談笑

摘要：現(xiàn)有GB50779，2012《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的抗爆墻體設(shè)計(jì)方法基于單自由度動(dòng)力分析的計(jì)算假定，且設(shè)計(jì)指標(biāo)僅包含許用延性比一項(xiàng)。規(guī)范采用查表法求解延性比，精度較低，工程設(shè)計(jì)較為概念化。本文通過有限元方法建立控制室抗爆墻體三維模型，運(yùn)用有限元分析軟件模擬爆炸工況，分析求解抗爆墻體。并尋求優(yōu)化截面的方法，拓展規(guī)范中的計(jì)算假定，將分析方法由單自由度動(dòng)力分析拓展至基于有限元方法的動(dòng)力分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)，有限元模型建立，，有限元計(jì)算結(jié)果，抗爆墻體分析

隨著項(xiàng)目安全理念以及全過程安全控制日益受到重視，結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中扮演著越來越重要的作用。而控制室作為現(xiàn)代化工裝置中的重點(diǎn)安全設(shè)防建筑物，其安全性能需求也日益增加，探究抗爆墻體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑，提高對爆炸工況的理解，提升設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1. 背景概述

現(xiàn)有CB50779-2012《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中，基于大量爆炸實(shí)驗(yàn)給出了可信的爆炸荷載計(jì)算方法及相應(yīng)函數(shù)圖象表達(dá)，如圖1。其采用的單自由度桿件簡諧振動(dòng)計(jì)算假定，以及相應(yīng)的求解方法存在一些值得探究的問題。

1）單自由度計(jì)算假定與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異性

規(guī)范中將抗爆墻體簡化為單位寬度的單自由度簡支梁，而實(shí)際控制室結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)與外部抗爆剪力墻結(jié)合的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力模態(tài)與單自由度簡支梁模型存在差異，而此差異性引起的計(jì)算結(jié)果差異值得分析。

2）設(shè)計(jì)計(jì)算方法的優(yōu)化探究

規(guī)范中給出的抗爆墻體求解方法為查表法，在求得墻體自振周期.設(shè)計(jì)抗力等參數(shù)后，查取規(guī)范給出的延性比，通過控制延性比完成墻體設(shè)計(jì)，如圖2。而規(guī)范中給出的表格各參數(shù)變化非線性，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的，難以采取控制變量法求解經(jīng)濟(jì)截面。

有限元分析方法在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相關(guān)理論體系成熟，在分析模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)及復(fù)雜工況時(shí)具有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用于抗爆墻體分析具有良好的適用性。

1. 有限元模型建立

本文以某工程項(xiàng)目的控制室抗爆墻體設(shè)計(jì)實(shí)例建為依據(jù)，通過sTAAD.PR0結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立控制室三維有限元空間模型。

該控制室?guī)缀涡畔椤媒ㄖ?jì)算高度7.6米，建筑東西方向柱距27米，南北方向25米，詳細(xì)布置如圖3。各構(gòu)件幾何截面特征為∶框架柱400x400，框架梁300x900，屋面次梁300x700，各側(cè)墻300厚，頂板200厚。

sTAAD.PR0三維模型如圖4所示，網(wǎng)格劃分及基礎(chǔ)約束如圖5所示。各框架柱基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，柱底采用固接：抗爆墻體底部通過剪力筋與條形基礎(chǔ)連接，不傳彎矩至基礎(chǔ)，模型中采用較支座與其構(gòu)造措施對應(yīng)。

建模過程中通過sTAAD.PR0中的時(shí)程函數(shù)功能，定義控制室的前墻荷載及頂板荷載，如圖6及圖7所示。

規(guī)范中給出的爆炸荷載為均布面荷載，而sTAAD.PR0時(shí)程函數(shù)定義僅支持集中荷載，因此根據(jù)等效原則，將均布面荷載換算成作用于各單元格節(jié)點(diǎn)上的集中荷載，爆炸荷載實(shí)際加載情況如圖8所示。

控制室抗爆墻體模型按上述步驟建立完成，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2. 有限元模型結(jié)果對比分析

通過有限元計(jì)算分析可得到控制室各構(gòu)件的內(nèi)力結(jié)果以及詳細(xì)應(yīng)力分布，本文將根據(jù)各分析結(jié)果對比按規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果，分析計(jì)算假定差異性引起的計(jì)算差異。

圖9.圖10為抗爆墻體的整體彎矩分布圖，根據(jù)應(yīng)力云圖可知，前墻及側(cè)墻應(yīng)力分布與受彎板件分布相同，各墻體受彎特征明顯。各墻應(yīng)力分布沿板跨度方向變化明顯，墻體中間區(qū)域應(yīng)力分布較符合規(guī)范中簡支梁計(jì)算假定，而端部區(qū)域與簡支梁計(jì)算模型差異較大。

頂板應(yīng)力分布的計(jì)算結(jié)果與預(yù)想分布圖差距較大，頂板按主梁布置呈現(xiàn)較明顯的分區(qū)格分布，主梁對頂板剛度貢獻(xiàn)明顯，而次梁在頂板剛度的貢獻(xiàn)中幾乎不起作用。為驗(yàn)證這一推論，在模型中更改了次梁設(shè)置方向，如圖11所示。

