楊 洋

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 無錫 214000

1 墻體的爆炸荷載

1.1 前墻爆炸荷載

抗爆控制室前墻正對于爆炸源，類似于常規(guī)武器地面爆炸空氣沖擊波簡化波形，沖擊波直接作用于抗爆前墻，抗爆前墻動力響應(yīng)造成最先出現(xiàn)峰值反射壓力，反射壓持續(xù)作用tc時間，然后通過等沖量簡化為正壓等效作用時間te。

1.2 側(cè)墻及屋面爆炸荷載

抗爆控制室側(cè)墻及屋面沒有正對爆炸源，類似于常規(guī)武器地面爆炸土中沖擊波簡化波形，首先有一段有效沖擊波超壓升壓時間tr, 升壓至有效沖擊波最大超壓Pa后下降并持續(xù)作用td時間，爆炸荷載體現(xiàn)為有升壓時間的三角形波形。

1.3 后墻爆炸荷載

抗爆控制室后墻背對爆炸源，與前墻和屋面荷載類似，但是由于距離的原因，沖擊波到達后墻需要一段時間ta;然后波形與前墻和屋面類似，僅超壓值與作用時間有所區(qū)別，爆炸荷載體現(xiàn)為時間滯后的有升壓時間的三角形波形。

1.4 墻體的爆炸荷載總結(jié)

由于石油化工廠區(qū)內(nèi)危險源較多，可能位于控制室的各個方位，一旦發(fā)生爆炸往往會產(chǎn)生各處蔓延，造成多點多方位爆炸。這樣的情況下特定區(qū)分前墻、側(cè)墻及后墻意義往往不大，且計算煩瑣，所以在工程設(shè)計實踐中往往不區(qū)分前墻、側(cè)墻和后墻，統(tǒng)一按最不利的前墻考慮，這樣不僅可以大大減少計算工作，而且也能較好保證抗爆控制室的結(jié)構(gòu)安全性，所以抗爆控制室中對于前墻的設(shè)計尤其重要。

2 抗爆控制室的設(shè)計方法

2.1 設(shè)計過程中的規(guī)范要求

按《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）中的設(shè)計要求，當爆炸發(fā)生后，允許抗爆結(jié)構(gòu)可以處于非彈性狀態(tài)且不會發(fā)生倒塌事故。即控制室的結(jié)構(gòu)在遭受爆炸荷載作用后，其發(fā)生的損壞必須要在能進行修復(fù)的范圍之內(nèi)，而且經(jīng)修復(fù)后仍然可以繼續(xù)使用。在爆炸荷載作用下，應(yīng)驗算抗爆結(jié)構(gòu)的承載力及變形，其中延性比和支座轉(zhuǎn)角必須滿足規(guī)范要求[1]。

2.2 控制室結(jié)構(gòu)選型及爆炸荷載傳遞路徑

2.2.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

在進行建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計時，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系是保證抗爆控制室在外力作用下受力安全、傳力明確的前提?！妒突た刂剖铱贡O(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）規(guī)定：抗爆控制室建筑平面宜為矩形，層數(shù)宜為一層，宜采用鋼筋混凝土抗爆墻與框架組合的形式。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以將抗爆控制室內(nèi)部設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，外部設(shè)計為抗爆剪力墻圍繞其四周布置。外部抗爆墻應(yīng)與內(nèi)部框架脫開，抗爆墻與框架梁、柱之間留有間隙。同時，抗爆墻上端與屋面板鉸接連接，下端與結(jié)構(gòu)（剛性）地坪或基礎(chǔ)鉸接連接。這樣當爆炸時，外部剪力墻承受水平爆炸荷載，而框架結(jié)構(gòu)不受水平爆炸荷載影響，只需要承擔垂直荷載，這樣的組合形式保護了內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)和人員的安全。

2.2.2 爆炸荷載傳力路徑

這里以抗爆前墻為例，當發(fā)生爆炸時，作用在其上的爆炸荷載傳遞路徑是：爆炸水平荷載首先直接作用在抗爆前墻上，然后前墻通過上下構(gòu)造連接，上端傳到屋面，下端傳到剛性地坪或下部基礎(chǔ)。隨之屋面板通過與側(cè)墻的連接將力傳遞給兩邊側(cè)墻，最后側(cè)墻將力傳到基礎(chǔ)。

