福陆（中国）工程建设有限公司 上海 200050
摘要：现阶段，我国石油化工业日新月异，规模正在呈大型化、集中化、密集化的趋势发展，已形成现代化的化工业体系。然而，化工装置发生爆炸事故的危险性也随之增大，爆炸造成建筑物的破坏、人员伤亡和经济损失也随之增加，因此对装置区内控制室进行抗爆结构分析十分重要，应根据实际工程的特点对其进行计算分析和研究，提出设计建议，提高抗爆控制室的安全性，减少爆炸的损失及次灾害。
关键词：抗爆设计；冲击波荷载；爆炸荷载；延性比
引言
氢氰酸（HCN）是一种无机化合物剧毒物质，易于在空气中燃烧爆炸。合成精炼氢氰酸（HCN）的原料、产品及生产装置都很有特殊性，同时装置区配套有锅炉、罐组、热氧化炉、实验室、维修车间等等，若氢氰酸（HCN）发生泄漏及爆炸，就会在很短的时间内发生爆炸，产生爆炸冲击波，作用力度大、破坏范围广；同时，建筑控制室或机柜间也是全装置区核心心脏的一部分，同时兼顾着操作、控制、事故处理的中心，该区域一旦发生泄漏破坏，势必会影响整个厂区的安全生产，进而严重影响企业的健康平稳发展，甚至给国家带来严重不良的社会影响；因此，对精炼合成氢氰酸（HCN）装置厂区内的工艺控制室及机柜间，进行合理的抗爆设计至关重要。
1 爆炸荷载作用
化工行业建筑物的抗爆设计一般采用蒸气云爆炸模型，即当可燃性物质发生泄漏并形成蒸气云，极短时间内蒸气云在一个加速燃烧的空间内，达到可燃爆炸极限点，就会形成蒸汽云爆炸效应。
1.1 爆炸荷载分类
爆炸产生的荷载有两类：一类是爆炸破片的撞击力，另一类是爆炸冲击波超压。
爆炸产生的冲击波超压是化工控制室及机柜间等抗爆设计的主要采用的荷载，而冲击波超压则是冲击波压力高于大气压的那部分差值。从图1.1爆炸冲击波超压的作用过程曲线可以看出，爆炸冲击波压力值将随时间增加而呈现下降趋势，当它下降到低于正常大气压力值时，由于周围气体大气的压力变高，而往回进行，使得压力又逐渐增大到略高于大气压情况。在这个过程中，爆炸冲击波超压从峰值逐渐衰减为零，甚至为负值。其中Po为大气压，Pso为峰值入射超压。
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图1.1 爆炸冲击波超压作用曲线图
1.2 爆炸冲击波简化
为了简化抗爆设计，首先忽略负压部分的作用，可以把图1.1所示的爆炸冲击波超压作用曲线示意图简化为图1.2中所示的折线代表的近似形式，再采用等超压和等冲量原则进一步简化，得到如图1.2虚线新式的等效荷载。
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图1.2 简化的等效荷载冲击波超压作用曲线图
1.3 作用在建筑物上的爆炸荷载
爆炸冲击波具有机械波的特性，通过建筑物的整个过程主要表现三个阶段：第一阶段，爆炸冲击波首先到达建筑物的前外表面时（即面对爆炸源的外墙），前墙将承受反射冲击波的超压荷载的作用Pr。第二阶段，爆炸冲击波到达前墙表面后，继续向前行，将要进受到建筑物阻碍，爆炸冲击波将在建筑物表面上产生绕射作用，绕射后的爆炸冲击波超压Pa将逐步地作用到建筑物的侧面和屋面（顶面），最后，爆炸冲击波会在侧面及屋面完成绕射，以超压Pb作用其后表面上。
从爆炸冲击波的作用过程可以看出，抗爆控制室结构中的前墙、侧墙、后墙和屋面板等构件将直接承受爆炸动荷载的作用，梁、柱、基础等其他构件，则是通过墙、板构件的支座动反力间接承担爆炸力，因此，以下将重点详细介绍爆炸荷载的作用。
图1.3为建筑物前墙、侧墙、屋面及后墙上爆炸荷载作用示意图。
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图1.3 封闭矩形建筑物上的爆炸荷载示意图
H建筑物高度；B一垂直于冲击波方向的建筑物尺寸；
L一平行于爆炸冲击波方向的封闭建筑物外轮廓尺寸
2 控制室的抗爆设计水准
与常规的荷载（恒载、活荷载等）不同，爆炸作用具有空间上分布复杂、时间上作用随机和数值上量级较高等特点。实际上，爆炸作用的特点与地震作用十分相似，因此，我们可以考虑将抗震设计的一些理念应用到结构抗爆设计中。
建筑物抗震“三个水准”抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念。
在石油、化工行业范围内，进行抗爆设计主要实行“两水准”设计理念：
第一水准（简称水准一）：当控制室类建筑物位于爆炸危险区内，遭遇频率为10-3/年的爆炸事故产生的爆炸荷载作用时，可能受损坏经过稍加一般修理或不修理即可继续使用。
第二水准（简称水准二）：当控制室类建筑物位于爆炸危险区内，遭遇频率为10-4/年的爆炸事故产生的爆炸荷载作用时，建筑物的构件发生一般的普通损坏，但不至于倒塌，需要修理才能正常使用。
控制室类建筑物需要进行抗爆设计，可根据其使用功能及重要性综合确定设计水准。
3 抗爆控制室实例分析
依托某实际工程进行计算，该工程为机柜间结构设计，位于上海化工园区。建筑物体型为25.6m（长）X20.6m（宽）X6.5m（高），结构体系为单层框架-抗爆墙；外墙采用250mm钢筋混凝土墙，配筋为
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14@100；内墙采用200mm钢筋混凝土墙，配筋为
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12@150；屋面板厚150mm，配筋为双层双向
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14@150；柱子为500×500mm；混凝土等级均为C30；地坪为建筑重载地面，室内外高差600mm。基础采用标准的桩基承台（PHC500预应力混凝土管桩）加连系梁形式，外连系梁截面尺寸为1000x1200mm，内联系梁为500x1200mm。连系梁的作用是使得所有桩基承台变形协调，桩的水平抗力能够得到充分的发挥作用，抵抗爆炸荷载作用，因此连系梁设计时，应尽量增大其刚度。
3.1 爆炸荷载参数确定及计算
根据业主提供的爆炸安全分析报告可知，爆炸冲击波峰值的入射超压最大值可采用Pso=21kPa，正压作用的时间为to=100ms。根据《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012进行抗爆设计。
3.1.1 设计指标
根据GB50779-2012第5.7.2条，计算材料动力设计强度：
抗爆墙钢筋动力抗拉设计强度：
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=1.10×1.17×400=515（Mpa）
屋面板钢筋动力抗拉设计强度：
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=1.10×1.17×400=515（Mpa）
混凝土动力抗压设计强度：
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=1.0×1.19×20.1=24（Mpa）
混凝土动弹性模量Ecd=1.2Ec=1.2×3.00×10000=36000（Mpa）
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3.1.2 前墙抗爆设计计算
（1）前墙爆炸荷载：
前墙峰值反射超压：Pr =（2 + 0.0073 Pso）·Pso=（2+0.0073×21）×21=45.2（Kpa）
波速：U = 345（1+0.0083Pso）0.5=345×（1+0.0083×21）0.5=373.9（m/s）
反射压持续时间：tc = 3S/U=
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峰值反射压力：
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停滞压力：
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峰值动压：
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正压冲量：
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前墙正压等效作用时间：
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（2）前墙均布等效静荷载
根据GB50779-2012第5.6.3条，查允许延性比。
前墙的允许延性比
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墙厚
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，抗爆墙计算跨度
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，根据<<石油化工控制室结构抗爆设计及算例 >>表4.1的动力系数
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，根据4.1条
前墙均布等效静荷载
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（3）前墙内力计算
