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        石油化工控制室抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

        2022-11-10 08:03:28黃勇標(biāo)
        低碳世界 2022年7期
        關(guān)鍵詞:石油化工變形結(jié)構(gòu)

        黃勇標(biāo)

        (茂名瑞派石化工程有限公司,廣東 茂名 525011)

        1 建筑總圖布置

        建筑物是否需要抗爆、確定抗爆建筑物平面布置、建筑物抗爆炸沖擊波的大小一般都應(yīng)經(jīng)過安全分析后才能確定。

        新建抗爆建筑物平面布置除應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50160—2018)和《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)的規(guī)定,還應(yīng)滿足下列要求:①建筑物應(yīng)獨立設(shè)置。②建筑安全出口不應(yīng)直接面向有爆炸危險性的裝置或設(shè)備;設(shè)置多個出口時,宜在不同的方向設(shè)置[1]。

        2 抗爆設(shè)計分析

        2.1 控制室抗爆設(shè)計的設(shè)防目標(biāo)

        (1)保證人員生命安全。

        (2)發(fā)生事故時裝置處于受控狀態(tài),能夠執(zhí)行停車、切斷等控制操作,防止工藝裝置失控導(dǎo)致級聯(lián)事故,使其影響擴(kuò)散。

        (3)避免造成經(jīng)濟(jì)損失或?qū)⒔?jīng)濟(jì)損失降至最低。

        2.2 抗爆控制室的結(jié)構(gòu)組成和傳力路徑分析

        抗爆控制室以單層框-剪抗爆結(jié)構(gòu)為例,抗爆結(jié)構(gòu)體系由外墻、屋蓋、框架和基礎(chǔ)4 個部分構(gòu)成。

        外墻是直接承擔(dān)水平爆炸荷載的構(gòu)件。直接面向爆炸源的外墻為前墻;把墻面與爆炸沖擊波前進(jìn)方向平行的外墻為側(cè)墻;背向爆炸源的外墻為后墻。水平爆炸荷載傳給前墻或后墻,前墻荷載通過屋蓋傳至側(cè)墻,最后由外墻系統(tǒng)傳至基礎(chǔ)[2]。

        屋蓋結(jié)構(gòu)由屋面板、次梁、屋面主梁組成。屋面板在平面外直接承受豎向爆炸荷載,并將這些荷載傳給次梁,次梁承受屋面板傳來的豎向爆炸荷載再將荷載傳給主梁,最后由主梁將荷載傳至框架柱。

        由外墻和屋面組成的箱型結(jié)構(gòu),其側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于框架的側(cè)向剛度。屋蓋結(jié)構(gòu)與內(nèi)部框架柱脫開布置,實現(xiàn)爆炸水平荷載由外圍抗爆墻屈服耗能而內(nèi)部框架不承受爆炸水平荷載,只承受垂直荷載。

        2.3 抗爆控制室的構(gòu)件抗爆動力計算的流程

        由于前墻承受的爆炸沖擊波反射壓最大,它在外墻的平面外設(shè)計中起控制作用。由于篇幅有限,本文僅以前墻為例,探討構(gòu)件抗爆設(shè)計的基本流程。

        2.3.1 建立計算模型

        根據(jù)蒸汽云爆炸模型來區(qū)分爆炸荷載的特點,采用非線性多自由度的動力計算模型對建筑物進(jìn)行動力分析。當(dāng)采用單層鋼筋混凝土抗爆墻結(jié)構(gòu)時,構(gòu)件呈現(xiàn)單自由度動力特征,可采用單自由度的動力計算模型。

        前墻四邊分別支承在基礎(chǔ)、屋面和側(cè)墻上。由于一般控制室為單層結(jié)構(gòu),而且一般情況下前墻的寬度遠(yuǎn)大于其高度,前墻可簡化為單向板結(jié)構(gòu),即按單跨豎向簡支板,一端鉸接與屋面板,另一端與基礎(chǔ)鉸接,取b=1 m 寬為單元來計算。

        2.3.2 爆炸荷載特點及計算

        石油化工行業(yè)建筑物的抗爆設(shè)計一般采用蒸氣云爆炸模型。建筑物抗爆炸沖擊波的大小由安全分析后確定。當(dāng)未進(jìn)行評估時,也可按下列規(guī)定確定,并應(yīng)在設(shè)計文件中說明[3]。

        (1)沖擊波峰值入射超壓最大值取21 kPa,正壓作用時間為100 ms;也可取沖擊波峰值入射超壓最大值69 kPa,正壓作用時間取20 ms。

        (2)爆炸沖擊波形取時間為零至正壓作用時間,峰值入射壓超壓從最大到零的三角形分布[3]。

        假定爆炸源位于前墻正前方,前墻墻面與沖擊波傳播方向垂直,它的入射角為0°,這時反射系數(shù)最大。最大峰值反射壓力Pr按式(1)計算。

        為了計算方便,把前墻爆炸沖擊波超壓-時間曲線簡化為等效三角形,如式(3)到式(6)所示。

        式中:Pr——峰值反射壓力,kPa;Pso——峰值入射超壓,kPa;tc——反射壓持續(xù)時間,s;Ps——停滯壓力,kPa;td——正壓作用時間,s;S——停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離;IW——正壓沖量;te——前墻正壓等效作用時間。

