浅析石化工厂控制室结构抗爆设计

张 涛

(巴斯夫(中国)有限公司成都分公司，四川成都，610000)

石油化工厂的控制室负责厂区的生产控制，通常位于爆炸危险区域内，要做抗爆设计。爆炸荷载作为一种偶然荷载，有其特殊性，虽然有专门的《石油化工控制室抗爆设计规范》(以下简称《规范》)指导，但是规范内容相对简单，实际操作部分不具有针对性，一些参数没有解释清楚，导致结构工程师在设计时非常困惑。本文结合现有规范，通过实际案例，将抗爆设计的过程和参数进行逐一分析，阐述抗爆结构的具体设计过程，供大家参考。

1 爆炸荷载

爆炸在正对的前墙形成冲击波，在其他方向形成压力波，形式如图1。

图1 两种爆炸波的表现形式

如果业主未邀请专业的第三方公司做针对性爆炸评估，《规范》也给定了一个爆炸初始参考值供设计采用。

爆炸荷载在前墙、侧墙、后墙及屋面上的作用形式见图2，这与确定结构变形的关键值时采用的抗力-延性比关系图是一一对应的，不可混用。

图2 爆炸荷载在建筑物不同位置的作用B.垂直于冲击波方向建筑物尺寸；H.建筑物高度；L.平行于冲击波方向建筑物尺寸

2 抗爆设计方法

《规范》5.1.1中写到：在爆炸荷载作用下，结构分析有两种方法：单自由度体系动力分析方法和等效静荷载分析方法。

由于等效静荷载分析方法不考虑结构在爆炸荷载下的动力效应，是一种传统的设计方法，易于理解但受力模型和实际相差较大，设计结果不经济，且结构安全性不清晰，故不推荐使用；单自由度体系动力分析方法，从结构破坏的实际表现入手，控制爆炸时构件的极限形变。与实际情况接近，推荐采用。具体设计方法见第三节案例分析。

这里需要明确的是，《规范》附录A的A.0.2和A.0.3两张图是理论和统计结合的图，在这里同样适用于单自由度体系动力设计方法对延性比的确定。

3 工程实例

图3 石化项目A控制室平面布置图

采用单自由度体系动力设计方法对前墙进行动力分析，计算步骤如下：

按照《规范》5.3.1条，取冲击波峰值入射超压为21kPa，正压左右时间为100ms。根据《规范》计算前墙上的爆炸荷载：

(1)波速：U=345(1+0.0083PSO)0.5=373.9m/s。

(2)峰值动压：qo≈0.0032Pso2=1.41kPa。

(3)冲击波波长：LW=U·td=37.4m。

(4)峰值反射压力：Pr=(2+0.0073Pso)·Pso=45.2kPa。

(5)停滞压力：Ps=Pso+Cd·qo=22.4kPa(前墙拖拽力系数Cd=1.0)。

(6)正压冲量：Iw=0.5·(Pr-Ps)·tc+0.5·Ps·td=1.633。

(7)反射压持续时间：tc=3S/U=0.045s

(8)前墙正压等效作用时间：te=2IW/Pr=(td-tc)·Ps/Pr+tc=0.072s。

《规范》5.5节规定：有爆炸荷载参与时，风、雪、地震作用不应参与组合，且各个荷载的分项系数均为1.0。故在研究爆炸荷载下的前墙时，仅考虑爆炸荷载即可满足规范要求。

墙板抗弯承载能力：Mpc=α1fdcbx(h0-x/2)=272.6kN·m(h0为墙板有效高度，取285mm)

根据《规范》5.6.5—5.6.7，截面参数计算如下：

截面平均惯性矩：Ia=0.5(Ig+Icr)=1.44×109mm4

均布质量传递系数：Km=0.50

荷载传递系数：KL=0.64

等效质量：Me=Km·m=4875kg

查图4可知：

从图4中可以得出μ≈1.5，而《规范》表5.6.3的限值[μ]为3，满足规范要求。

图4 规范附图

4 结语

在具体的控制室抗爆设计时，应优先采用单自由度体系动力分析的方法对结构进行计算，控制结构的变形，这是与普通建筑结构设计的本质区别。在进行设计时需要转变思路，抛掉强度决定安全，变形影响使用功能的思想。爆炸荷载属于偶然荷载，国内这方面的规范和标准大多借鉴国外资料，在编制时难免会有疏漏。而对规范的权威解读又相对较少，这就需要结构设计人员在查阅规范时独立思考，结合结构力学、材料力学等知识对规范进行判断并归纳总结设计思路，从而进行正确的分析计算。