控制室抗爆设计

张维秀

中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院　吉林　132021



控制室抗爆设计

张维秀*

中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院吉林132021

石油化工装置的易燃易爆特点和控制室的操作控制中心性质，要求发生爆炸事故时，控制室结构必须具有足够的抗爆能力，保证控制室结构和操作人员的生命安全。本文介绍了控制室抗爆墙爆炸荷载确定方法、材料动力强度确定，探讨了图解法和数值积分法进行动力分析的方法和步骤，并给出工程实例。

抗爆设计

由于石油化工行业生产过程物料的易燃易爆特点，作为全厂或装置操作控制中心的控制室，在爆炸事故发生时，必须具有保证其内部设备正常工作及操控人员的生命安全的功能。根据《石油化工控制室抗爆设计规范和自动分析器室设计规范》和《控制室设计规范》，规定控制室建筑物应根据安全专业抗爆强度计算和分析结果设计。《石油化工控制室抗爆设计规范》给出了抗爆设计方法，规定抗爆控制室宜采用钢筋砼框架-抗爆墙结构，由结构框架承担竖向荷载，抗爆墙承担水平爆炸荷载。抗爆结构设计采用但自由度体系动力计算方法或等效静荷载分析，结构处于弹塑性工作阶段的设计方法。本文探讨了采用图解法和数值积分法进行抗爆设计的步骤，最后给出了控制室抗爆设计的实例。

1　爆炸荷载

爆炸荷载数据应由安全专业根据抗爆分析计算结果提供，包括爆炸冲击波入射超压Pso和作用时间td等参数。

前墙动荷载计算：

在发生爆炸时前墙承受爆炸冲击波产生的反射压力。峰值反射压力Pr按下式计算：

(1)

式中，Pr为峰值反射压力，KPa；PSO为峰值入射超压，KPa；tC为滞留时间，s；PS为停滞压力，KPa；td为爆炸冲击波作用时间，s。

为方便计算，将爆炸冲击波反射压力与时间关系曲线简化为等效三角形(见图1)，采用冲量和峰值压力相等原则进行简化，等效三角形作用时间：

te=2Iw/Pr

(2)

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

式中，IW为爆炸冲击波正压冲量，kPa-s。

图1　前墙荷载

2　钢筋砼抗爆墙设计

2.1图解法

2.1.1计算模型

抗爆前墙简支在基础、屋面和侧墙上，常取1m宽的墙体为计算单元。为使前墙与基础铰接，前墙与基础连接节点处墙纵筋交叉锚入基础内，或另设交叉钢筋连接。

2.1.2荷载

前墙计算单元总的峰值荷载Po：

Po=PrbH

(3)

2.1.3截面承载力计算

(1)抗弯承载力

前墙截面受压区高度：

x=fdyAs/fdcb

(4)

前墙截面抗弯承载力：

Mp=fdcbx(h0-x)

(5)

前墙截面弯曲抗力：

Rb=8Mp/H

(6)

(2)抗剪承载力

前墙截面抗剪承载力：

V=0.7fdtbh0

(7)

前墙截面剪切抗力：

Rs=2V

(8)

式中，b为计算单元宽度，取1m；AS为墙体截面单侧配筋面积，mm2；MP为抗弯承载力，KN-m；Rb为弯曲抗力，KN；hO为截面有效高度，m；V为抗剪承载力，KN；RS为剪切抗力，KN；fdy为钢筋或钢材动力强度设计值，N/mm2；fdc为砼动力抗压强度设计值，N/mm2；fdt为砼动力抗拉强度设计值，N/mm2。

2.1.4确定允许变形

前墙受力控制形式根据截面极限抗力Ru=Min(Rb，Rs)确定。如果Ru=Rb，则受弯曲控制，仅需验算支座转角变形，θ≤[θ]；如果Ru=Rs，则受剪切控制，需要验算延性比和支座转角变形。前墙应属于受弯控制，出现受剪切控制时需要调整截面尺寸。

