｂｌａｓｔ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｕｎｄｅｒｔｋｅｓ　ａ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔｉｎｇ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔａｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｒｅｆｅｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｒｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｂｌａｓｔｉｎｇ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｗａｌｌｓ，ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｄ，ａｏｎｄ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｌａｓｔｉｎｇ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ｅｌａｓｔｉｃ　ｐｌｓｔａｉｃ　ｃｏｍｅｒ