        2.3.3 確定材料動力設(shè)計強(qiáng)度

        抗爆結(jié)構(gòu)材料要在材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上連乘材料強(qiáng)度提高系數(shù)和動力提高系數(shù)。

        2.3.4 截面承載力計算

        截面受壓區(qū)高度如式(7)所示。

        截面抗彎承載力如式(8)所示。

        式中:h0——墻體截面有效高度。

        根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)附錄B.0.1-1,在均布荷載作用下,單跨簡支構(gòu)件的彎曲抗力計算如下。

        截面彎曲抗力如式(9)所示。

        截面剪切抗力如式(10)所示。

        截面極限抗力如式(11)所示。

        2.3.5 確定允許變形

        根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)第5.6 條,并考慮構(gòu)件的彎、剪破壞狀態(tài)確定前墻的允許變形。如果Ru=Rb,屬于受彎控制,僅需驗算支座轉(zhuǎn)角變形,其支座允許轉(zhuǎn)角變形[θ]=2°。如果Ru=Rs,屬于受剪控制,需要驗算延性比和支座轉(zhuǎn)角變形。

        按照規(guī)范前墻設(shè)計成強(qiáng)剪弱彎構(gòu)件,抗剪承載力應(yīng)高于抗彎承載力20%。一旦出現(xiàn)受剪控制,應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整截面尺寸,提高抗剪承載力。

        2.3.6 振動周期計算

        (1)彈性剛度計算。

        毛截面慣性矩如式(12)所示。

        截面開裂慣性矩如式(13)所示。

        平均慣性矩如式(14)到式(16)所示。

        式中:Es——鋼筋彈性模量;Ec——混凝土彈性模量。

        彈性剛度如式(17)所示。

        (2)等效質(zhì)量計算。

        墻板質(zhì)量如式(18)所示。

        等效單自由度體系荷載-質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)如式(19)所示。

        式中:KM、KL分別為質(zhì)量傳遞系數(shù)和荷載傳遞系數(shù),在《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)附錄B 查取。對兩端簡支情況的彈塑性分析,可取彈性、塑性狀態(tài)的平均值。

        等效質(zhì)量如式(20)所示。

        (3)求解振動周期。

        2.3.7 彈塑性變形驗算

        跨中極限彈性變形如式(22)所示。

        根據(jù)td/tN,Ru/Po,查《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)附錄 A 的圖 A.0.2,得到延性比μ。

        前墻跨中彈塑性變形如式(23)所示。

        彈塑性轉(zhuǎn)角如式(24)所示。

        2.4 工程實例計算分析

        以中石化某分公司現(xiàn)場機(jī)柜間抗爆墻設(shè)計為例,按《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)取爆炸荷載,爆炸沖擊波峰值入射超壓Pso=21 kPa,正壓作用時間為100 ms。機(jī)柜間采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),長18 m,寬18 m,計算高度為7.4 m,混凝土采用C35 水泥,鋼筋采用HRB400,墻厚 300 mm,主筋配 18@150。

        2.4.1 荷載計算

        2.4.2 確定材料動力設(shè)計強(qiáng)度

        fck=23.4 MPa,ftk=2.2 MPa,fyk=400 MPa,h=300 mm,As=1696 mm2。取強(qiáng)度提高系數(shù),鋼筋取1.1,混凝土取1;取動力提高系數(shù),鋼筋取1.17,混凝土取1.19。

        2.4.3 截面承載力計算

        Rs/Rb=4.13>1.2,說明本構(gòu)件由受彎控制,僅需驗算支座轉(zhuǎn)角變形。其支座允許轉(zhuǎn)角變形[θ]=2°。

        2.4.4 振動周期計算

        2.4.5 彈塑性變形驗算

        跨中極限彈性變形Xy=Ru/k=0.029 m;te=0.08 s;te/tN=0.56;Ru/P0=0.7。

        查《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012) 附錄 A 的圖 A.0.2,延性比 μ=2.2;Xm=Xyμ=0.064 m。

        3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

        樓板、屋面板的跨度不宜大于3 m,厚度不小于125 mm,應(yīng)采用雙層雙向配筋,且每層每個方向的配筋率不小于0.25%,最大的配筋率不大于1.5%[3]。

        鋼筋混凝土抗爆墻厚度不應(yīng)小于200 mm,且不宜小于層高的1/25,應(yīng)采用雙層雙向配筋,且每層每個方向的配筋率不應(yīng)小于0.25%,最大的配筋率不應(yīng)大于1.5%[4]。

        4 結(jié)語

        從以上實例計算分析可知,抗爆建筑最重要的是,能夠吸納爆炸能量而不造成整個建筑的結(jié)構(gòu)損毀?;谶@個延性目標(biāo),石油化工控制室抗爆設(shè)計要從結(jié)構(gòu)計算、建筑合理布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和概念設(shè)計等多個方面出發(fā),實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有一定的延性和強(qiáng)度,以保證結(jié)構(gòu)某些部位出現(xiàn)塑性鉸以后具有足夠的轉(zhuǎn)動和耗能能力??傊?,隨著人們安全意識的增強(qiáng),控制室抗爆的重要性日漸凸顯,因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要。

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