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。