2.3 控制室結(jié)構(gòu)動力分析

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）規(guī)范5.6.1 的要求：結(jié)構(gòu)的動力分析宜對整體結(jié)構(gòu)按時程分析法進行。條件不具備時，對于矩形建筑物，構(gòu)件可按作用的爆炸荷載進行動力分析[1]。實際化工項目中對于抗爆結(jié)構(gòu)缺少時程分析法所需要的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，因此大多數(shù)抗爆控制室在進行動力分析時，抗爆墻和屋面板等構(gòu)件是按單自由度體系的等效靜荷載法進行設(shè)計。

2.4 抗爆控制室設(shè)計步驟

抗爆控制室內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)與外圍抗爆墻脫開布置，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和外部抗爆墻所受荷載及傳力途徑等不同，計算時也需要按常規(guī)工況和爆炸工況分別進行計算：

（1）常規(guī)工況的整體分析：首先利用PKPM 或者盈建科等設(shè)計軟件按照常規(guī)設(shè)計流程對內(nèi)部混凝土框架結(jié)構(gòu)在恒、活、風、地震等荷載效應(yīng)組合下進行建模、分析、設(shè)計、計算。即不考慮爆炸的情況，整體模型中無需建入外圍剪力墻。

（2）采用抗爆構(gòu)件單自由度體系的等效靜荷載法計算：首先依據(jù)甲方給出的安全分析綜合評估或《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）中第5.3.1 條中的參數(shù)來計算建筑物承受的沖擊波、爆炸荷載的各項參數(shù)值，然后再假設(shè)抗爆墻體的厚度、材料、豎向和水平配筋A(yù)s 等參數(shù)來驗算構(gòu)件的延性比、轉(zhuǎn)角是否滿足規(guī)范要求。此步驟中假定墻體相關(guān)參數(shù)來進行的一系列驗算為一個試算的過程，需要不斷調(diào)整構(gòu)件的參數(shù)直至延性比、轉(zhuǎn)角符合規(guī)范要求。

（3）爆炸工況下的整體分析：對于封閉式的抗爆控制室，爆炸點產(chǎn)生的爆炸載荷主要直接作用于外墻和屋頂。屋面板直接承受的豎向爆炸荷載通過內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的梁、柱最終傳給下部基礎(chǔ)。所以在爆款工況下，需要將外部剪力墻和內(nèi)部框架進行整體建模計算分析。同時荷載規(guī)范中明確規(guī)定：爆炸工況下，不再考慮爆炸荷載與風、雪、地震荷載的組合作用。

（4）下部基礎(chǔ)分析:基礎(chǔ)是上部結(jié)構(gòu)的有效支撐，由于爆炸水平荷載很大，設(shè)計時除了滿足承載力的要求，還需驗算抗滑移、抗傾覆。在設(shè)計過程中，應(yīng)采用外墻爆炸荷載、屋頂爆炸荷載、恒載、活載同時組合的動力反映最大值。

（5）施工圖繪制：應(yīng)按常規(guī)工況和爆炸工況這兩種最不利結(jié)果進行設(shè)計。其中外部剪力墻厚度、剪力墻配筋、混凝土及鋼筋強度等級應(yīng)按爆炸工況進行取值設(shè)計；而內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的柱、梁、屋面板應(yīng)包絡(luò)設(shè)計，取最不利結(jié)果。

3 抗爆控制室構(gòu)件單自由度體系等效靜荷載設(shè)計——以前墻實例分析

3.1 項目概況

本工程實例為岳陽某化工區(qū)新建中央控制室，控制室建筑平面尺寸15m×15m，單層建筑。屋面標高5.000m，一層設(shè)置地坪，但室內(nèi)地面剛性地坪不滿足嵌固作用。建筑室內(nèi)外高差0.600m，基礎(chǔ)頂面埋深標高- 1.900m，計算高度取H=5+1.9=6.9m。

本工程未請專業(yè)機構(gòu)進行安全評估，故按《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）中第5.3.1 條進行取值分析，本工程沖擊波峰值入射超壓最大值PSO=21kPa，正壓作用時間td=100ms 計算前墻的爆炸力。

3.2 沖擊波參數(shù)計算

3.3 前墻爆炸荷載

峰值反射壓力：

單位寬度上峰值反射壓力對應(yīng)的構(gòu)件沖擊荷載：

停滯壓力：PS=PSO+Cd·qO=21+1×1.41=22.41kPa。

停滯壓力點至建筑物邊緣的最小距離：

反射壓持續(xù)時間：

正 壓 沖 量：IW=0.5·（PY- PS）·tc+0.5·PS·td=0.5×（45.22- 22.41）×0.055+0.5×22.41×0.1=1.75 前墻正壓等效作用時間：te=2IW/ PY=2×1.75/ 45.22=0.077s。

