摘 要：石化控制室由于內(nèi)部設(shè)備的重要性，有必要在承受爆炸荷載作用時，除上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗爆能力外，基礎(chǔ)同樣必須有抵抗爆炸沖擊能力，保障在爆炸沖擊作用下整體的安全性。本文探討了抗爆控制室基礎(chǔ)抗滑移、傾覆的簡化驗算方法，探討了基礎(chǔ)抵抗爆炸沖擊波的性能，為今后同類項目設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：抗爆結(jié)構(gòu)；滑移；傾覆；樁基礎(chǔ)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.088

在石化項目中對新建、擴(kuò)建和改建石油化工工程的控制室、中心控制室、現(xiàn)場控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室、以煤為原料制取燃料和化工產(chǎn)品的企業(yè)控制室進(jìn)行抗爆設(shè)計，在保證現(xiàn)場操作人員的安全同時，又可以極大地降低二次事故的風(fēng)險。當(dāng)前控制室主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗爆墻-框架結(jié)構(gòu)，即上部結(jié)構(gòu)由前墻、側(cè)墻、屋面以及后墻和內(nèi)框架組成，基礎(chǔ)則依據(jù)地勘報告靈活設(shè)計，較為普遍采用的型式有樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)-剛性地坪等。

考慮到上部結(jié)構(gòu)所傳遞到基礎(chǔ)的荷載沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，在基礎(chǔ)設(shè)計時造成了極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。本文探討了一種抗爆控制室基礎(chǔ)豎向承載力、抗滑移、傾覆的簡化驗算方法。

1 基礎(chǔ)設(shè)計原則

在無爆炸荷載參與時，基礎(chǔ)設(shè)計可按國家現(xiàn)行有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求進(jìn)行計算。在有爆炸荷載參與時，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)進(jìn)行地基承載力驗算、基礎(chǔ)抗傾覆及抗滑移驗算。設(shè)計時，應(yīng)采用外墻爆炸荷載、屋面爆炸荷載、恒荷載、活荷載同時組合的動力反應(yīng)最大值。

1.1 天然地基

（1）進(jìn)行地基承載力驗算時，爆炸荷載作用情況下地基土的允許承載力可取其特征值的2倍。

（2）驗算基礎(chǔ)抗傾覆時，基礎(chǔ)抗不平衡側(cè)向動力荷載的傾覆安全系數(shù)應(yīng)取1.2，不計入活荷載的影響。

（3）抗滑移驗算時，抗滑移安全系數(shù)應(yīng)取1.05。當(dāng)計入基礎(chǔ)的被動土壓力增加抗滑移能力時，基礎(chǔ)的被動土壓力取不平衡荷載的1.5倍，不平衡荷載應(yīng)取總動水平荷載減去摩擦阻力。

1.2 樁地基

（1）樁基礎(chǔ)在爆炸荷載作用下的允許垂直承載力，可取其垂直承載力極限值。

（2）樁基礎(chǔ)在爆炸荷載作用下的水平允許承載力，可取其水平極限承載力。計入基礎(chǔ)的被動土壓力與樁共同抵抗爆炸水平力時，樁基的最終水平承載力及作用在基礎(chǔ)墻及基礎(chǔ)上的被動抗力組合后，不應(yīng)小于所需水平抗力的1.5倍。

2 基礎(chǔ)設(shè)計方法

2.1 爆炸荷載確定

爆炸荷載由《建設(shè)場地安全評估報告》提供或采取《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》確定，其中應(yīng)包含爆炸沖擊波峰值入射超壓和正壓作用時間等設(shè)計擬采用參數(shù)。

作用在前墻上的爆炸荷載峰值反射壓力及正壓時間：

作用在側(cè)墻上以及平屋頂屋面的有效沖擊波超壓及其升壓時間：

2.2 基礎(chǔ)驗算實例

某石油化工裝置控制室基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁樁承臺基礎(chǔ)，沖擊波峰值入射超壓Pmax=21kN/㎡，計算長度L=81.7m，計算寬度B=27m，計算高度H=10m。

依據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》第5.1.1條：“抗爆控制室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，其動力分析可近似采用單自由度體系動力分析的方法或等效靜荷載分析方法”，如圖2：

