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.pdf

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王铁红等探析石油化工控制室钢觞混凝土侧墙抗爆设计的动力计算方法
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探析石油化工控制室钢筋混凝土侧墻抗爆设计
的动力计算方法
王铁红孙新中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院吉林132002
摘要根据《石油化工控制室抗爆设计规范》,参照美标ASCE. Design of Blast Resistant Buildings in
Petrochemical Facilities,1997,采用单自由度的动力分析方法,对抗爆控制室钢筋混凝土側墙抗爆设计进行
解析。
关键词控制室钢觞混凝土侧墻抗爆设计动力计算弹塑性设计单自由度动力分析
逍着石油化工生产装置规模的不断扩大,石与基础铰接,为达到侧墙与基础铰接目的,侧墙
油化工生产装置高温、高压、易燃、易爆的特性,与基础连接节点处墙纵筋不直接入基础内
装置发生爆炸的可能性及危险性逐步升级。石油者采用X型交叉钢筋连接。
化工装置的控制室作为生产装置自动化操作控制
动力分析方法
的枢纽,操控着鼇个装置的运行状态,在爆炸事
侧墙采用单自由度体系进行构件的动力分析,
故中必须确保控制室结构不发生整体破坏并能保其动力方程为
证人员的人身安全,避免结构出现突然连续倒塌
Km a +Ky= F
及由此产生的次生灾害,保证局部受损的结构构
Kim=Km/K1
件经过简单维护就可以恢复正常的使用功能,使
式中,Km为考虑了荷载、刚度、质量的传递系
经济损失降至最低。这就要求控制室结构设计应
具备一定的抗爆能力,满足现代化工生产装置的
数;K。为质量传递系数,计算方法见附录D;m
需要。爆炸荷载为动荷载,具有倜然性,在爆炸为构件质量,kg;a为质点运动加速度,m/2;KL
的瞬间会释放出巨大的能量,主要以冲击波或压
为荷载或刚度传递系数,计算方法见附录D;K为
力波的形式作用于建筑物,使建筑物表面受到很
构件刚度,计算方法见附录D;y为质点位移,m;
大的压力而损坏。控制室的抗爆受力体系由前墙
F2为作用在构件上的力(时间的函数),N。
侧墙、后墙及屋盖组成,其中,侧墙的受力比较1.4弾塑性设计
复杂,本文重点讨论侧墙的抗爆设计。
爆炸冲击波是一种瞬间作用的巨大荷载,为
侧墙的动力弹塑性设计
充分利用构件的承载能力,吸收爆炸能量,构件
设计应按弹塑性工作阶段考虑,恻墙的弹塑性设
1.1定义
计需考虑以下三个方面:①平面外按弹塑性设计,
抗爆控制室的侧墙是根据爆炸源的方位定义其支座转角满足θa≤[6];②平面内按弹性考虑,
的,爆炸冲击波的传播方向与墙体面方向(矢量其延性比满足ルa≤「ル]=1;③侧墙平面内、外
的)平行的墙体,被称之为前墙,与之垂直的墙共同作用,根据文献3,侧墙平面内、外共同作用
体,被称之为侧墙,侧墙与前墙正交垂直布置
应満足相关公式(ua[p])+(6,/L])l2≤l
1.2受力特点
2侧墙的爆炸荷载
侧墙在爆炸荷载作用下呈双向受力状态,平
面内计算模型是一竖向悬臀构件,承受屋面板传
2.1爆炸冲击波超压
来的水平爆炸动反力;平面外计算糢型可简化为
与前墙不同,側墙因与冲击波传播方向垂直,
单跨竖向简支构件,一端铰接于屋面板,另一端故侧墙不承受水平反射压力,仅承受有效冲击波
王铁红:髙级工程师。1992年毕业于吉林建筑工程学院。现从事结构设计工作。联系电话:(0432)63959281。
