结构-石油化工控制室抗爆设计规范在工程设计中的使用
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确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程 中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型等多方面
综合考虑。
抗爆结构设计步骤
3 爆炸危害性分析
标准做法
选址分析
4 空旷场地爆炸参数
7 构件荷载取值
11 分析方法
1 业主规定和标准
2 建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等
新的建筑物
现有建筑物
比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。
3) 单自由度等效体系计算
4)
计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，
计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。
抗爆结构设计
7. 侧墙在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算 ：
验算平面内外荷载相互作用情况下
2
2
di ai
以下将参考Design of Structures to Resist Nuclear Weapons Effects (ASCE MANUAL 42)分析一个单质点在 任意外加荷载作用下的响应，提供求解其运动及数值解过 程的一般性公式。
数值积分的方法
• 弹性无阻尼响应 单一质量M,在随时间变化的荷载F(t)作用，通过一个 刚度为K的弹簧固接在支座上，运动方程为
3）计算构件屈服挠度△y=Ru/K； 4）依据规范公式 5.6.6-1~5.6.6-2 计算构件的振动周期；
5）查规范附表 A 核算构件允许延性比。
使用图 A.1 三角形荷载下的极限抗力－延性比关系图解法时步骤： 假 定 构 件 截 面 及 配 筋 → 计 算 可 达 到 的 抗 力 Ru → 计 算 构 件 的 屈 服 位 移
假定墙基宽度， 1）建筑物抗倾覆验算； 2）建筑物滑移验算； 3）基础承载力验算
谢谢大家
系统的振动周期
T 2 M K
（式 7）
从 t=0 开始计算,通常情况下在此时刻的位移、速度 X (0) 0, X (0) 0、
加速度通过下式计算：
X(0) F(0) M
（式 8）
数值积分的方法
• 弹塑性反应
通常情况下，系统的抗力受构件屈服或塑性承载力限定在一个有限的抗力。 如上图所示，结构抗力 R 在 Ry 之前，与位移成比例变化，之后变形增加，抗
单梁考虑。 2) 根据假定的前墙构件截面及配筋，计算其抗弯承载力、抗剪承载力，比较后 得到构件的最大抗力 Ru
抗爆结构设计
3) 单自由度体系构件变形验算：
算法一：
根据构件最大承载力 Ru，结合构件截面及配筋， 1）依据规范公式 5.6.7-1~5.6.7-4，计算构件截面平均截面惯性距；
2）查附录 B，计算构件的有效刚度；
缘板。 3）考虑工况：
荷载沿建筑物长向作用（荷载沿建筑物宽度方向 作用不起控制作用），综合考虑前墙和后墙数值计 算分析结果的组合，即
屋面荷载=前墙反力-滞后ta时间的后墙反力。
抗爆结构设计
4) 假定屋面板厚、屋面配筋（用于抗剪）、翼缘配筋（用 于抗弯）。
5) 构件抗力计算： 计算抗弯承载力、抗剪承载力： 比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。
6) 单自由度等效体系计算 计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分
的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰 值响应及变位。
抗爆结构设计
6. 侧墙在平面内荷载作用下的计算：
侧墙在平面内荷载作用下为悬臂构件，将前墙及屋面荷载传递 给基础。
1) 假定截面及配筋：
2) 构件抗力计算：
计算抗弯承载力、抗剪承载力：
M X K X F (t) （式1）
其中，X为质量M的位移；
X 为质量M的加速度。
数值积分的方法
假定在某一给定时刻tm，单质点的加速度、速度及位移 已知，假定在这段时间间隔内加速度呈线性变化，需要求
tm时刻以后某一h单位时刻tn时的加速度、速度、位移及 荷载函数。
式 1 通过以上简化，变为下式：
di ai
2
do ao
2
1.0
是否满足。
（规范中未提及？且平面外荷载作用下的计算未按照数值积 分方法？）
抗爆结构设计
10.框架梁、柱及次梁计算 按照弹性状态，用PKPM程序设计。
抗爆结构设计
（五）基础设计：采用等效静力分析方法 1. 独立柱基础：用PKPM程序设计。 2. 剪力墙条基：
