石化装置抗爆建筑物的侧墙及屋面爆炸荷载计算

石化装置抗爆建筑物的侧墙及屋面爆炸荷载计算
摘要：结合《石油化工控制室抗爆设计规范》（SH/T 3160-2009 及GB 50779-2012），同时参考美国的相关文献，介绍石化装置抗爆建筑物爆炸荷载的计算方法。

并提供相应的计算实例加以说明。

关键词：抗爆建筑物爆炸荷载计算冲击波前进方向结构构件的长度侧墙及屋面
1.石化装置建筑物抗爆设计现状
石油化工行业因其生产加工的产品大多有易燃易爆的特点，因此在生产过程中有发生爆炸的危险。

2009年之前，我国的标准规范还未对石化装置建筑物的抗爆设计做出明确的规定和系统要求，工程设计一般都不考虑抗爆设计。

即使考虑抗爆设计，工程设计人员大多参照国外的资料和工程经验进行设计。

随着石油化工行业标准《石油化工控制室抗爆设计规范》（SH/T 3160-2009）及国家标准《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779-2012）的陆续发布，对石化装置控制室等抗爆建筑物的抗爆设计进行了提纲挈领的阐述，结构设计人员在进行抗爆设计时有了相应的指导。

目前，新建的石化装置为保证在爆炸事故时，不影响生产装置的正常控制及事故处理，对在爆炸作用范围内的控制室、机柜间、变配电等大多需进行了抗爆设计。

2.抗爆建筑物爆炸荷载计算方法
用于确定爆炸荷载代表值的参数主要包括：①冲击波峰值入射超压PSO；
②正压作用时间td。

一般情况下该两项参数应由业主进行综合评估确定，若没有进行评估时，也可根据《规范》规定，取冲击波峰值入射超压21kPa，正压作用时间100ms；或冲击波峰值入射超压69kPa，正压作用时间20ms。

确定了以上两个基本参数后，可以通过《规范》规定公式求得作用在建筑物前墙、侧墙、屋面和后墙的爆炸荷载。

《规范》SH/T 3160-2009的6.3~6.4条（或GB 50779-2012的 5.3~5.4条）详细的给出了这些计算公式。

由于前墙和后墙的计算公式简单易于理解，本文对这两部分墙体的爆炸荷载计算不再进行介绍。

下面仅对侧墙及屋面的爆炸荷载计算进行详细说明。

从美国文献ASCE 的及UFC的中了解到，在对侧墙及屋面进行爆炸荷载计算时，考虑到爆炸冲击波在传播中作用于构件各部位的超压不均，为方便计算，引入参数L1（冲击波前进方向结构构件的长度）。

通过冲击波波长LW 跟L1的比值，得到相应的等效系数Ce（等效峰值压力系数），进而可计算得到作用于该构件的等效超压Pa。

2.1结构整体分析时侧墙和屋面的爆炸荷载
在PKPM或其他软件中三维建模时，由于考虑的是建筑物整体性，故侧墙及屋面的爆炸荷载应采用整片侧墙或屋面的等效超压值。

此时《规范》（SH/T 3160-2009或GB 50779-2012）中参数L1（冲击波前进方向结构构件的长度）应取L（冲击波前进方向建筑物的整体长度，详见图1）。

《规范》SH/T 3160-2009的6.3条（或GB 50779-2012的 5.3条）给出冲击波各参数计算公式如下：
a）波速U=345（1+0.0083 PSO）0.5(1)
b）峰值动压qo =0.0032 P 2SO(2)
c）冲击波波长LW=U*td (3)
图1. 建筑物尺寸图2. 侧墙及屋面荷载
对作用在侧墙及屋面上的爆炸荷载简化成图2模型。