前墙的计算单元宽度可取1m，按两端简支进行计算。
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（4）前墙配筋计算
截面有效高度
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○1求界限受压区高度
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○2求截面的受压区高度
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可按单筋截面配筋。
○3求截面配筋面积
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○4受拉钢筋的配筋率
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实配
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14@100
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满足；
○5前墙弹塑性变形验算
查GB50779-2012表5.6.4得：前墙支座弹塑性允许转角变形
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毛截面惯性矩
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混凝土弹性受压区高度
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54.5（mm）
截面开裂惯性矩：
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平均惯性矩
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弹性变形
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弹塑性变形
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支座转角
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，满足规范要求。
3.1.3 屋面板抗爆设计计算
（1）屋面板爆炸荷载
根据《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012第5.3条，爆炸荷载参数计算如下：
冲击波波前波速：U = 345（1+0.0083Pso）0.5=345×（1+0.0083×21）0.5=373.9（m/s）
冲击波波长：
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峰值动压：
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屋面楼板的计算跨度
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，取1m宽为计算单元进行计算。
根据《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012第5.4.3条，可知爆炸冲击波平行或垂直于板跨
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方向
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查GB50779-2012图5.4.3得等效峰值压力系数
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屋面楼板有效冲击波超压
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屋面楼板有效冲击波超压升压时间
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屋面板正压作用的时间
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（2）屋面板均布等效静荷载
根据GB50779-2012第5.6.3条，查允许延性比。
屋面板的允许延性比
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板厚
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，
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，
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，根据<<石油化工控制室结构抗爆设计及算例 >>
查表4.9，得屋面板的动力系数
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板厚
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，
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，
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，查表4.10，得屋面板升压时间影响系数
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根据（4.2），屋面板的局部等效静荷载为：
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（3）屋面板内力计算
屋面板计算单元宽度取1m，按两端固定计算
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（4）屋面板配筋计算
截面有效高度
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○1求界限受压区高度
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○2求截面的受压区高度
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可按单筋截面配筋。
○3求截面配筋面积
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实配
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14@150
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；
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○4屋面板弹塑性变形验算
查《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012表5.6.4得：屋面板支座弹塑性允许转角变形
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毛截面惯性矩
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混凝土弹性受压区高度
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32.9（mm）
截面开裂惯性矩：
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平均惯性矩
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弹性变形
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弹塑性变形
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支座转角
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，满足规范要求。
综合上所述，在兼顾合理、安全、经济等诸多因素的条件下，本案例中选定的墙厚及配筋满足抗爆设计规范的要求。
4 结束语
通过本文实例计算可以看出，化工控制室的抗爆结构设计分析十分复杂，在实际工程设计中需借助计算机专业软件进行设计，在满足规范要求的前提下，反复计算，达到经济合理的条件；结构设计过程中也要特别注重概念设计，选择合理的结构体系尤为重要，要有充分的塑形变形能力、延性较好以及多余的抗力能力，同时要有较好的防止连续倒塌的能力。。
参考文献：
[1]石油化工控制室抗爆设计规范 GB50779-2012
[2]孙新 王铁红 石油化工控制室结构抗爆设计及算例