6
Xn
Xm
X m
h
1 3
X
m
1 6
Xn
h
2
X n X m 0.5 Xm Xn h
弹簧内力 Fs X n K
（式 3）
（式 4） （式 5） （式 6）
数值积分的方法
• 需注意，实践表明，时间间隔h尽量取0.05~0.1倍的振动周 期,或更短的时间间隔，而不应取大于0.25倍的振动周期， 以便获取荷载函数中任何较大的变化情况。
do ao
1.0
是否满足。（规范中未提及？）
公式中:
△d为计算变形（延性比或支座转角），△a为允许变形 （延性比或支座转角），i代表平面内变位，o代表平面
外变位。
抗爆结构设计
8. 屋面板在平面外荷载作用下的计算： 同弹性设计。
9. 屋面板在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算 验算平面内外荷载相互作用情况下
(规范公式5.4.2-1~5.4.2-5)
抗爆结构设计
侧墙及屋面： 有效冲击波超压Pa ，有效冲击波超压升压时间tr (规范
公式5.4.3-1~5.4.3-2)
抗爆结构设计
需要注意的是： L1——冲击波前进方向结构构件的长度。侧墙计算时，取单位墙宽；屋面计 算时，可根据荷载作用方向及需分析的构件，分别取屋面板的跨度或单位板宽、 屋面梁的跨度等; 后墙计算时，取 H（m）。
的计算，直至荷载超过 Ry。若已超过，忽略当前算出的弹簧的加速度、位 移、速度及荷载，返回到以前已知的运动参数，利用式 10 计算屈服即将发 生时新的加速度值。这时，需再次使用式 4 及式 5 分别确定当前的位移及 速度。 4．继续使用式 4.式 5 及式 10 计算运动参数，直至系统开始卸载，位移开始 减小。这个过程允许计算最大的非弹性变形。当最大位移已经达到后，就 不能再使用这些公式进行计算了，因为这些公式中并未完全考虑卸载过程。
抗爆结构设计
（一）收集设计基本资料：
了解建筑物在总平面的布置及方位，建筑资料、设计基 本条件、爆炸危害性报告提供的爆炸荷载取值。
抗爆结构设计
（二）设计简图： –对于封闭建筑物，爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶，
并通过各个结构构件传至基础。爆炸能量通过结构的 弹性变形，更为重要的是结构的塑性变形而被吸收。 没有被结构吸收的爆炸能量部分传至基础。 –抗爆结构设计中只限于外围结构构件直接承受爆炸动 荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板 等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构 造上予以适当加强（规范条文5.7.4）。 –在设计过程中，通常的做法是根据荷载的传递途径， 逐个构件进行分析。
3. 侧墙在平面外荷载作用下的弹塑性转角核算: 采用数值积分的方法分析。
4. 后墙核算: 同前墙核算步骤。
抗爆结构设计
5. 屋面板在平面内荷载作用下的计算 屋面板四面连续固定于外部剪力墙,将前墙荷载传
递给侧面剪力墙。 1）受力简图为两端固支（跨度取建筑物长度方向尺
寸）。 2）近似将屋面板看作带翼缘的∟型梁，墙体视为翼
MXn
KXm
X m
h
1 3
Xm
h2
1 6
Xn
h
2
Fn
（式 2）
数值积分的方法
则可解出
Xn
Fn
KXm
X m
h
1 3
M 1 K h2
Xm
h
2
建筑物功能要求 选择材料和结构体系
5
6
8
材料特性
10
9
初步假定构件尺寸
变形限值
业主 负责
等效静态
SDOF
13 基础设计
MDOF 12
结构分析
变形极限计算结果 是否满意？
满意
15 构造和详细设计文件
不满意
设计 工程 师负 责
14 附属物设计
数值积分的方法
数值积分法适用于任何荷载-时间曲线，采用与简化 方法相同的等效单自由度系数和耦合假定。它可以得出支 撑构件随时间变化的反力。
力不变。前面讨论的公式 1 变为下列形式： MX Ry F
（式 9）
数值积分的方法
使用以下等式计算时间 tn 时的加速度值,直到达到有限抗力。
X n
Fn Ry M
（式 10）
确定弹塑性抗力函数中最大变形的数值积分分析过程如下： 1．给定 t=0 时刻的位移及速度均为 0，根据式 8 计算此时的加速度。 2．分别根据式 3~6 计算弹簧的加速度、位移、速度及内力。 3．核实计算得出的荷载是否超过 Ry。若未超过，给定新的时间,继续第 2 步
《石油化工控制室抗爆设计规范》 在工程设计中的使用
2011年9月
目录
• 抗爆结构设计原则 • 抗爆结构设计步骤 • 数值积分方法 • 抗爆结构设计
抗爆结构设计原则
• 在爆炸动荷载作用下, 允许结构构件进入弹塑性状态。 • 抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，其变形的计