再根据《规范》SH/T3160-2009的6.4.3条（或GB 50779-2012的5.4.3条）得到侧墙及平屋顶建筑物屋面上的有效冲击波超压Pa及t r升压时间计算公式：
a）侧墙及屋面的有效冲击波超压Pa=Ce*PSO – 0.4 qo (4)
b）侧墙及屋面有效冲击波超压升压时间t r = L1 / U (5)
上式中，等效峰值压力系数Ce ，按LW / L1 值查图3。

图3. 等效峰值压力系数Ce 的确定
2.2爆炸工况下侧墙和屋面构件分析时的爆炸荷载
在结构整体分析结束后，由于整个侧墙及屋面的平均超压值小于局部某些构件的超压值，故还应复核侧墙和屋面构件在本构件超压作用下的承载力。

2.2.1爆炸工况下侧墙板的爆炸荷载计算
在进行爆炸工况下侧墙板的爆炸荷载计算时，把侧墙板简化成两端分别支承于屋面板和抗爆墙基础（或结构地坪）的构件。

此时冲击波前进方向垂直于侧墙板跨度方向，故L1（冲击波前进方向结构构件的长度）可取单位墙宽，即L1=1m。

根据上述公式(1)~ (5)计算，即可得到侧墙板构件计算时所需的爆炸荷载值。

2.2.2爆炸工况下屋面的爆炸荷载计算
在进行爆炸工况下屋面的爆炸荷载计算时，需结合建筑物实际屋面梁的布置、爆炸冲击波的前进方向及需要分析的构件情况，分别取L1（冲击波前进方向结构构件的长度）为屋面板的跨度或单位板宽、屋面梁的跨度等。

L1的确定方法如下：
图4. 屋面结构布置图
根据图4假定的屋面结构布置图，需先判定屋面板构件为单向板还是双向板。

a）b/c > 2 则假定该屋面板构件为单向板。

在该状况下，根据如下所述冲击波前进方向，分别取L1值：
1）冲击波前进方向如图4中CASE A 所示箭头方向，则冲击波前进方向平行于屋面板构件的跨度方向。

此时L1= c（屋面板的跨度）
2）冲击波前进方向如图4中CASE B 所示箭头方向，则冲击波前进方向垂直于屋面板构件的跨度方向。

此时L1= 1m（单位板宽）
b）b/c 2，则该板为单向板。

同时由于冲击波前进方向平行于板跨方向，故取L1= c = 2 m。

则LW / L1= 37.4/2 = 18.7，查图3得：Ce = 1
由式(4)得：有效冲击波超压Pa=Ce*PSO – 0.4 qo= 1 X 21 – 0.4X 1.41= 20.44 kPa
由式(5)得：有效冲击波超压升压时间t r = L1 / U =2 / 374 = 5.3 ms
4．结语
本文结合《石油化工控制室抗爆设计规范》（SH/T 3160-2009 及GB 50779-2012），同时参考美国的相关文献。

主要讨论石化控制室等建筑物抗爆设计时，该建筑物侧墙及屋面爆炸荷载的计算方法。

明确在石化装置抗爆结构的侧墙及屋面爆炸荷载计算时，关键点在于弄清参数L1（冲击波前进方向结构构件的长度）的取值。

该参数L1取值需要注意以下三点：
1）分清所需抗爆荷载是用于结构整体性计算，还是用于复核侧墙或屋面构件的承载力。

结构整体性计算时，参数L1取冲击波前进方向建筑物的整体长度。

若采用《规范》GB 50779-2012中5.4.3条所述构件计算时的L1取值，所得爆炸荷载取值偏大，对结构整体计算偏于保守。

2）在计算侧墙板构件的爆炸荷载时，参数L1取单位墙宽。

3）在计算屋面具体构件的爆炸荷载时，需结合建筑物实际结构布置情况、爆炸冲击波的前进方向及所需分析的构件情况，采用《规范》GB 50779-2012中5.4.3条所述的构件计算时的L1取值。

参考文献：
[1] SH/T 3160-2009，石油化工控制室抗爆设计规范
[2] GB 50779-2012，石油化工控制室抗爆设计规范。