石油化工控制室抗爆结构设计分析

石油化工控制室抗爆结构设计分析

王兴宾

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摘要：随着石油化工行业装置大型化、联合装置的出现，化工设备出现爆炸事故的风险越来越高，爆炸形成空气冲击波荷载，结构工程师应就爆炸荷载采用合适的分析设计方法，来使石油化工控制室具有相应的抗爆能力。因此对装置内的抗爆控制进行结构分析是相当重要的，应根据实际的特点对其进行计算，提出些许设计改进的建议。

关键词：石油化工控制室；抗爆结构设计；分析

1结构设计的基本规定

1.1设计的依据

随着我国的科技水平不断提高，建筑行业的发展越来越好，但在抗爆建筑方面与发达国家相比仍显不足。我国在这方面的研究相对欠缺，目前抗爆控制室的标准还是主要参考国外标准。

1.2规则标准

依照设计规范中的条例进行设计，要求当爆炸发生时，控制室的结构不能发生较大的变化，允许出现一定的损坏，但是必须要在能进行修复的范围之内。准确分析爆炸荷载，以此为基础来确定控制室的变形程度，根据爆炸的特点来设计控制室的结构，使控制室的性能满足规范要求。爆炸所产生的影响是不确定的，因此在控制室结构设计时，不仅局限于例行的计算，更应注重对整个控制室的结构体系设计。在建设控制室时，可以采取钢筋混凝土的结构进行矩形平面的设置，单层最优，多层控制室与一层控制室结构相比，其安全性能相对不足。

1.3设计原理

第一，结构方面。控制室通常是采用防爆结构来进行设计的，外防爆剪力墙与内框架柱分离，以实现外防爆墙消散爆炸水平荷载、内框架不受水平爆炸荷载（仅垂直荷载）的目的，保证主体结构安全。第二，作用原理。若石油化工生产时发生了爆炸，爆炸所产生的爆炸力会贯穿控制室墙面，因此要利用屋面板，将荷载传递给墙边，再传递给控制室的基础。内部的框架只适合承担竖向的荷载。

1.4变形方面

控制室在遭受爆炸时，要求变形程度较小，这就要求构件的延展性和弹塑性较好。

1.5材料方面

选取好的材料，承受的压力较强，产生的形变较好。钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30，且不宜超过C50。钢筋宜采用延性、韧性和焊接性较好的钢筋，纵向受力钢筋宜采用HRB400级热轧钢筋，箍筋宜采用HRB400级热轧钢筋。纵向受力钢筋应满足抗震性能。

2设计流程

2.1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。

2.2确定计算模型及构件计算

抗爆构件的设计过程为计算的过程。首先依据安评报告给出的爆炸力，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。

2.3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或其他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荷载、活荷载、风荷载、地震等荷载效应组合下的承载力和正常使用分析。

2.4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。

3工程实例

某抗爆控制室长为48cm，宽为39cm，高为10cm，在这样的情况之下，其内部还有一个支架，支架的作用是支撑整个控制室，将这个支架设为长23cm、宽34cm，采取等效荷载法进行，利用公式可计算爆炸荷载的大致范围，选择出合适的构件，设置前墙和后墙的厚度。通常将墙板设计进行简化，上至屋面板，后到抗爆墙基础，简图如图1所示。

图1简支构件

主墙和侧墙的计算公式不同，不可直接等同。计算延比性时要多次重复计算，减少由于人为失误而造成的误差。一般情况下，延比性若小于规范值，说明墙板的厚度适中，若大于范围值，需进行改进，重新计算，使计算结果低于规范值，从而满足要求。

4优化措施分析

①抗爆计算。模型简化完成，计算所需的材料假设完成，材料的基本参数也就定了，下一步就是根据规范的要求对墙体进行抗爆计算。基于经济性的要求，这个结果说明构件的延性不错，但是弹塑性转角较小，即可能墙板厚度太厚或是钢筋配筋率偏小。此时需要我们重新对墙体厚度或者是墙体配筋做假设，继续第二遍计算直到延性和转角均满足要求为止。

②相关的一些结构构造要求。第一，抗爆剪力墙两端和抗爆门框墙应设暗柱加强，且应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》有关边缘构件的规定。第二，屋面板及外墙应双面配筋，单面竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%，并不应大于1.5%。屋面板的最小厚度不应小于125mm；墙体的最小厚度不应小于200mm，且不宜小于层高的1/25。第三，钢筋混凝土外墙应在屋盖处设置暗梁，暗梁截面高度可取屋面板厚度的5倍，且不应小于500mm。第四，钢筋宜采用绑扎搭接或机械连接，钢筋直径不应大于25mm。第五，当地坪作为外墙的支座时，宜设刚性地坪。刚性地坪的最小厚度不应小于150mm，并应双面配筋。第五，基础埋深不宜小于1.5m。设计时可计入刚性地坪对基础的嵌固作用。

③需要特别引起注意的几点注意事项。第一，抗爆控制室采用矩形平面，也是为了传递爆炸力时路径明确。建筑层数为一层，主要考虑工程成本问题。第二，抗爆控制室采用现浇钢筋混凝土结构。一般情况下，建筑物屋顶采用现浇钢筋混凝土板，是为了传递爆炸力的要求。第三，钢筋采用搭接接头，是为了防止焊接引起的钢筋性能的变化。第四，墙体与基础采用铰接方式连接。第五，基础采用独立基础时，独立基础间宜设系梁。

结语：

综上所述，石油化工生产通常具有工艺流程复杂多样，生产过程自动化水平高，原料及产品易燃易爆甚至有毒有害，一旦发生事故将会造成人员伤亡和财产损失。随着集散控制系统的广泛应用，控制室在生产过程中的重要性越来越高。控制室作为石油化工装置生产和指挥中心本着“本质安全，管控一体”的思想，控制室应形成独立工作区域以保证在某装置发生爆炸事故后仍可正常实现其他装置的安全停车，避免产生更大事故同时保证内部操作人员安全。对于石油化工企业而言，设计抗爆控制室是相当重要的。设计时要考虑到整体设计、构建材料等。本文针对工程进行分析，不断地改进石油化工企业的防爆控制室的结构，达到完美的结构，增强抵御爆炸的能力。

参考文献：

[1]黄思远.石油化工抗爆控制室结构设计[J].化工管理，2020，34（22）：

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[2]谢庆红、于业栓.某石油化工控制室抗爆结构分析与设计[J].山西建筑，2015，32（6）：29-32.

[3]刘国强、殷守统.石油化工控制室抗爆结构设计探讨[J].山东工业技术，2019，18（8）：24-26.