3.4 前墻計算

假定前墻厚度300mm，混凝土強度C30,受力豎向配筋雙層 18@150，AS=1696mm2，水平鋼筋 12@150，截面有效高度h0=255mm，計算時取1m 寬前墻。

主要的材料：鋼筋HRB400,fy=360N/ mm2，Es=2×105N/ mm2。

混凝土：C30，fC=14.3N/ mm2，EC=3×104N/ mm2。

鋼筋動力強度設(shè)計值：fdy=ysif·ydif·fyk=1.1×1.17×400=514.8N/ mm2。

混 凝 土 動 力 強 度 設(shè) 計 值:fdc=ysif·ydif·f′ck=1.0×1.19×20.1=23.92N/ mm2。

混凝土受壓區(qū)高度：x=ASfdy/ fdcb=1696 ×514.8/ 23.92×1000=36.5mm。

前 墻 抗 彎 承 載 力：Mu=a1fdcbx （h0- x/ 2）=1.0×23.92×1000×36.5×（255- 36.5/ 2）=206.7kN·m。

前墻彎曲抗力：

Rb=8Mu/ L=8×206.7/ 6.9=239.7kN。

前 墻 抗 剪 承 載 力：Vu=0.7βhftkbh0=0.7×1.0×2.01×1000×255=358.8kN。

剪切抗力：RS=2VU=2×358.8=717.6kN。

極限抗力:Ru= mim（Rb，RS）=239.7kN。

3.5 前墻剛度計算

混凝土構(gòu)件對形心軸的毛截面慣性矩：

開裂截面慣性矩：

平均慣性矩：Ia=0.5·（Ig+Icy）=0.5×（22.5×108+4.3×108）=1.34×109mm4。

構(gòu)件剛度：K=384EcdIa/ 5ι3=384×1.2×30000×1.34×109/ 5×69003=1.13×104N/ mm。

3.6 彈塑性動力分析時等效質(zhì)量和振動周期：

通過查附錄B，取彈性和塑性的平均值

均布質(zhì)量傳遞系數(shù)：Km=（0.5+0.33）/ 2=0.415。

荷載傳遞系數(shù)：KL=（0.64+0.5）/ 2=0.57。

墻板等效質(zhì)量：Me=Km·m=0.415×6.9×0.3×1×2500=2148kg。

3.7 延性比

通過查規(guī)范附錄圖A.0.2，μ=2.4＜［μ］=3.0，滿足要求。

彈性極限變位：Xy=Ru/ K=239.7/ 11.3=21.2mm。彈塑性變位：Xm=μXy=2.4×21.2=50.88mm。

最大轉(zhuǎn)角：θ=arctan ［2Xm/ L］·180/ π=0.8450＜［θ］=20滿足要求。

抗爆前墻水平分布筋驗算：為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，假設(shè)爆炸源移動到側(cè)墻位置，這時側(cè)墻就轉(zhuǎn)換為前墻，從而能使得前墻（原側(cè)墻）所受的爆炸荷載最大，傳遞給側(cè)墻（原正墻）的水平剪力也最大，這樣就可以通過一側(cè)傳來的最大水平剪力來進行計算。通過查附錄B 中表B.0.1- 1

假設(shè)側(cè)墻相關(guān)的參數(shù)包括墻厚、材料、配筋與前墻的參數(shù)一致，那么側(cè)墻的極限抗力Ru=239.7kN。

前墻的所受的最大水平剪力：Vd=V·B/ 2=128.53×15×2=964kN。

前墻平面內(nèi)抗剪承載力：Vu=0.7βhftbh0=0.7×1×1.43×15000×255=3829kN＞Vd，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過計算假設(shè)的前墻水平分布鋼筋12@150 其配筋率為0.5%，滿足規(guī)范中最小配筋率0.25%的要求?？贡刂剖移渌麡?gòu)件：包括兩側(cè)側(cè)墻、屋面板、抗爆后墻的計算方法類似于與前墻, 但其中極限抗力- 延性比關(guān)系圖應(yīng)取《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）附錄A.0.3 圖。

4 結(jié)語

在設(shè)計時，抗爆構(gòu)件采用的是彈塑性設(shè)計法，是利用爆炸過程中構(gòu)件產(chǎn)生變形來吸收并消耗能量，所以相關(guān)設(shè)計人員不得隨意變動計算結(jié)果，包括對抗爆墻的截面大小、混凝土及鋼筋的強度等級、配筋量等進行人為隨意加大更改，這是錯誤的設(shè)計理念。因為過大的配筋率會導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件有過大的剛度，相關(guān)構(gòu)件將會承擔更多爆炸力且減少塑性變形的能力，反而會引起安全隱患。