張維秀

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計院　吉林　132021

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控制室抗爆設(shè)計

張維秀*

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計院吉林132021

石油化工裝置的易燃易爆特點和控制室的操作控制中心性質(zhì)，要求發(fā)生爆炸事故時，控制室結(jié)構(gòu)必須具有足夠的抗爆能力，保證控制室結(jié)構(gòu)和操作人員的生命安全。本文介紹了控制室抗爆墻爆炸荷載確定方法、材料動力強度確定，探討了圖解法和數(shù)值積分法進(jìn)行動力分析的方法和步驟，并給出工程實例。

抗爆設(shè)計

由于石油化工行業(yè)生產(chǎn)過程物料的易燃易爆特點，作為全廠或裝置操作控制中心的控制室，在爆炸事故發(fā)生時，必須具有保證其內(nèi)部設(shè)備正常工作及操控人員的生命安全的功能。根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范和自動分析器室設(shè)計規(guī)范》和《控制室設(shè)計規(guī)范》，規(guī)定控制室建筑物應(yīng)根據(jù)安全專業(yè)抗爆強度計算和分析結(jié)果設(shè)計?！妒突た刂剖铱贡O(shè)計規(guī)范》給出了抗爆設(shè)計方法，規(guī)定抗爆控制室宜采用鋼筋砼框架-抗爆墻結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)框架承擔(dān)豎向荷載，抗爆墻承擔(dān)水平爆炸荷載。抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計采用但自由度體系動力計算方法或等效靜荷載分析，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段的設(shè)計方法。本文探討了采用圖解法和數(shù)值積分法進(jìn)行抗爆設(shè)計的步驟，最后給出了控制室抗爆設(shè)計的實例。

1　爆炸荷載

爆炸荷載數(shù)據(jù)應(yīng)由安全專業(yè)根據(jù)抗爆分析計算結(jié)果提供，包括爆炸沖擊波入射超壓Pso和作用時間td等參數(shù)。

前墻動荷載計算：

在發(fā)生爆炸時前墻承受爆炸沖擊波產(chǎn)生的反射壓力。峰值反射壓力Pr按下式計算：

(1)

式中，Pr為峰值反射壓力，KPa；PSO為峰值入射超壓，KPa；tC為滯留時間，s；PS為停滯壓力，KPa；td為爆炸沖擊波作用時間，s。

為方便計算，將爆炸沖擊波反射壓力與時間關(guān)系曲線簡化為等效三角形(見圖1)，采用沖量和峰值壓力相等原則進(jìn)行簡化，等效三角形作用時間：

te=2Iw/Pr

(2)

IW=0.5(Pr-Ps)tc+0.5Pstd

式中，IW為爆炸沖擊波正壓沖量，kPa-s。

圖1　前墻荷載

2　鋼筋砼抗爆墻設(shè)計

2.1圖解法

2.1.1計算模型

抗爆前墻簡支在基礎(chǔ)、屋面和側(cè)墻上，常取1m寬的墻體為計算單元。為使前墻與基礎(chǔ)鉸接，前墻與基礎(chǔ)連接節(jié)點處墻縱筋交叉錨入基礎(chǔ)內(nèi)，或另設(shè)交叉鋼筋連接。

2.1.2荷載

前墻計算單元總的峰值荷載Po：

Po=PrbH

(3)

2.1.3截面承載力計算

(1)抗彎承載力

前墻截面受壓區(qū)高度：

x=fdyAs/fdcb

(4)

前墻截面抗彎承載力：

Mp=fdcbx(h0-x)

(5)

前墻截面彎曲抗力：

Rb=8Mp/H

(6)

(2)抗剪承載力

前墻截面抗剪承載力：

V=0.7fdtbh0

(7)

前墻截面剪切抗力：

Rs=2V

(8)

式中，b為計算單元寬度，取1m；AS為墻體截面單側(cè)配筋面積，mm2；MP為抗彎承載力，KN-m；Rb為彎曲抗力，KN；hO為截面有效高度，m；V為抗剪承載力，KN；RS為剪切抗力，KN；fdy為鋼筋或鋼材動力強度設(shè)計值，N/mm2；fdc為砼動力抗壓強度設(shè)計值，N/mm2；fdt為砼動力抗拉強度設(shè)計值，N/mm2。

2.1.4確定允許變形

前墻受力控制形式根據(jù)截面極限抗力Ru=Min(Rb，Rs)確定。如果Ru=Rb，則受彎曲控制，僅需驗算支座轉(zhuǎn)角變形，θ≤[θ]；如果Ru=Rs，則受剪切控制，需要驗算延性比和支座轉(zhuǎn)角變形。前墻應(yīng)屬于受彎控制，出現(xiàn)受剪切控制時需要調(diào)整截面尺寸。

2.1.5振動周期計算

(1)等效剛度計算

等效剛度：

k=384EcIa/(5H3)

(9)