2.1.5振动周期计算

(1)等效刚度计算

等效刚度：

k=384EcIa/(5H3)

(9)

其中平均惯性矩：

Ia=(Ig+Icr)/2

毛截面惯性矩：

Ig=bh3/12

开裂惯性矩：

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

n=Es/Ecd

式中，hO为截面有效高度，m；ES为钢筋弹性模量，N/m2；Ecd为砼动弹性模量，N/m2。

(2) 等效质量计算

墙板质量：

m=γbhH/g

式中，m为墙板质量，kg；γ为砼容重，kN/m3；g为重力加速度，取9.81m/s2。

确定等效单自由度体系荷载-质量转换系数：

KLM=KM/KL

式中，KM、KL分别为质量传递系数和荷载刚度传递系数，按《石油化工控制室抗爆设计规范》附录B查取，取其弹性和塑性的平均值。

等效质量：

me=Kmm

(3)振动周期

(10)

2.1.6弹塑性变形验算

跨中极限弹性变形：

ye=Ru/k

(11)

根据td/tN，Ru/PO，查《石油化工控制室抗爆设计规范》附表A.0.2，得到延性比md，则前墙跨中弹塑性变形fp=μdye，支座转角 Qd=arctan(fp/0.5H)。结构构件弹塑性转角允许值见表1。

表1　结构构件弹塑性转角允许值

2.2数值解法

(1)单自由度体系动力方程

5、6，弹塑性抗力模型见图2。

图2　弹塑性抗力模型

在图2模型下，单自由度体系动力方程：

(0

(12)

(ye

(13)

(yu-2ye)

(14)

式中，y为质点位移，m；F(t)为t时刻质点所受到的外力，kN；k为弹性刚度，kN/m；yu为极限变形，m。

(2)数值积分

在i时刻的速度的近似表达式：

y(i+1)=y(i)+vΔt

(15)

(16)

式中，v为i时刻质点的运动速度，m/s；Δt为时段，s；y(i)、y(i+1)分别为i、i+1时刻质点位移，m；a(i)为i时刻质点运动加速度，m/s2。

将(16)式代入(15)式，得：

y(i+1)=2y(i)-y(i-1)+a(i)(Δt)2

(17)

根据以上公式，可逐步推算出每一时刻质点的位置。对于第一时刻：

(18)

或：

(19)

3　材料强度和变形规定

3.1材料设计强度

爆炸荷载作用下材料设计强度考虑瞬时和动力效应，采用材料的动力设计强度。材料动力强度按下列各式计算：

fdc=rsif.rdif.fck

(20)

fdt=rsif.rdifrftk

(21)

fdy=rsif.rdif.fyk

(22)

式中，fck为砼抗压强度标准值，N/mm2；ftk为砼抗拉强度标准值，N/mm2；fyk为钢筋或钢材强度标准值，N/mm2；rstf为材料强度提高系数；rdif为材料动力提高系数。

3.2构件变形规定

构件在弹塑性状态下的转角应符合下列要求：

θ≤[θ]

(23)

4　算例

某化工装置控制室抗爆墙设计。某化工装置经安全专业计算，爆炸冲击波峰值入射超压PSO：41kPa，作用时间td：0.05s，控制室采用钢筋砼框架剪力墙结构，长30m，宽20m，高6m，砼采用C30，钢筋采用HRB335，墙厚300mm，主筋配Φ18@150。

4.1图解法

4.1.1荷载计算

波速：

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

波长：

Lw=Utd=20.0m

峰值动压：

前墙反射超压：

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

滞留距离：

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

反射超压持续时间：

tc=3(S/U)=0.045s

拖拽力系数：对前墙Cd：1.0，停滞压力：

Ps=Pso+Cdq0=46.4kPa

前墙冲量：

Iw=0.5(Pr-Ps)·tc+0.5Ps·td=2.2kPs-s

等效作用时间：

te=2Iw/Pr=0.047s

取1m宽前墙计算，峰值荷载：

Po=PrbH=565.8kN

4.1.2截面承载力计算

fck=20.1MPaftk=2.01MPafyk=335MPa

h=300mmAs=1696mm2/m

(1)材料动力设计强度：

由《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.7.2，强度提高系数，钢筋取1.1，砼取1.0，动力提高系数，钢筋取1.17，砼受弯取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)抗弯承载力