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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2012,22(6)
超压作用,其爆炸荷载形式见图1。
侧墙承受平面内和平面外爆炸荷载的共同作
用。平面内承受前墙和后墙通过屋面板传来的动
反力,平面外承受爆炸产生的冲击波超压。侧墙
平面外取1m宽计算单元。
1)冲击波波前速度U=345(1
0.0083P
383
(2)冲击波波长L、=Ut。=38.3m
(3)风载峰值动压qo=0.0032P=2.5kPa。
图1侧墙和屋面荷载
(4)侧墙计算单元跨度I=7.4m。
侧墙有效冲击波超压按下式计算
(5)爆炸波前进方向側墙尺寸L1=1m,L/
P=CP+C
(3)L1=38.3。
式中,C.为等效荷载折减系数,按L和沿爆炸波
(6)査SH/T3160-2009图2得等效荷载折
前进方向构件长度L査SH/T3160-2009图2;L、减系数C。=1。
为爆炸冲击波波长,L=Uta,m;C。为阻力系
(7)侧墙峰值超压P。=C、P。+Cqo=
数,侧墙取一0.4;?.为升压时间,t,=L/U,s;ta26.7kPa。
为作用时间,ta=L/U+ta,s;P。为爆炸冲击波峰
(8)侧墙升压时间t,=L,/U=0.003s。
值人射超压,kRa;q。为爆炸空气动压,q≈
(9)侧墙有效作用时间t=0.100s。
0.0032P,kPa
(10)側墙峰值荷载Po=P,I=197.6kPa。
2.2侧墙承受的屋面板动反力
3.1.2侧墙平面内爆炸荷载
当爆炸波作用于建筑物的外墙及屋面,前
(1)根据SH/T3160-2009附表D.1得:
后墙可视为单跨竖向简支构件,前墙承受的爆炸
前墙传至屋面的弹性支座动反力Q=
动荷载通过支座动反力传到屋面和基础上,屋面0.39Ro+0.1Fo;塑性支座动反力Qo=
板的平面内近似于两端固定支承在侧墙上的水平0.38Ro+0.12Fco;弹塑性支座动反カQo=
深梁,侧墙平面内承受的爆炸动荷载即为屋面板0.385R(o+0.115F(o。
的支座动反力。
(2)根据SH/T3160-2009附表D.3得:屋
面板传至侧墙的弹性支座动反力V()=0.36R(o+
3算例
0.14Qo,其中R为抗力;Fe。为爆炸动荷载。
某石化装置控制室建筑平面尺寸L×B
(3)根据前、后墙及屋面计算求得:
25.5m×12m,抗爆墙高为6.4m,侧墙计算单元跨
V=1733.9kN(对应于側墙跨中峰值挠度)。
度L=7.4m,单层钢筋混凝土框架为抗爆墙结
V'=~398.1kN(对应于侧墙跨中峰值反弹
构,基础埋深1.5m,天然地基。由安全及自控专挠度)。
业提供爆炸源人射峰值超压P。=27.7kPa,作用
这里因后墙作用与前墙反向,且前、后墙爆
时间2=100ms。本工程混凝土采用C30,混凝土炸冲击波超压存在时间相位差,因此忽略后墙传
容重取γ=25,fo=20.1MPa,fk=2.0lMPa,钢筋来的荷载。
采用HRB40,f=400MPa,fn=400MPa,抗爆3.2材料动力设计强度计算
墙与基础采用X型筋锚固,墙厚h,=350mm,屋
(1)强度提高系数SIF:混凝士取1.0,钢筋
面板厚h,=150mm,现采用动力计算方法对侧墙进取1.1
行抗爆设计。计算式中A和d分别代表侧墙平面
(2)动力提高系数DIF:混凝土受弯取1.19
内计算截面简图中作为有效翼缘的前墙面积、后受剪取1.0;钢筋受弯取1.17,受剪1.1。
墙面积、及其截面有效翼缘内的配筋面积和所在
(3)混凝土动力抗压设计强度: