石油化工控制室抗爆设计规范在工程设计中的使用

《石油化工控制室抗爆设计规范》在工程设计中的使用2011年9月目录•抗爆结构设计原则•抗爆结构设计步骤•数值积分方法•抗爆结构设计抗爆结构设计原则•在爆炸动荷载作用下,允许结构构件进入弹塑性状态。•抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，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重视概念设计，从建筑布局、结构选型等多方面综合考虑。抗爆结构设计步骤业主规定和标准建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等爆炸危害性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物空旷场地爆炸参数建筑物功能要求构件荷载取值选择材料和结构体系材料特性初步假定构件尺寸变形限值分析方法等效静态7109865432111SDOFMDOF结构分析变形极限计算结果是否满意？12基础设计附属物设计构造和详细设计文件131415不满意满意业主负责设计工程师负责业主规定和标准建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等爆炸危害性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物空旷场地爆炸参数建筑物功能要求构件荷载取值选择材料和结构体系材料特性初步假定构件尺寸变形限值分析方法等效静态7109865432111SDOFMDOF结构分析变形极限计算结果是否满意？12基础设计附属物设计构造和详细设计文件131415不满意满意业主负责设计工程师负责数值积分的方法数值积分法适用于任何荷载-时间曲线，采用与简化方法相同的等效单自由度系数和耦合假定。它可以得出支撑构件随时间变化的反力。以下将参考DesignofStructurestoResistNuclearWeaponsEffects(ASCEMANUAL42)分析一个单质点在任意外加荷载作用下的响应，提供求解其运动及数值解过程的一般性公式。数值积分的方法•弹性无阻尼响应)(tFKXXM单一质量M,在随时间变化的荷载F(t)作用，通过一个刚度为K的弹簧固接在支座上，运动方程为其中，X为质量M的位移；为质量M的加速度。（式1）X数值积分的方法假定在某一给定时刻tm，单质点的加速度、速度及位移已知，假定在这段时间间隔内加速度呈线性变化，需要求tm时刻以后某一h单位时刻tn时的加速度、速度、位移及荷载函数。式1通过以上简化，变为下式：（式2）nnmmmnFhXhXhXXKXM226131数值积分的方法则可解出226131hKMhXhXXKFXmmmnn（式3）26131hXXhXXXnmmmn（式4）hXXXXnmmn5.0（式5）弹簧内力KXFns（式6）数值积分的方法•需注意，实践表明，时间间隔h尽量取0.05~0.1倍的振动周期,或更短的时间间隔，而不应取大于0.25倍的振动周期，以便获取荷载函数中任何较大的变化情况。系统的振动周期KMT2（式7）从t=0开始计算,通常情况下在此时刻的位移、速度0)0(,0)0(XX、加速度通过下式计算：MFX)0()0(（式8）数值积分的方法•弹塑性反应通常情况下，系统的抗力受构件屈服或塑性承载力限定在一个有限的抗力。如上图所示，结构抗力R在Ry之前，与位移成比例变化，之后变形增加，抗力不变。前面讨论的公式1变为下列形式：FRXMy（式9）数值积分的方法使用以下等式计算时间tn时的加速度值,直到达到有限抗力。MRFXynn（式10）确定弹塑性抗力函数中最大变形的数值积分分析过程如下：1．给定t=0时刻的位移及速度均为0，根据式8计算此时的加速度。2．分别根据式3~6计算弹簧的加速度、位移、速度及内力。3．核实计算得出的荷载是否超过Ry。若未超过，给定新的时间,继续第2步的计算，直至荷载超过Ry。若已超过，忽略当前算出的弹簧的加速度、位移、速度及荷载，返回到以前已知的运动参数，利用式10计算屈服即将发生时新的加速度值。这时，需再次使用式4及式5分别确定当前的位移及速度。4．继续使用式4.式5及式10计算运动参数，直至系统开始卸载，位移开始减小。这个过程允许计算最大的非弹性变形。当最大位移已经达到后，就不能再使用这些公式进行计算了，因为这些公式中并未完全考虑卸载过程。抗爆结构设计（一）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取值。抗爆结构设计（二）设计简图：–对于封闭建筑物，爆炸载荷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。–抗爆结构设计中只限于外围结构构件直接承受爆炸动荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构造上予以适当加强（规范条文5.7.4）。–在设计过程中，通常的做法是根据荷载的传递途径，逐个构件进行分析。抗爆结构的设计简图抗爆结构设计（三）爆炸荷载分析1.给出建筑物的体型特征参数；2.根据评估报告提供的超压Pso及作用时间td，按照规范给出的公式计算爆炸冲击波参数，即波速、峰值动压、波长。