在變更次梁布置方向后重新計(jì)算模型，得到了新的頂板計(jì)算結(jié)果以及應(yīng)力分布云圖，如圖12所示。

對比修改次梁方向前后的應(yīng)力分布云圖，可以較明顯地觀察到，頂板的彎矩分布依然以框架梁為邊界呈現(xiàn)區(qū)格分布的特征，主梁對頂板剛度貢獻(xiàn)明顯，而次梁在頂板剛度的貢獻(xiàn)中幾乎不起作用這一推論得到了驗(yàn)證。這說明在選取頂板計(jì)算跨度時(shí)，按主梁間距確定計(jì)算跨度較為合理，而按次梁間距確定計(jì)算跨度與模型分析結(jié)果不符。

圖13中反映了爆炸工況下前墻的變形結(jié)果。前墻在爆炸荷載作用下的最大變形出現(xiàn)在前墻跨中的472節(jié)點(diǎn)，實(shí)際變形為6.013mm，可計(jì)算出實(shí)際彈塑性轉(zhuǎn)角為0.09。。規(guī)范中對受彎墻體最大轉(zhuǎn)角的允許值為[2。]，對于前墻有較大的優(yōu)化空間。

圖14中反映了爆炸工況下頂板的變形結(jié)果。頂板在爆炸荷載作用下的最大變形出現(xiàn)在中間跨的5210節(jié)點(diǎn)，實(shí)際變形為29.863mm，取主梁間距9米為計(jì)算跨度，可計(jì)算出實(shí)際彈塑性轉(zhuǎn)角為0.38。。規(guī)范中對受彎墻體最大轉(zhuǎn)角的允許值為[4。]，與前墻相似，頂板截面也有較大的優(yōu)化空間。

圖15為爆炸工況下控制室內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力匯總表格以及示意圖，根據(jù)圖示可以得出以下結(jié)論∶爆炸工況下內(nèi)部框架與抗爆墻體協(xié)同工作，共同抵抗爆炸荷載：由于墻體自身剛度較大，抗爆墻體旁的框架梁.框架柱分擔(dān)爆炸荷載較少，可適當(dāng)縮減構(gòu)件截面，不區(qū)分構(gòu)件位置，采取統(tǒng)一配筋的方式不經(jīng)濟(jì)，材料利用效率較低：跨中各構(gòu)件彎曲變形明顯，在爆炸工況中應(yīng)考慮其作用，形成較為完整的傳力途徑：由于墻體抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于各框架柱，框架柱均為小偏壓構(gòu)件，柱截面兩方向彎矩較小，在爆炸工況下可將其視為軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3. 結(jié)論與展望

前文分析了有限元計(jì)算結(jié)果的各種應(yīng)力分布特征，并將有限元分析結(jié)果和規(guī)范設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對比分析，詳細(xì)討論了兩種分析方法的差異性以及引起的原因，通過上述討論可以得出以下結(jié)論，對今后的抗爆墻體設(shè)計(jì)具有啟示意義。

1） 針對不同設(shè)計(jì)需求或不同設(shè)計(jì)階段，控制室抗爆墻體可采取不同方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在初步設(shè)計(jì)階段，各項(xiàng)工程參數(shù)并不十分成熟，設(shè)計(jì)條件變化性較大，建筑結(jié)構(gòu)方案均有可能進(jìn)行調(diào)整，采取規(guī)范中的分析方法簡便易行，適于前期確定構(gòu)件大小，計(jì)算工程量：在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，各項(xiàng)設(shè)計(jì)條件較為完善，可采用有限元建模方法優(yōu)化各構(gòu)件截面，之后再運(yùn)用規(guī)范方法校核設(shè)計(jì)結(jié)果，可使抗爆墻體設(shè)計(jì)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2） 對于規(guī)范中要求不明確，或是理解有爭議的條文，采取有限元建模的方法進(jìn)行分析可進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)有規(guī)范中對頂板的計(jì)算跨度并沒有明確規(guī)定，本文通過有限元建模，分析頂板彎矩分布，得出應(yīng)按框架梁間距取值計(jì)算的結(jié)論：規(guī)范中對于控制室抗爆墻體與內(nèi)部框架之間的關(guān)系并未詳細(xì)分析，在爆炸工況下內(nèi)部框架的受力特性也未進(jìn)行明確描述，本文通過有限元模擬明確了爆炸工況下各構(gòu)件整體協(xié)調(diào)工作的情況，同時(shí)，定性分析了爆炸工況下內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況，有助于提升對爆炸工況的整體理解。

結(jié)束語∶在總結(jié)本文有限元分析得到各項(xiàng)結(jié)論的同時(shí)，對今后抗爆墻體分析的研究方向也有以下展望。首先，國內(nèi)關(guān)于控制室抗爆結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，以及實(shí)際爆炸破壞的研究數(shù)據(jù)較少，期望今后能進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)分析研究，以印證本文得到的各種結(jié)論：其次，現(xiàn)有規(guī)范對控制室高度及結(jié)構(gòu)體系具有較為嚴(yán)格的規(guī)定，要求控制室不宜采用多層結(jié)構(gòu)，采取有限元建模方法可以對多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其分析結(jié)果可以為今后多層控制室抗爆墻體設(shè)計(jì)提供參考。

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