其中平均慣性矩：

Ia=(Ig+Icr)/2

毛截面慣性矩：

Ig=bh3/12

開裂慣性矩：

Icr=bc3/3+nAs(h0-c)2

n=Es/Ecd

式中，hO為截面有效高度，m；ES為鋼筋彈性模量，N/m2；Ecd為砼動彈性模量，N/m2。

(2) 等效質(zhì)量計算

墻板質(zhì)量：

m=γbhH/g

式中，m為墻板質(zhì)量，kg；γ為砼容重，kN/m3；g為重力加速度，取9.81m/s2。

確定等效單自由度體系荷載-質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)：

KLM=KM/KL

式中，KM、KL分別為質(zhì)量傳遞系數(shù)和荷載剛度傳遞系數(shù)，按《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》附錄B查取，取其彈性和塑性的平均值。

等效質(zhì)量：

me=Kmm

(3)振動周期

(10)

2.1.6彈塑性變形驗算

跨中極限彈性變形：

ye=Ru/k

(11)

根據(jù)td/tN，Ru/PO，查《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》附表A.0.2，得到延性比md，則前墻跨中彈塑性變形fp=μdye，支座轉(zhuǎn)角 Qd=arctan(fp/0.5H)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈塑性轉(zhuǎn)角允許值見表1。

表1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈塑性轉(zhuǎn)角允許值

2.2數(shù)值解法

(1)單自由度體系動力方程

5、6，彈塑性抗力模型見圖2。

圖2　彈塑性抗力模型

在圖2模型下，單自由度體系動力方程：

(0

(12)

(ye

(13)

(yu-2ye)

(14)

式中，y為質(zhì)點位移，m；F(t)為t時刻質(zhì)點所受到的外力，kN；k為彈性剛度，kN/m；yu為極限變形，m。

(2)數(shù)值積分

在i時刻的速度的近似表達(dá)式：

y(i+1)=y(i)+vΔt

(15)

(16)

式中，v為i時刻質(zhì)點的運動速度，m/s；Δt為時段，s；y(i)、y(i+1)分別為i、i+1時刻質(zhì)點位移，m；a(i)為i時刻質(zhì)點運動加速度，m/s2。

將(16)式代入(15)式，得：

y(i+1)=2y(i)-y(i-1)+a(i)(Δt)2

(17)

根據(jù)以上公式，可逐步推算出每一時刻質(zhì)點的位置。對于第一時刻：

(18)

或：

(19)

3　材料強度和變形規(guī)定

3.1材料設(shè)計強度

爆炸荷載作用下材料設(shè)計強度考慮瞬時和動力效應(yīng)，采用材料的動力設(shè)計強度。材料動力強度按下列各式計算：

fdc=rsif.rdif.fck

(20)

fdt=rsif.rdifrftk

(21)

fdy=rsif.rdif.fyk

(22)

式中，fck為砼抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；ftk為砼抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；fyk為鋼筋或鋼材強度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；rstf為材料強度提高系數(shù)；rdif為材料動力提高系數(shù)。

3.2構(gòu)件變形規(guī)定

構(gòu)件在彈塑性狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角應(yīng)符合下列要求：

θ≤[θ]

(23)

4　算例

某化工裝置控制室抗爆墻設(shè)計。某化工裝置經(jīng)安全專業(yè)計算，爆炸沖擊波峰值入射超壓PSO：41kPa，作用時間td：0.05s，控制室采用鋼筋砼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，長30m，寬20m，高6m，砼采用C30，鋼筋采用HRB335，墻厚300mm，主筋配Φ18@150。

4.1圖解法

4.1.1荷載計算

波速：

U=345(1+0.0083Pso)1/2=399.4m/s

波長：

Lw=Utd=20.0m

峰值動壓：

前墻反射超壓：

Pr=[2+0.0073Pso]Pso=94.3kPa

滯留距離：

S=min(H,B/2)=6m

反射超壓持續(xù)時間：

tc=3(S/U)=0.045s

拖拽力系數(shù)：對前墻Cd：1.0，停滯壓力：

Ps=Pso+Cdq0=46.4kPa

前墻沖量：

Iw=0.5(Pr-Ps)·tc+0.5Ps·td=2.2kPs-s

等效作用時間：

te=2Iw/Pr=0.047s

取1m寬前墻計算，峰值荷載：

Po=PrbH=565.8kN

4.1.2截面承載力計算

fck=20.1MPaftk=2.01MPafyk=335MPa

h=300mmAs=1696mm2/m

(1)材料動力設(shè)計強度：

由《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》表5.7.2，強度提高系數(shù)，鋼筋取1.1，砼取1.0，動力提高系數(shù)，鋼筋取1.17，砼受彎取1.19，受剪取1.0。

fdc=rsif.rdif.fck=23.9MPa

fdt=rsif.rdifrftk=2.01MPa

fdy=rsif.rdif.fyk=431.1MPa

(2)抗彎承載力

h0=276mm

x=fdy·As/(fdc·b)=30.6mm

Mp=fdcbx(h0-x/2)=190.7kN-m

V=0.7fdtbh0=388kN

Rb=8Mp/H=254.3kN

Rs=2V=776kN

Ru=Min(Rb,Rs)=254.3kN

且Rs>1.2Rb，由受彎控制，僅需驗算支座轉(zhuǎn)角變形。

4.1.3允許轉(zhuǎn)角

由《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》表5.6.4，前墻允許轉(zhuǎn)角[θ]=20。