算包含延性比、支座转角的计算。 • 由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不
抗爆结构设计
算法二： 通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应， 从而得出峰值响应及变位，对构件弹塑性转角进行核算。
等效质量 Me = m*KLM = 2978 kg 定义时间增量为 dT = 0.0025 s
有效刚度 k = 23.73 kN/mm
时间
荷载
加速度
(s)
( kN )
( mm/s2 )
抗爆结构设计
• 后墙：有效冲击波超压Pb、冲击波到达后墙时间ta、有效 冲击波超压升压时间trb (规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)
抗爆结构设计
（四）抗爆构件的试算
1. 设定外墙参数：根据建筑物层高，依据规范确定墙厚。 2. 前墙核算 1) 计算模型：取 1m 宽的板，按照底部简支在刚性地坪处，上部简支在屋面板的
抗爆结构的设计简图
抗爆结构设计
（三） 爆炸荷载分析
1.给出建筑物的体型特征参数；
2.根据评估报告提供的超压Pso及作用时间td，按照规范给出 的公式计算爆炸冲击波参数，即波速、峰值动压、波长。 (规范公式5.3.2-1~5.3.2-3)
抗爆结构设计
3. 计算作用在建筑物上的爆炸荷载： • 前墙：峰值反射压力Pr ，前墙正压等效作用时间te
0.0000
244.18 81993.48
0.0025
wk.baidu.com
235.93 77861.14
…
…
…
Ru = 速度 ( mm/s ) 0.000 199.818 …
240.56 变形 ( mm ) 0.000 0.252 …
kN 抗力 ( kN ) 0.0 6.0 …
反力 ( kN ) 26.9 28.3
…
抗爆结构设计
y
Ru K
→由 te TN
、 Ru P
在表中查出μc→核算μc≤[μ]
→计算最大挠曲变形 max c y →计算支座转角θ→核算θ≤[θ]
抗爆结构设计
图A.0.3 三角形荷载下的极限抗力－延性比关系 Dy—屈服位移；Dm—最大位移；Tm—最大位移对应的作用时间； Ru—结构构件在给定截面及配筋时提供的极限抗力（ｋＮ）
综合考虑。
抗爆结构设计步骤
3 爆炸危害性分析
标准做法
选址分析
4 空旷场地爆炸参数
7 构件荷载取值
11 分析方法
1 业主规定和标准
2 建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等
新的建筑物
现有建筑物
比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。
3) 单自由度等效体系计算
4)
计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分的方法，
计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰值响应及变位。
抗爆结构设计
7. 侧墙在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算 ：
验算平面内外荷载相互作用情况下
2
2
di ai
以下将参考Design of Structures to Resist Nuclear Weapons Effects (ASCE MANUAL 42)分析一个单质点在 任意外加荷载作用下的响应，提供求解其运动及数值解过 程的一般性公式。
数值积分的方法
• 弹性无阻尼响应 单一质量M,在随时间变化的荷载F(t)作用，通过一个 刚度为K的弹簧固接在支座上，运动方程为
3）计算构件屈服挠度△y=Ru/K； 4）依据规范公式 5.6.6-1~5.6.6-2 计算构件的振动周期；
5）查规范附表 A 核算构件允许延性比。
使用图 A.1 三角形荷载下的极限抗力－延性比关系图解法时步骤： 假 定 构 件 截 面 及 配 筋 → 计 算 可 达 到 的 抗 力 Ru → 计 算 构 件 的 屈 服 位 移
假定墙基宽度， 1）建筑物抗倾覆验算； 2）建筑物滑移验算； 3）基础承载力验算
谢谢大家
系统的振动周期
T 2 M K
（式 7）
从 t=0 开始计算,通常情况下在此时刻的位移、速度 X (0) 0, X (0) 0、
加速度通过下式计算：
X(0) F(0) M
（式 8）
数值积分的方法
• 弹塑性反应
通常情况下，系统的抗力受构件屈服或塑性承载力限定在一个有限的抗力。 如上图所示，结构抗力 R 在 Ry 之前，与位移成比例变化，之后变形增加，抗
单梁考虑。 2) 根据假定的前墙构件截面及配筋，计算其抗弯承载力、抗剪承载力，比较后 得到构件的最大抗力 Ru
抗爆结构设计
3) 单自由度体系构件变形验算：
算法一：