(规范公式5.3.2-1~5.3.2-3)抗爆结构设计3.计算作用在建筑物上的爆炸荷载：•前墙：峰值反射压力Pr，前墙正压等效作用时间te(规范公式5.4.2-1~5.4.2-5)抗爆结构设计侧墙及屋面：有效冲击波超压Pa，有效冲击波超压升压时间tr(规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)抗爆结构设计需要注意的是：L1——冲击波前进方向结构构件的长度。侧墙计算时，取单位墙宽；屋面计算时，可根据荷载作用方向及需分析的构件，分别取屋面板的跨度或单位板宽、屋面梁的跨度等;后墙计算时，取H（m）。抗爆结构设计•后墙：有效冲击波超压Pb、冲击波到达后墙时间ta、有效冲击波超压升压时间trb(规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)抗爆结构设计（四）抗爆构件的试算1.设定外墙参数：根据建筑物层高，依据规范确定墙厚。2.前墙核算1)计算模型：取1m宽的板，按照底部简支在刚性地坪处，上部简支在屋面板的单梁考虑。2)根据假定的前墙构件截面及配筋，计算其抗弯承载力、抗剪承载力，比较后得到构件的最大抗力Ru抗爆结构设计3)单自由度体系构件变形验算：算法一：根据构件最大承载力Ru，结合构件截面及配筋，1）依据规范公式5.6.7-1~5.6.7-4，计算构件截面平均截面惯性距；2）查附录B，计算构件的有效刚度；3）计算构件屈服挠度△y=Ru/K；4）依据规范公式5.6.6-1~5.6.6-2计算构件的振动周期；5）查规范附表A核算构件允许延性比。使用图A.1三角形荷载下的极限抗力－延性比关系图解法时步骤：假定构件截面及配筋→计算可达到的抗力Ru→计算构件的屈服位移KRuy→由NeTt、PRu在表中查出μc→核算μc≤[μ]→计算最大挠曲变形ycmax→计算支座转角θ→核算θ≤[θ]抗爆结构设计图A.0.3三角形荷载下的极限抗力－延性比关系Dy—屈服位移；Dm—最大位移；Tm—最大位移对应的作用时间；Ru—结构构件在给定截面及配筋时提供的极限抗力（ｋＮ）抗爆结构设计算法二：通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位，对构件弹塑性转角进行核算。等效质量Me=m*KLM=kg定义时间增量为dT=s有效刚度k=kN/mmRu=kN29780.002581993.4823.73240.560.0000.0时间荷载加速度速度199.818(s)(kN)(mm/s2)(mm/s)26.90.0025235.9377861.140.2526.028.30.0000244.180.000(mm)(kN)(kN)变形抗力反力…………………抗爆结构设计3.侧墙在平面外荷载作用下的弹塑性转角核算:采用数值积分的方法分析。4.后墙核算:同前墙核算步骤。抗爆结构设计5.屋面板在平面内荷载作用下的计算屋面板四面连续固定于外部剪力墙,将前墙荷载传递给侧面剪力墙。1）受力简图为两端固支（跨度取建筑物长度方向尺寸）。2）近似将屋面板看作带翼缘的∟型梁，墙体视为翼缘板。3）考虑工况：荷载沿建筑物长向作用（荷载沿建筑物宽度方向作用不起控制作用），综合考虑前墙和后墙数值计算分析结果的组合，即屋面荷载=前墙反力-滞后ta时间的后墙反力。抗爆结构设计4)假定屋面板厚、屋面配筋（用于抗剪）、翼缘配筋（用于抗弯）。5)构件抗力计算：计算抗弯承载力、抗剪承载力：比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。6)单自由度等效体系计算计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。抗爆结构设计6.侧墙在平面内荷载作用下的计算：侧墙在平面内荷载作用下为悬臂构件，将前墙及屋面荷载传递给基础。1)假定截面及配筋：2)构件抗力计算：计算抗弯承载力、抗剪承载力：比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。3)单自由度等效体系计算计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。抗爆结构设计7.侧墙在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算：验算平面内外荷载相互作用情况下是否满足。（规范中未提及？）公式中:△d为计算变形（延性比或支座转角），△a为允许变形（延性比或支座转角），i代表平面内变位，o代表平面外变位。0.122aodoaidi抗爆结构设计8.屋面板在平面外荷载作用下的计算：同弹性设计。9.屋面板在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算验算平面内外荷载相互作用情况下是否满足。（规范中未提及？且平面外荷载作用下的计算未按照数值积分方法？）0.122aodoaidi抗爆结构设计10.框架梁、柱及次梁计算按照弹性状态，用PKPM程序设计。抗爆结构设计（五）基础设计：采用等效静力分析方法1.独立柱基础：用PKPM程序设计。2.剪力墙条基：假定墙基宽度，1）建筑物抗倾覆验算；2）建筑物滑移验算；3）基础承载力验算谢谢大家