張 濤
(巴斯夫(中國(guó))有限公司成都分公司,四川成都,610000)
石油化工廠的控制室負(fù)責(zé)廠區(qū)的生產(chǎn)控制,通常位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi),要做抗爆設(shè)計(jì)。爆炸荷載作為一種偶然荷載,有其特殊性,雖然有專門的《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)指導(dǎo),但是規(guī)范內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單,實(shí)際操作部分不具有針對(duì)性,一些參數(shù)沒有解釋清楚,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)非常困惑。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范,通過(guò)實(shí)際案例,將抗爆設(shè)計(jì)的過(guò)程和參數(shù)進(jìn)行逐一分析,闡述抗爆結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程,供大家參考。
1 爆炸荷載
爆炸在正對(duì)的前墻形成沖擊波,在其他方向形成壓力波,形式如圖1。

圖1 兩種爆炸波的表現(xiàn)形式
如果業(yè)主未邀請(qǐng)專業(yè)的第三方公司做針對(duì)性爆炸評(píng)估,《規(guī)范》也給定了一個(gè)爆炸初始參考值供設(shè)計(jì)采用。
爆炸荷載在前墻、側(cè)墻、后墻及屋面上的作用形式見圖2,這與確定結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵值時(shí)采用的抗力-延性比關(guān)系圖是一一對(duì)應(yīng)的,不可混用。

圖2 爆炸荷載在建筑物不同位置的作用B.垂直于沖擊波方向建筑物尺寸;H.建筑物高度;L.平行于沖擊波方向建筑物尺寸
2 抗爆設(shè)計(jì)方法
《規(guī)范》5.1.1中寫到:在爆炸荷載作用下,結(jié)構(gòu)分析有兩種方法:?jiǎn)巫杂啥润w系動(dòng)力分析方法和等效靜荷載分析方法。
由于等效靜荷載分析方法不考慮結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的動(dòng)力效應(yīng),是一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,易于理解但受力模型和實(shí)際相差較大,設(shè)計(jì)結(jié)果不經(jīng)濟(jì),且結(jié)構(gòu)安全性不清晰,故不推薦使用;單自由度體系動(dòng)力分析方法,從結(jié)構(gòu)破壞的實(shí)際表現(xiàn)入手,控制爆炸時(shí)構(gòu)件的極限形變。與實(shí)際情況接近,推薦采用。具體設(shè)計(jì)方法見第三節(jié)案例分析。
這里需要明確的是,《規(guī)范》附錄A的A.0.2和A.0.3兩張圖是理論和統(tǒng)計(jì)結(jié)合的圖,在這里同樣適用于單自由度體系動(dòng)力設(shè)計(jì)方法對(duì)延性比的確定。
3 工程實(shí)例


圖3 石化項(xiàng)目A控制室平面布置圖
采用單自由度體系動(dòng)力設(shè)計(jì)方法對(duì)前墻進(jìn)行動(dòng)力分析,計(jì)算步驟如下:
按照《規(guī)范》5.3.1條,取沖擊波峰值入射超壓為21kPa,正壓左右時(shí)間為100ms。根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算前墻上的爆炸荷載:
(1)波速:U=345(1+0.0083PSO)0.5=373.9m/s。
(2)峰值動(dòng)壓:qo≈0.0032Pso2=1.41kPa。
(3)沖擊波波長(zhǎng):LW=U·td=37.4m。
(4)峰值反射壓力:Pr=(2+0.0073Pso)·Pso=45.2kPa。
(5)停滯壓力:Ps=Pso+Cd·qo=22.4kPa(前墻拖拽力系數(shù)Cd=1.0)。
(6)正壓沖量:Iw=0.5·(Pr-Ps)·tc+0.5·Ps·td=1.633。
(7)反射壓持續(xù)時(shí)間:tc=3S/U=0.045s
(8)前墻正壓等效作用時(shí)間:te=2IW/Pr=(td-tc)·Ps/Pr+tc=0.072s。 《規(guī)范》5.5節(jié)規(guī)定:有爆炸荷載參與時(shí),風(fēng)、雪、地震作用不應(yīng)參與組合,且各個(gè)荷載的分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。故在研究爆炸荷載下的前墻時(shí),僅考慮爆炸荷載即可滿足規(guī)范要求。 
墻板抗彎承載能力:Mpc=α1fdcbx(h0-x/2)=272.6kN·m(h0為墻板有效高度,取285mm) 根據(jù)《規(guī)范》5.6.5—5.6.7,截面參數(shù)計(jì)算如下: 截面平均慣性矩:Ia=0.5(Ig+Icr)=1.44×109mm4 均布質(zhì)量傳遞系數(shù):Km=0.50 荷載傳遞系數(shù):KL=0.64 等效質(zhì)量:Me=Km·m=4875kg 查圖4可知: 

從圖4中可以得出μ≈1.5,而《規(guī)范》表5.6.3的限值[μ]為3,滿足規(guī)范要求。 
圖4 規(guī)范附圖 
4 結(jié)語(yǔ)在具體的控制室抗爆設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用單自由度體系動(dòng)力分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,控制結(jié)構(gòu)的變形,這是與普通建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要轉(zhuǎn)變思路,拋掉強(qiáng)度決定安全,變形影響使用功能的思想。爆炸荷載屬于偶然荷載,國(guó)內(nèi)這方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)大多借鑒國(guó)外資料,在編制時(shí)難免會(huì)有疏漏。而對(duì)規(guī)范的權(quán)威解讀又相對(duì)較少,這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在查閱規(guī)范時(shí)獨(dú)立思考,結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等知識(shí)對(duì)規(guī)范進(jìn)行判斷并歸納總結(jié)設(shè)計(jì)思路,從而進(jìn)行正確的分析計(jì)算。
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