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，由受弯控制，仅需验算支座转角变形。

4.1.3允许转角

由《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.6.4，前墙允许转角[θ]=20。

4.1.4振动周期

(1)截面刚度计算

毛截面惯性矩：

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设计规范》附录B，弹性KLM=KM/KL=0.78。

塑性KLM=KM/KL=0.66，弹塑性平均荷载-质量转换系数KLM：0.72，平均质量转换系数KM：0.42，平均荷载刚度转化系数KL：0.57。

等效质量：

me=KMm=1928kg

振动周期：

4.1.5弹塑性变形验算

跨中极限弹性变形：

ye=Ru/k=0.017mTd=0.047s

Td/TN=0.47Ru/P0=0.45

查图3，延性比μd=4.5

前墙弹塑性变形：

fp=μdye=0.077m

支座转角：

θd=1.50

[θ]=20

θd<[θ]

满足要求。

需要探讨的是，本算例延性比μd：4.5，超出了《石油化工控制室抗爆设计规范》表5.6.3的规定。而该条文说明此规定是参考了《人民防空地下室设计规范》受弯构件“一般防水防毒要求”对延性比的规定，若按该规范受弯构件“无密闭及变形控制要求”， 延性比可取3～5。ASCE[5]表5.B.3对钢筋砼梁、板、墙(无抗剪钢筋)并没有延性比要求。建议《石油化工控制室抗爆设计规范》修订时参考。

4.2 数值解法

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

以上参数带入(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)

将(24)-(26)与(17)式迭代求解，见表2。

支座弹塑性转角：

θ=arctg(0.082/3)=1.60<20

表2　数值积分结果

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)

满足要求。

由表1爆炸发生后0.06s，前墙最大弹塑性位移0.082m。

4.3构造设计

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》要求，控制室应采用矩形规则单层结构，砼强度等级不应低于C30，钢筋宜选用延性良好的HRB400、HPB335钢筋，抗爆墙和屋面板采用双面配，单面筋配筋率不应小于0.25%，也不应大于1.5%，钢筋采用搭接。抗爆墙与基础及屋面板铰接，抗爆墙与框架梁预留间隙用素砼填实等，其具体节点见图3。

5　结语

《石油化工控制室抗爆设计规范》是从美国土木工程协会(ASCE)Design of Blast-Resisting

图3　节点详图

Buildings in Petrochemical Facilities借鉴转化而来，计算采用单自由度体系的弹塑性动力模型，按照爆炸荷载的传导路径，逐个构件应用图解法或数值积分法进行构件抗爆计算。这种计算不同于一般框架剪力墙设计，强调的是变形控制，而非应力控制，结构应尽可能变形吸能，保证主体安全。同时，应加强构造节点设计，使构件计算模型更加准确，抗爆性能更好。

参考文献

1SH/T3006-2012,石油化工控制室抗爆设计规范和自动分析器室设计规范[S].

2HG/T 20508-2014,控制室设计规范[S].

3GB 50779-2012,石油化工控制室抗爆设计规范[S].

4SH/T 3160-2009,石油化工控制室抗爆设计规范[S].

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

6[美]约翰M.比格斯.姚玲森,程翔云译.结构动力学[M].人民交通出版社,1982.

*张维秀：研究员，国家一级注册结构师、注册岩土工程师、英联邦结构工程师(MICE)。1989年毕业于南京水利科学研究院。从事结构设计工作。联系电话：(0432)63959402，Email:Jly-zwx0247@petrochina.com.cn。

2016-05-11)