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        淺析石化工廠控制室結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計

        2022-07-14 03:38:36
        四川化工 2022年3期
        關(guān)鍵詞:前墻抗爆控制室

        張 濤

        (巴斯夫(中國)有限公司成都分公司,四川成都,610000)

        石油化工廠的控制室負責廠區(qū)的生產(chǎn)控制,通常位于爆炸危險區(qū)域內(nèi),要做抗爆設(shè)計。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)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)指導,但是規(guī)范內(nèi)容相對簡單,實際操作部分不具有針對性,一些參數(shù)沒有解釋清楚,導致結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計時非常困惑。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范,通過實際案例,將抗爆設(shè)計的過程和參數(shù)進行逐一分析,闡述抗爆結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計過程,供大家參考。

        1 爆炸荷載

        爆炸在正對的前墻形成沖擊波,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)主未邀請專業(yè)的第三方公司做針對性爆炸評估,《規(guī)范》也給定了一個爆炸初始參考值供設(shè)計采用。

        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)鍵值時采用的抗力-延性比關(guān)系圖是一一對應的,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:單自由度體系動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)在爆炸荷載下的動力效應,是一種傳統(tǒng)的設(shè)計方法,易于理解但受力模型和實際相差較大,設(shè)計結(jié)果不經(jīng)濟,且結(jié)構(gòu)安全性不清晰,故不推薦使用;單自由度體系動力分析方法,從結(jié)構(gòu)破壞的實際表現(xiàn)入手,控制爆炸時構(gòu)件的極限形變。與實際情況接近,推薦采用。具體設(shè)計方法見第三節(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)計結(jié)合的圖,在這里同樣適用于單自由度體系動力設(shè)計方法對延性比的確定。

        3 工程實例

        圖3 石化項目A控制室平面布置圖

        采用單自由度體系動力設(shè)計方法對前墻進行動力分析,計算步驟如下:

        按照《規(guī)范》5.3.1條,取沖擊波峰值入射超壓為21kPa,正壓左右時間為100ms。根據(jù)《規(guī)范》計算前墻上的爆炸荷載:

        (1)波速:U=345(1+0.0083PSO)0.5=373.9m/s。

        (2)峰值動壓:qo≈0.0032Pso2=1.41kPa。

        (3)沖擊波波長: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)時間:tc=3S/U=0.045s

        (8)前墻正壓等效作用時間: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,風、雪、地震作用不應參與組合,且各個荷載的分項系數(shù)均為1.0。故在研究爆炸荷載下的前墻時,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

        在具體的控制室抗爆設(shè)計時,應優(yōu)先采用單自由度體系動力分析的方法對結(jié)構(gòu)進行計算,控制結(jié)構(gòu)的變形,這是與普通建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的本質(zhì)區(qū)別。在進行設(shè)計時需要轉(zhuǎn)變思路,拋掉強度決定安全,變形影響使用功能的思想。爆炸荷載屬于偶然荷載,國內(nèi)這方面的規(guī)范和標準大多借鑒國外資料,在編制時難免會有疏漏。而對規(guī)范的權(quán)威解讀又相對較少,這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在查閱規(guī)范時獨立思考,結(jié)合結(jié)構(gòu)力學、材料力學等知識對規(guī)范進行判斷并歸納總結(jié)設(shè)計思路,從而進行正確的分析計算。

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