4.1.4振動周期

(1)截面剛度計算

毛截面慣性矩：

Ig=bh3/12=2.25×109mm4

n=Es/Ec=5.6

Ia=0.5(Ig+Icr)=1.38×109mm4

k=384EcIa/5H3=14720000N/m

m=rbhH/g=4592kg

由《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》附錄B，彈性KLM=KM/KL=0.78。

塑性KLM=KM/KL=0.66，彈塑性平均荷載-質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)KLM：0.72，平均質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)KM：0.42，平均荷載剛度轉(zhuǎn)化系數(shù)KL：0.57。

等效質(zhì)量：

me=KMm=1928kg

振動周期：

4.1.5彈塑性變形驗算

跨中極限彈性變形：

ye=Ru/k=0.017mTd=0.047s

Td/TN=0.47Ru/P0=0.45

查圖3，延性比μd=4.5

前墻彈塑性變形：

fp=μdye=0.077m

支座轉(zhuǎn)角：

θd=1.50

[θ]=20

θd<[θ]

滿足要求。

需要探討的是，本算例延性比μd：4.5，超出了《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》表5.6.3的規(guī)定。而該條文說明此規(guī)定是參考了《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》受彎構(gòu)件“一般防水防毒要求”對延性比的規(guī)定，若按該規(guī)范受彎構(gòu)件“無密閉及變形控制要求”， 延性比可取3～5。ASCE[5]表5.B.3對鋼筋砼梁、板、墻(無抗剪鋼筋)并沒有延性比要求。建議《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》修訂時參考。

4.2 數(shù)值解法

KLM=0.72k=14720000N/mm=4590kg

以上參數(shù)帶入(12)～(14)式得：

a=0.0003F(t)-4454y

(0

(24)

a=0.0003F(t)-76.95

(0.0170

(25)

a=0.0003F(t)+4454(yu-y)-76.95

(yu-0.0340

(26)

將(24)-(26)與(17)式迭代求解，見表2。

支座彈塑性轉(zhuǎn)角：

θ=arctg(0.082/3)=1.60<20

表2　數(shù)值積分結(jié)果

注：① F(t)=565800-12038298t

② a=0.0003F(t)-4454y0

③ a=0.0003F(t)-76.950.017

④ a=0.0003F(t)+4454(yu-y)-76.95yu-0.034

⑤ R=14720000y

⑥ R=Ru-14720000(yu-y)

滿足要求。

由表1爆炸發(fā)生后0.06s，前墻最大彈塑性位移0.082m。

4.3構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》要求，控制室應(yīng)采用矩形規(guī)則單層結(jié)構(gòu)，砼強度等級不應(yīng)低于C30，鋼筋宜選用延性良好的HRB400、HPB335鋼筋，抗爆墻和屋面板采用雙面配，單面筋配筋率不應(yīng)小于0.25%，也不應(yīng)大于1.5%，鋼筋采用搭接?？贡瑝εc基礎(chǔ)及屋面板鉸接，抗爆墻與框架梁預(yù)留間隙用素砼填實等，其具體節(jié)點見圖3。

5　結(jié)語

《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》是從美國土木工程協(xié)會(ASCE)Design of Blast-Resisting

圖3　節(jié)點詳圖

Buildings in Petrochemical Facilities借鑒轉(zhuǎn)化而來，計算采用單自由度體系的彈塑性動力模型，按照爆炸荷載的傳導(dǎo)路徑，逐個構(gòu)件應(yīng)用圖解法或數(shù)值積分法進(jìn)行構(gòu)件抗爆計算。這種計算不同于一般框架剪力墻設(shè)計，強調(diào)的是變形控制，而非應(yīng)力控制，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能變形吸能，保證主體安全。同時，應(yīng)加強構(gòu)造節(jié)點設(shè)計，使構(gòu)件計算模型更加準(zhǔn)確，抗爆性能更好。

參考文獻(xiàn)

1SH/T3006-2012,石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范和自動分析器室設(shè)計規(guī)范[S].

2HG/T 20508-2014,控制室設(shè)計規(guī)范[S].

3GB 50779-2012,石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范[S].

4SH/T 3160-2009,石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范[S].

5ASCE Design of Blast-Resistant Building in Petrochemical Facilities. Second edition. 2010.

6[美]約翰M.比格斯.姚玲森,程翔云譯.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].人民交通出版社,1982.

*張維秀：研究員，國家一級注冊結(jié)構(gòu)師、注冊巖土工程師、英聯(lián)邦結(jié)構(gòu)工程師(MICE)。1989年畢業(yè)于南京水利科學(xué)研究院。從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。聯(lián)系電話：(0432)63959402，Email:Jly-zwx0247@petrochina.com.cn。

2016-05-11)