依據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》第5.5.1條：“…有爆炸荷載參與時，風(fēng)、雪荷載、地震作用不參與組合”。驗算爆炸力對樁承臺豎向荷載影響時，僅考慮爆炸力作用。前墻P1=0.8Pmax=16.8kN/㎡， 后墻P2=-0.5Pmax=-10.5kN/㎡。

2.2.1 豎向承載力驗算

爆炸荷載作用下，結(jié)構(gòu)X向總彎矩：Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2），將結(jié)構(gòu)承受彎矩等效為力偶作用值，即：Mx=F*B。假定：力偶值等效為前、后墻所承受的拉、壓力值。（如圖3所示）

因此，基礎(chǔ)豎向承載力驗算：L=81.7m，B=27.0m、H=10.0m

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

Mx= Pa*（H/2）+ Pb*（H/2）

=13725.6×5+8578.5×5=111520.5 kN.m

F =Mx/B=111520.5÷27=4130 kN

結(jié)構(gòu)后墻基礎(chǔ)面積為84.7*3=254.1㎡，爆炸力作用下基礎(chǔ)豎向承載為4130÷254.1=16.25KPa小于地基承載力Fak=230KPa，且《抗爆規(guī)》第5.9.4條第一款：“進(jìn)行地基土承載力驗算時，爆炸荷載作用情況下地基土的允許承載力可取其特征值的2倍。”

通過以上計算方法驗算，可知爆炸力作用下基礎(chǔ)豎向承載力滿足設(shè)計要求。

2.2.2 基礎(chǔ)滑移、傾覆驗算

如圖4所示：對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行抗滑移、傾覆驗算時，水平爆炸作用產(chǎn)生的滑移及傾覆全部由剛性地坪、回填土、樁承臺、樁及附近原狀場地土承擔(dān)，簡化計算如下：

爆炸荷載作用下，樁基水平承載力驗算：

Pa=P1*L*H=16.8×81.7×10=13725.6 kN

Pb=P2*L*H=10.5×81.7×10=8578.5 kN

P= Pa+ Pb=13725.6+8578.5=22304.1 kN

計算擬采用下式：

其中：Ph=P=22304.1 kN，

N=34104.54 kN（結(jié)構(gòu)總自重）

G=G1+G2+G3

=34104.54+0+95294.88=129399.42 （G1為基礎(chǔ)重；G2為剛性地坪重，G3為回填土重）

μ=0.30

依據(jù)以上規(guī)范簡化計算可得：

通過以上簡化方法驗算，可知爆炸力作用下結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定驗算滿足設(shè)計要求。

如圖4所示：對抗爆結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行抗傾覆驗算，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與土壤摩擦μ系數(shù)取0.3。

結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生水平抗力為：F1=（N+G1+G2）*0.3=38819.8 kN

查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011式6.7.3-1：

基礎(chǔ)回填土產(chǎn)生水平抗力：

F2=*L=1270.6 kN

結(jié)構(gòu)總抗力：F=F1+F2=40090.4 kN

簡化計算可知： F/P=1.8>1.5

通過以上計算方法驗算，可知爆炸力作用下結(jié)構(gòu)水平抗力驗算滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論及建議

（1）該計算方法將爆炸荷載作用下的抗爆控制室結(jié)構(gòu)動力分析采用單自由度體系等效靜荷載進(jìn)行分析。能滿足設(shè)計的要求和安全的保證。

（2）本計算方法充分考慮在抗爆控制室進(jìn)行抗滑移、傾覆驗算時，剛性地坪、回填土、樁承臺、樁及附近原狀場地土對基礎(chǔ)的滑移、傾覆影響作用。使基礎(chǔ)計算更加準(zhǔn)確，抗爆性能更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]Design of Blast-resistant Buildings In Petrochemical Facilities[M].2nd ed.Reston：ASCE，2010.

[2]GB50779-2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范[S].中國計劃出版社，2012.

[3]SH/T3006-201石油化工控制室設(shè)計規(guī)范[S].中國石化出版社2012.

作者簡介：毛江濤（1984-），男，山東濟(jì)南人，碩士，工程師，主要從事石化工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。