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上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛第1页石油化工控制室抗爆结构设计石油化工控制室抗爆结构设计石油化工控制室抗爆结构设计石油化工控制室抗爆结构设计及工程实例及工程实例及工程实例及工程实例摘要摘要摘要摘要：：：：本文基于《石油化工控制室抗爆设计规范》(GB50779-2012)及工程实例，对石油化工控制室抗爆结构的爆炸荷载、结构形式、设计方法及设计步骤进行讨论和介绍。关键字关键字关键字关键字：：：：石油化工；控制室；抗爆；结构设计；DesignofblastresistantcontrolbuildinginpetrochemicalindustryandprojectcaseAbstract:Discussedandpresentedtheblastload,structureform,designmethodanddesignprocedureofblastresistantcontrolbuildinginpetrochemicalindustryonaccountofthe“CodeforDesignofblastresistantcontrolbuildinginpetrochemicalindustry”(GB50779-2012)andprojectcase.Keywords:Petrochemicalindustry;Controlbuilding;Blastresistant;Structuredesign;0引言在石油化工厂中，控制系统是最重要的生产环节之一。控制室作为全厂或装置生产的指挥中心，当发生爆炸事故时，必须能够为操作人员和控制设备提供足够的保护措施，以便在发生灾害时能够采取应急措施，以免功能失常而引发次生灾害。国内近几年才对控制室的抗爆问题引起足够重视，目前控制室抗爆结构设计已有规范可循，包括2010年开始实施的行业规范《石油化工控制室抗爆设计规范》（SH/T3160-2009）及2012年开始实施的国标规范《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）。两本规范在很大程度上借鉴了美国土木工程协会(ASCE)编写的《DesignofBlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilities》，对控制室抗爆设计进行了指导性规定。由于从内容上看，国标规范为对行业规范的部分内容作了更详细的解释，故本文将主要引用国标规范的条文规定，以行业规范的条文作为补充。1爆炸荷载1.1爆炸概述爆炸概述爆炸概述爆炸概述石油化工装置中可能发生的爆炸有蒸汽云爆炸、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆炸等。虽然可能发生的爆炸存在多种形式，但目前抗爆的主要研究对象为蒸汽云爆炸。蒸汽云是指由易燃易爆气体泄漏后在空气中形成的气团，由于蒸汽云可以在空中自由飘移，因此它的爆炸位置和方向具有很大的不确定性。第2页上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛爆炸最主要的特征是被压缩的能量突然向空中释放，形成瞬时压力增加现象，即爆炸波超压，传递到建筑物上时就形成爆炸荷载。由于爆炸波在空气中形成后，在传播过程中强度衰减得很快，建筑物随着距离爆炸源的远近不同，形成的爆炸波压力是不同的。一般情况下，爆炸在临近区域形成冲击波形式，在远离区域形成压力波形式。两种爆炸波的特征形式见图2.1。a)冲击波b)压力波图图图图2.1爆炸波的特征形式爆炸波的特征形式爆炸波的特征形式爆炸波的特征形式1.2爆炸的冲击波参数爆炸的冲击波参数爆炸的冲击波参数爆炸的冲击波参数用于确定爆炸荷载代表值的参数主要有：冲击波峰值入射超压Pso、正压作用时间td。在国外，一般由专业咨询公司结合石油化工装置性质、平面布置（主要是泄露点布置）、风向等因素，运用安全模拟分析软件，模拟计算建筑物所处位置的爆炸冲击波参数。