石油化工抗爆控制室结构设计

黄思远（北京燕山玉龙石化工程股份有限公司土建室，北京 102500）

1 荷载

抗爆控制室除了受到常规荷载的作用以外，还要抵抗爆炸荷载的作用。爆炸产生的冲击波是一种瞬时荷载，其特点是荷载大，作用时间短，且荷载大小随时间变化。

当有专业机构提供的安全分析评估报告时，抗爆控制室的爆炸荷载应按安全分析评估报告采用。如没有安全分析评估报告，也可按GB50779-2012《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.3.1条采用，所采用的爆炸荷载应在设计文件中加以说明。

2 抗爆控制室设计基本规定

2.1 设计原则

按照规范的设计水准，允许在爆炸事故发生后，结构处于非弹性状态而不至于倒塌。即建筑物在遭受爆炸荷载作用后允许发生一定程度的损坏，但修复后仍可继续使用。计算在爆炸荷载作用下结构的变形，将延性比和支座转角等变形指标控制在规范允许的范围内。

由于爆炸荷载属偶然作用，具有较大的不确定性，因此概念设计在抗爆设计过程中应引起足够的重视，同时应选取合适的计算模型、采取与模型一致的构造措施。

2.2 设计方法

单自由度体系动力分析或等效静荷载分析方法是在爆炸荷载工况下，规范推荐的抗爆控制室常用的动力分析方法。

2.3 抗爆控制室的结构选型及作用原理

（1）结构选型

抗爆控制室一般采用单层框-剪抗爆结构，外围抗爆剪力墙与内部框架柱脱开布置，实现爆炸水平荷载由外围抗爆墙屈服耗能而内部框架不承受爆炸水平荷载（只承受垂直荷载）的目的，保证了主要结构的安全性。抗爆墙与框架柱之间保持距离d=tan θ×H/2(d 为抗爆墙与框架柱的距离；θ 为抗爆墙弹塑性转角；H 为墙板计算跨度)

（2）爆炸力的传递过程

当爆炸发生时，正对爆炸源的抗爆墙将爆炸力传给上部的屋面板和下部的基础，由于屋面板平面内刚度很大，屋面板又将荷载传给侧面及后面的抗爆墙，侧面及后面的抗爆墙再将荷载传给基础，而内部的框架只承受竖向荷载。

2.4 荷载组合

荷载效应组合按国标规范5.5.条执行

2.5 变形控制

在爆炸荷载参与作用下，结构抗爆构件宜按弹塑性工作阶段设计。结构构件的延性比和弹塑性转角应在规范允许的范围内。

2.6 材料的特性及强度取值

不同等级材料的平均屈服强度高于规范中给定的材料强度值，抗爆设计中采用系数rsif考虑这种情况。当考虑材料特性与应变速率变化的影响时，采用rdif的系数。rdif随应变速率的增大而增大；在爆炸荷载参与作用的情况下，材料的动力强度比正常使用情况有所提高，采用钢筋和混凝土的强度乘以以上两项系数，对此国标规范5.7 条有详细规定。

3 设计流程

3.1 前期准备阶段

根据建筑专业提供的条件，确定抗爆墙的平面位置及结构的抗爆性能目标。根据相关专业条件及规范确定前墙的爆炸荷载。

3.2 确定计算模型及构件试算

抗爆构件的设计过程为试算的过程。首先依据安评报告或规范给出的爆炸力，计算爆炸荷载各项参数。

选择结构构件材料、设定外墙参数后，进行各个构件的单自由度体系动力计算，根据计算得出的变形结果（延性比、弹塑性转角）来调整构件的材料和参数，直至符合规范要求。通常的做法是先假定构件的配筋As，核算构件的延性比、转角是否满足要求。对结构裂缝可不进行验算。

3.3 无爆炸荷载参与时的结构计算

不考虑爆炸荷载作用时，结构计算按正常使用情况设计，使用PKPM 或其它结构计算软件进行计算，对外围抗爆剪力墙以外的框架结构进行恒、活、风、地震等荷载效应组合下的承载力和正常使用分析。

3.4 施工图绘制

在计算完成后进行施工图绘制时，应按正常使用情况结构计算和爆炸荷载参与作用弹塑性计算两种工况的不利结果进行取值。爆炸荷载参与作用下的弹塑性计算结果是抗爆墙的控制工况，抗爆墙的截面大小、材料的强度等级及配筋量均应按此工况的结果进行设计；框架柱、梁及屋面板的设计应按两种工况进行包络设计，按两种工况的不利结果进行配筋。

应当注意的是，爆炸荷载的大小与抗爆构件的刚度密切相关，抗爆墙的截面大小、混凝土及钢筋的强度等级、配筋量均应按计算结果进行设计，不得随意更改。因为配筋率对结构构件的延性影响较大，随意加大钢筋面积将削弱构件的变形能力和耗能性能，结构将承受更大的爆炸力，反而会引起安全隐患。

4 工程实例

某化工区中央控制室建筑平面尺寸31.46m×21.46m，单层，计算高度7.8m（层高6.3m）。按规范算法，前墙抗爆计算过程如下：

本项目业主未请专业机构做安全评价，故爆炸荷载按规范5.3.1条进行取值进行分析，按Pso=21kPa，td=100ms计算前墙的爆炸力。

墙板按上、下简支的单向板考虑。墙板计算跨度为7.8m，取1m 宽板带，则b 为1m，假设墙板厚度h 为300mm，混凝土强度等级C40，钢筋采用HRB400 级钢筋，配竖向受力钢筋20@150，As=2094.4mm2，截面有效高度255mm，则：

式中，Es 为钢筋的弹性模量，取2×105N/mm2；Ecd 为混凝土动弹性模量，取静荷载作用时的1.2 倍，为3.9×104N/mm2。

开裂截面惯性矩

式中，质量传递系数Km 根据附录B 取弹性与塑性的平均值0.415；m 为构件质量。

式中，KL 为荷载或刚度传递系数，查附录B，取弹性和塑性的平均值0.57。 根据以上计算结果，可以查国标规范附录A的极限抗力-延性比关系图，求得延性比µ。

另外，前墙的水平分布钢筋可通过侧墙传来的水平剪力计算墙板平面内的抗剪承载力得到此时，应假设爆炸力正对侧墙方向，即侧墙转为前墙，而计算前墙作为侧墙。侧墙（转为前墙）峰值反射压力:根据国标规范附录B 查得墙板每延米动力反应

墙板平面内抗剪满足要求。故水平分布钢筋仅需满足最小配筋率0.25%。配水平分布钢筋16@150，配筋率0.45%。

侧墙、屋面板、后墙的计算步骤与以上步骤类似，而极限抗力-延性比关系图不同。见国标附录A.0.3图。

5 结语

（1）石油化工控制室的抗爆结构设计不同于一般结构设计，对抗爆构件采用的是弹塑性设计方法，允许构件在爆炸荷载作用下发生变形，通过变形吸收并消耗爆炸能量，应将变形控制在规范要求范围内。随意加大截面及配筋有时反而不安全，这一点与常规设计时不一样。

（2）要注重构造措施，保证节点做法与计算模型一致。如抗爆墙底部墙体钢筋不伸入到基础里面，而是通过交叉斜筋形成铰接。