罗艳鸽
中石化宁波工程公司, 浙江 宁波 315103
摘要：改革开放以来，石油生产发展迅速，生产装置的危险系数逐渐提高，所开发的产品也变得越来越容易燃烧，容易爆炸，导致整个石油生产过程的安全系数大大降低。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。对于石油化工企业来说，通过对控制室结构进行分析后，极大提高防爆控制室的安全性能，减少爆炸的损失。
关键词：石油化工企业；抗爆控制；室结构设计
引言
随着信息技术的飞速进步，自动化控制技术开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展。近年以来，智能工厂、工业4.0、智慧制造的概念也深入人心。石油化工装置的控制室是具有生产操作、过程控制、安全保护、仪表维护等功能的核心建筑物，是实现智能化控制的关键，其重要性不言而喻。由于石油化工流程工业生产过程的特殊性，易燃易爆介质多，在高温高压的环境条件下，易发生爆炸。尤其去年以来，以江苏响水3.21爆炸为代表，全国各地发生了多起化工厂爆炸事故，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。事故状态下生产装置的可操控性越来越引起人们的重视。为保证事故状态下采取相应措施防止事故扩大产生次生灾害，目前大中型的石化装置控制室一般都采用抗爆结构。
1中心控制室设计概述
首先总图设计时，中心控制室宜布置在易燃易爆源全年最小风频的下风向，并与易燃易爆生产装置保持一定的距离，既不能太远也不能太近。距离太近，爆炸冲击荷载会非常大。距离太远，不利于节约用地及生产管理。目前，国内外公认的距离标准为不小于30m。建筑专业设计时，中心控制室的平立面应简单规则，在满足工艺、仪表、暖通等其他专业要求的前提下，高度尽量低，跨度尽量小。中心控制室的结构设计内容主要有三个方面：结构方案、结构计算以及施工图绘制。结构方案的制定需要综合考虑各专业的实际要求，在满足各专业的条件下，充分保证结构安全可靠。结构计算主要分为荷载计算、构件计算。荷载计算分为爆炸荷载和正常荷载两种形式。正常荷载可按常规取值，主要应用于框架部分的。爆炸荷载的确定主要包括两个参数：①冲击波峰值入射超压；②正压作用时间。在业主未提供这两个参数的情况下，石油化工装置可按蒸汽云爆炸模型，取冲击波峰值入射超压为21kPa，正压作用时间为lOOms。
2石油化工企业抗爆控制室结构设计分析
2.1爆构件的单自由度体系等效静荷载法
首先确定作用在结构上的等效静荷载：根据相关专业提供的爆炸冲击波峰值入射超压和正压作用时间以及控制室地坪以上尺寸的长宽高，按规范5.3~5.4节计算出作用在前墙的峰值反射压力Pr，峰值动压q0，停滞压力Ps，波速U，反射压持续时间tc，正压冲量IW，前墙正压等效作用时间te，作用在侧墙屋顶和后墙上的有效冲击波超压Pa、Pb等数值。以前墙为例，取竖向1m宽板带，上下铰支于屋面板和刚性地坪，按等效单自由度体系进行分析。假定抗爆墙厚度，配筋，材料强度等信息，可得出墙板弹性阶段的抗弯能力Mu，继而得到单位板宽的墙板能承受的均布压力Pu。按规范5.6节计算出单质点振动周期TN。根据以上计算结果查规范附录附图A.0.2求的延性比μ，其中Td应取te，Ru/P取Pu/Pr。查表得出的延性比应满足规范5.6.3条结构构件的允许延性比。当不满足时应重新假定构件截面及配筋。
2.2确定计算模型及构件试算
抗爆构件的设计过程为试算的过程。首先依据安评报告或规范给出的爆炸力，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结构体系的选择
合理的结构体系应选用抗爆墙与框架组合的形式，其中抗爆墙应与框架脱开布置，抗爆墙承担全部水平爆炸荷载，竖向荷载由框架承担。一些设计人员没有把抗爆墙和框架柱进行脱开设置，导致结构传力路线不清晰。如果抗爆墙与框架柱整浇在一起不脱开，二者相当于刚接，由于剪力墙刚度大，变形亦大，从而导致框架柱弯曲变形也很大，这对于抗爆结构是极其不利的。爆炸荷载越大，迎爆面框架柱变形破坏就越严重，一旦失去承受竖向荷载的能力，结构将发生倒塌。另外，抗爆墙与框架柱脱开后，上下两端宜应分别铰接于楼板和基础，做到只传递剪力而不传递弯矩。
2.4概念设计
基于力学计算，抗爆设计过程更应该重视概念设计。?抗爆设计中概念设计也是主要部分，其主要要求有：位置要尽量远离爆炸区域；选择合理的抗压结构形式；建筑物宜为一层，外墙不得有装饰物；剪力墙的间距、屋面板的长宽比不应大于2；外墙洞口应密封且能抵抗爆炸；外墙门窗为抗爆门窗；入口设置抗爆；抗爆构件宜与承重构件分开，抗爆构件允许进入弹塑性阶段，承重构件应保证处于弹性阶段；剪力墙两端和抗爆门门框墙应设暗柱加强；屋面板及外墙应双向配筋且配筋率不应低于规范要求；屋面板厚度不应小于125mm，墙体厚度不应小于250mm。上述概念设计是抗爆设计的前提，满足以上要求才能保证抗爆设计的经济合理，且在可接受的风险内。
2.5抗爆墙板的计算
采用墙柱分离式抗爆结构形式，抗爆墙板的计算简化为单向板。可采用世纪旗云或理正等结构设计工具软件进行计算。由于这些软件参数输入时无法调整混凝土的强度设计值，所以应先根据墙板和屋面板的受力状态，计算出混凝土的动力强度设计值，并与混凝土的设计值进行比较，在软件中输入相近的混凝土强度等级。墙板计算的荷载采用墙体的等效静荷载（Pr、Pa、Pb），支撑方式为上下铰接，屋面板计算的荷载采用楼板自重（恒载）和屋面板等效静荷载Pa（活载）的组合值，组合系数和分项系数均采用1.0，支撑方式应与实际情况相一致。对于无法调整钢筋的强度设计值，可在参数输入时输入构件所采用的钢筋等级，计算出配筋面积后，根据墙板和屋面板的受力状态，计算出钢筋的动力强度设计值提高的百分率，对软件计算出的配筋面积相应折减，采用折减后的配筋面积对构件进行配筋。
2.6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。
结语
作为抗爆结构，中心控制室建筑外形看似简单，但其结构设计却繁琐复杂。虽然石化装置发生爆炸的概率很小，但是结构设计必须做到安全可靠，这对结构设计人员提出了更高的要求。类似于地震作用，爆炸荷载也是一种偶然作用，充满复杂性和未知性，瞬时冲击力极大，因此结构工程师更应该重视抗爆的概念性设计。首先，结构方案的确定阶段要积极与其他专业进行沟通，为优化结构设计创造最有利条件。其次，采用的结构体系应具有冗余度多、塑性变形能力大、延性好的特点，确保中心控制室在爆炸时不发生脆性破坏而倒塌，继续发挥全厂指挥官的功能。
参考文献
[1]王皆伟.福建省某化工项目控制室结构抗爆设计[J].工程建设与设计，2015（5）:49-56.
[2]GB50079—2012石油化工控制室抗爆设计规范[S].北京:中国计划出版社,2012.