而目前，国内尚无国家、行业层面强制性的法律、法规要求进行爆炸危险性评估，故国标规范参考美国ASCE，在5.3.1条给出了未进行评估时的两种参数取值参考值：冲击波峰值入射超压最大值69kPa，正压作用时间20ms；冲击波峰值入射超压最大值21kPa，正压作用时间100ms。前者相当于一个球体在自由空气中爆炸[1UStonTNT在距中心距离30.5(100ft)处]所产生的冲击波超压，后者相当于直径60m、高4m包含6%乙烷的气体爆炸距中心距离75m处产生的冲击波超压。行标规范条文说明6.3.1条解释了，一般情况下，控制室抗爆只考虑蒸汽云爆炸，而对于蒸汽云爆炸，设计计算时不用冲击波超压为69kPa、作用时间20ms的冲击波，而采用冲击波超压为21kPa、作用时间100ms的冲击波。不管采用何种方法确定设计爆炸荷载，在详细设计前该数值都应该得到业主的确认，并在设计说明中注明。1.3爆炸荷载的计算爆炸荷载的计算爆炸荷载的计算爆炸荷载的计算确定以上两个基本参数以后，可以通过公式求得波速、峰值动压、波长、以及作用在建筑物前墙、侧墙、屋面和后墙的爆炸荷载。国标规范图图图图1.3.11.3.11.3.11.3.1封闭矩形建筑物上的爆炸荷载封闭矩形建筑物上的爆炸荷载封闭矩形建筑物上的爆炸荷载封闭矩形建筑物上的爆炸荷载上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛第3页5.3.2条至5.4.4条详细给出了这些公式。图1.3.1对前墙受到的冲击波及侧墙、屋面、后墙受到的压力波进行了简化，以便于计算。2抗爆结构设计基本规定2.1设计原则设计原则设计原则设计原则按照国标规范进行设计的控制室，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。即在爆炸动荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性状态，通过动力分析的方法确定结构构件的变形，其变形的计算包含延性比、支座转角的计算。由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该注重概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。2.2设计方法设计方法设计方法设计方法国标规范5.1.1条规定，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。等效静荷载分析方法是将爆炸转化为等效静荷载，然后再用常规的结构设计方法进行设计，国标规范附录A给出了等效静荷载的计算公式。由于等效静荷载的分析方法采用的是结构构件弹性阶段的设计方法，不允许出现塑性变形，而爆炸荷载是瞬时荷载，其加载过程和作用时间与静力荷载有着本质不同，如果不管爆炸荷载的动力特性，则势必出现设计过于保守、材料浪费大、造价高等问题。单自由度体系动力分析方法，简而言之就是将建筑物的每一部分结构构件都简化为单自由度的构件来进行动力分析，在爆炸荷载作用下允许构件出现塑性铰而进入弹塑性工作阶段，设计以控制构件的变形为主。这种设计方法充分体现了抗爆设计中的性能设计理念，在满足安全性的前提下最大程度地兼顾了经济性，是目前进行抗爆设计的最优方法。2.3结构布置结构布置结构布置结构布置国标规范3.0.3至3.0.4条规定：抗爆控制室建筑平面宜为矩形，层数宜为一层；抗爆控制室宜采用现浇钢筋混凝土结构。条文说明中补充解释：矩形平面在冲击波荷载作用下传力途径明确，同时有大量冲击波试验数据。通常一旦确定了建筑物的体积，抗爆的成本随建筑物高度增加而增加。与较高的结构相比，较矮建筑物所承受的爆炸荷载较小，遭受的倾覆作用也较小。目前国内的控制室最多做到两层，且总高度尽量控制在10m左右。同时，抗爆建筑物的平面和立面应力求干净、简洁，避免凹凸，以避免在这些地方局部聚集较高的爆炸荷载。一般情况下，建筑物屋顶采用现浇钢筋混凝土板，将水平爆炸荷载传递至剪力墙，第4页上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛剪力墙将爆炸荷载传递至基础。图图图图2.3.1控制室结构布置图控制室结构布置图控制室结构布置图控制室结构布置图本文选取的控制室工程实例的结构布置如图2.3.1。这是较为典型的控制室结构布置，由钢筋混凝土梁柱框架加上外围钢筋混凝土抗爆剪力墙及钢筋混凝土屋面板组成，外围抗爆剪力墙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的目的，保证了主要结构的安全性。抗爆墙与框架柱之间保持距离d。2/tanHd×=θ（2-3-1）式中，d为抗爆墙与框架柱的距离；θ为抗爆墙弹塑性转角；H为墙板计算跨度。美国ASCE推荐的多为内部钢框架、外围装配式钢筋混凝土剪力墙的结构形式，从设计理念上看是一致的。上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛第5页2.4荷载组合荷载组合荷载组合荷载组合国标规范5.5.1条是此规范的唯一强条：无爆炸荷载参与时，对于承载力极限状态以及正常使用极限状态，结构构件的荷载效应组合应按国家现行有关荷载组合标准的规定进行计算。有爆炸荷载参与时，风、雪荷载、地震作用不应参与组合。在有爆炸荷载参与时，各种荷载的分项系数均取1.0。2.5变形控制变形控制变形控制变形控制在爆炸荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性状态，通过动力分析的方法确定建筑物的变形，控制其变形的主要参数为延性比和支座转角。结构构件的延性比ymXX=μ（2-5-1）Xm为结构构件弹塑性变位，Xy为结构构件弹性极限变位。表表表表2.5.1结构构件的允许延性比结构构件的允许延性比结构构件的允许延性比结构构件的允许延性比受力状态受弯大偏心受压小偏心受压中心受压[μ]3.02.01.51.2表表表表2.5.2结构构件的弹塑性转角允许值结构构件的弹塑性转角允许值结构构件的弹塑性转角允许值结构构件的弹塑性转角允许值结构构件支座转角允许值[θ]板4°梁、墙（受弯）2°柱2°墙（与爆炸荷载方向平行），主要承受剪力1.5°2.6材料强度材料强度材料强度材料强度由于在爆炸荷载作用下，结构材料的变形率一般会落后于应力加载速率，这种对于荷载的响应方式使材料在最终破坏前达到一个高于最小屈服点的应力值，形成材料强度增加的现象，这种现象使得结构动力承载能力比静力承载能力有所增加，这个增加值用动力荷载提高系数DIF来衡量；另外，在实际爆炸受力中，材料平均屈服强度会高于一般规范和规程中给出的强度，这种屈服强度的增加用强度提高系数SIF来衡量。因此材料在爆炸荷载作用下的动力强度，应乘以以上两项系数，对此国标规范5.7条有详细规定。2.7构造要求构造要求构造要求构造要求国标规范5.8条规定了抗爆结构构造要求。其中包括：剪力墙两端和抗爆门门框墙应设暗柱加强，且应符合《建筑抗震设计规范》GB50011有关边缘构件的规定。剪力墙两端和抗爆门门框墙应设暗柱加强，且应符合《建筑抗震设计规范》GB50011有关边缘构件的规定。屋面板最小厚度不应小于125mm，墙体最小厚度不应小于第6页上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程上海华谊工程青年论文大赛250mm，且应双面配筋，单面竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%，并不应大于1.5%。钢筋宜采用搭接接头，不宜采用焊接接头。因为焊接产生的热量会引起钢筋性能的变化，导致强度降低。当地坪作为外墙的支座时，宜设刚性地坪（此时外墙计算高度为从刚性地坪到屋顶的高度）。刚性地坪的最小厚度不应小于150mm，并应双面配筋。国标规范中要求剪力墙及框架构造应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的有关规定；而行标规范中则要求框架、剪力墙配筋及构造要求不应低于GB50011二级框架、二级剪力墙的相关要求。这点需要注意。3抗爆结构设计步骤3.1收集设计基本资料收集设计基本资料收集设计基本资料收集设计基本资料了解建筑物在总平面的布置及方位、建筑资料、设计基本条件、爆炸危害性报告提供的爆炸荷载作用取值。3.2设计简图设计简图设计简图设计简图对于封闭建筑物，爆炸荷载主要作用于外墙和屋顶，并通过各个结构构件传至基础。爆炸能量通过结构的弹性变形，更为重要的是结构的塑性变形而被吸收。没有被结构吸收的爆炸能量部分传至基础。在设计过程中，通常做法是根据荷载的传递