石油化工装置机柜间结构设计未通过抗爆验算的例析
来源:用户上传
作者:
摘要：本文依据《石油化工控制室抗爆设计规范》，通过工程设计实例，介绍了机柜间、控制室等抗爆建筑物正面承受爆炸荷载的钢筋混凝土前墙验算详细步骤，为类似工程的设计提供参考。并结合本案例的验算结果，对上述规范的关键性条文规定提出了看法。
关键词：机柜间;抗爆计算;动力计算;变形验算
1 引言
控制室、机柜间作为石油化工生产装置的神经中枢，是装置的关键部位。由于石油化工生产过程中易燃、易爆物质较多，且生产过程经常在高压、高温等条件下进行，装置发生爆炸的概率也相应增加。爆炸发生后，控制室、机柜间一旦被破坏将会使整个装置陷于瘫痪，装置的不可控又可能会产生次生灾害，造成严重的财产损失，甚至威胁人员的生命安全。因此，控制室、机柜间必须采用合理的抗爆设计，一方面应确保内部工作人员的生命安全并控制设备装置的正常运行操作，另一方面能够在爆炸發生时，采取合理控制措施，尽可能将爆炸危害控制在最小程度。
2 抗爆设计概念和现状
抗爆设计是指爆炸源在建筑结构的外部，要求爆炸发生时建筑物内部的人员和设备不受外来冲击波、振动、碎片等杀伤破坏，主要措施是将其设置在离开爆炸源一定的安全距离，对于距爆炸源较近的建筑物，则要求结构设计能抵抗冲击波产生的超压，选用抗水平力强的钢筋混凝土抗爆墙组成的箱体结构进行防护。
石油化工装置控制室、机柜间的抗爆设计工作，随着石化行业标准《石油石化控制室抗爆设计规范》SH/T3160-2009、国家标准《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012（以下简称《规范》）相继出台，逐步采用了抗爆结构。由于有关控制室、机柜间的抗爆设计尚没有专业的设计软件，主要靠手工或自编程序完成，增大了设计出错的风险。目前，从发表的有关抗爆设计总结性文献看，还存在着与规范不一致的现象，如在已确定了计算模型的情况下，计算持续时间系数时的等效冲击荷载作用时间取值、计算弹塑性状态下质量传递系数和荷载传递系数时的公式、计算质点振动周期时的公式、计算前墙混凝土开裂截面惯性矩时的n值（钢筋弹性模量与混凝土动弹性模量的比值，SH/T3160-2009、GB50779-2012两部规范规定不一致造成的，本文以后者为准）等;从本人在工程质量监督检查情况看，建设单位不能按装置的性质、平面布置、风向等因素准确提供爆炸冲击波参数，设计时只能不分装置的爆炸能量和危险程度，统一按《规范》中的爆炸冲击波参数进行设计;还存在着少数工程设计验算不能通过、抗爆能力不足的现象，本文就此分析一例机柜间前墙未通过抗爆验算的案例。
3 机柜间前墙抗爆验算模型和步骤
控制室、机柜间为一单层的封闭矩形结构，抗爆受力体系由前墙、侧墙、后墙及屋盖组成，水平爆炸荷载首先由前墙承担，传至与其两端铰接连接的基础和屋面钢筋混凝土板，通过板的水平刚度再传两侧的钢筋混凝土抗爆墙，最终完成抵抗爆炸力。对单层的钢筋混凝土前墙抗爆分析时，按底部简支在刚性地坪处、上部简支在屋面板的均匀布荷载的单梁考虑，按照单自由度体系进行动力分析。验算步骤如下。
（1）根据爆炸的冲击波系数及建筑物尺寸计算建筑物前墙所受的爆炸荷载。
（2）确定前墙钢筋、混凝土动力荷载提高水平。
（3）根据建筑形式及其构件的截面、配筋，计算取1m宽前墙板，按单自由度体系构件验算其在动力反应下的抗弯承载力、抗剪承载力，比较后确定到构件最大承载力Ru。
（4）用等效静荷载法或数值积分法计算构件弹性刚度、振动周期等动力参数，并根此结果验算、构件的延性比和转角变形，判别设计的合理性。
4 抗爆构件验算案例
机柜间位于一座新建的煤化工联合装置区域内，为单层框架+抗爆墙及抗爆屋顶现浇钢筋混凝土结构，抗爆墙体与框架脱开，仅上部与屋面板做构造性连接。建筑物长度L=26.4m、宽度B=9m、室内刚性地坪至屋面板高度H=6m（不含女儿墙）。侧墙、后墙与前墙的截面尺寸、配筋相同，屋面按常规设计配筋值，抗爆设计能通过验算，不做介绍，下面仅对前墙依据《规范》进行爆分析验算。
4.4 弹塑性变形验算
（1）延性比验算
根据以上计算结果，可得抗力系数、持续时间系数，通过查《规范》附录图A.0.2曲线，则构件延性比μ=4.0，不满足《规范》第5.6.3条[μ]≤3的要求。
（2）弹塑性转角验算
爆炸作用下侧墙跨中弹塑性变形为，则弹塑性转角为θ=arctan（2×Δ/H）=1°，满足《规范》第5.6.4条[θ]≤2°的要求。
4.5 验算结论
通过上述验算，在21kPa爆炸荷载下，该机柜间前墙的延性比μ超过允许值，不满足抗爆要求。
《规范》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。
本案例机柜间前的延性比超出了《规范》的要求。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。《规范》此条规定是否过于严格，供下次《规范》修订时参考。
参考文献：
[1] 王铁红，孙新.探析石油化工控制室钢筋混凝土侧墙抗爆设计的动力计算方法[J].化工设计，2012（06）.
[2] 蔡华.石化企业控制室抗爆设计倒析[J].建筑，2013（12）.
（作者单位：石油化工工程质量监督总站安庆石化分站）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14941490.htm