根据构件最大承载力 Ru，结合构件截面及配筋， 1）依据规范公式 5.6.7-1~5.6.7-4，计算构件截面平均截面惯性距；
2）查附录 B，计算构件的有效刚度；
缘板。 3）考虑工况：
荷载沿建筑物长向作用（荷载沿建筑物宽度方向 作用不起控制作用），综合考虑前墙和后墙数值计 算分析结果的组合，即
屋面荷载=前墙反力-滞后ta时间的后墙反力。
抗爆结构设计
4) 假定屋面板厚、屋面配筋（用于抗剪）、翼缘配筋（用 于抗弯）。
5) 构件抗力计算： 计算抗弯承载力、抗剪承载力： 比较抗弯承载力及抗剪承载力，得到控制承载力R。
6) 单自由度等效体系计算 计算构件的刚度、屈服位移、振动周期，通过数值积分
的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应，从而得出峰 值响应及变位。
抗爆结构设计
6. 侧墙在平面内荷载作用下的计算：
侧墙在平面内荷载作用下为悬臂构件，将前墙及屋面荷载传递 给基础。
1) 假定截面及配筋：
2) 构件抗力计算：
计算抗弯承载力、抗剪承载力：
M X K X F (t) （式1）
其中，X为质量M的位移；
X 为质量M的加速度。
数值积分的方法
假定在某一给定时刻tm，单质点的加速度、速度及位移 已知，假定在这段时间间隔内加速度呈线性变化，需要求
tm时刻以后某一h单位时刻tn时的加速度、速度、位移及 荷载函数。
式 1 通过以上简化，变为下式：
di ai
2
do ao
2
1.0
是否满足。
（规范中未提及？且平面外荷载作用下的计算未按照数值积 分方法？）
抗爆结构设计
10.框架梁、柱及次梁计算 按照弹性状态，用PKPM程序设计。
抗爆结构设计
（五）基础设计：采用等效静力分析方法 1. 独立柱基础：用PKPM程序设计。 2. 剪力墙条基：
6
Xn
Xm
X m
h
1 3
X
m
1 6
Xn
h
2
X n X m 0.5 Xm Xn h
弹簧内力 Fs X n K
（式 3）
（式 4） （式 5） （式 6）
数值积分的方法
• 需注意，实践表明，时间间隔h尽量取0.05~0.1倍的振动周 期,或更短的时间间隔，而不应取大于0.25倍的振动周期， 以便获取荷载函数中任何较大的变化情况。
do ao
1.0
是否满足。（规范中未提及？）
公式中:
△d为计算变形（延性比或支座转角），△a为允许变形 （延性比或支座转角），i代表平面内变位，o代表平面
外变位。
抗爆结构设计
8. 屋面板在平面外荷载作用下的计算： 同弹性设计。
9. 屋面板在平面内、平面外荷载交互作用下的变形计算 验算平面内外荷载相互作用情况下
(规范公式5.4.2-1~5.4.2-5)
抗爆结构设计
侧墙及屋面： 有效冲击波超压Pa ，有效冲击波超压升压时间tr (规范
公式5.4.3-1~5.4.3-2)
抗爆结构设计
需要注意的是： L1——冲击波前进方向结构构件的长度。侧墙计算时，取单位墙宽；屋面计 算时，可根据荷载作用方向及需分析的构件，分别取屋面板的跨度或单位板宽、 屋面梁的跨度等; 后墙计算时，取 H（m）。
的计算，直至荷载超过 Ry。若已超过，忽略当前算出的弹簧的加速度、位 移、速度及荷载，返回到以前已知的运动参数，利用式 10 计算屈服即将发 生时新的加速度值。这时，需再次使用式 4 及式 5 分别确定当前的位移及 速度。 4．继续使用式 4.式 5 及式 10 计算运动参数，直至系统开始卸载，位移开始 减小。这个过程允许计算最大的非弹性变形。当最大位移已经达到后，就 不能再使用这些公式进行计算了，因为这些公式中并未完全考虑卸载过程。
抗爆结构设计
（一）收集设计基本资料：
了解建筑物在总平面的布置及方位，建筑资料、设计基 本条件、爆炸危害性报告提供的爆炸荷载取值。
抗爆结构设计
（二）设计简图： –对于封闭建筑物，爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶，
并通过各个结构构件传至基础。爆炸能量通过结构的 弹性变形，更为重要的是结构的塑性变形而被吸收。 没有被结构吸收的爆炸能量部分传至基础。 –抗爆结构设计中只限于外围结构构件直接承受爆炸动 荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板 等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构 造上予以适当加强（规范条文5.7.4）。 –在设计过程中，通常的做法是根据荷载的传递途径， 逐个构件进行分析。
3. 侧墙在平面外荷载作用下的弹塑性转角核算: 采用数值积分的方法分析。
4. 后墙核算: 同前墙核算步骤。
抗爆结构设计
5. 屋面板在平面内荷载作用下的计算 屋面板四面连续固定于外部剪力墙,将前墙荷载传
递给侧面剪力墙。 1）受力简图为两端固支（跨度取建筑物长度方向尺
寸）。 2）近似将屋面板看作带翼缘的∟型梁，墙体视为翼
MXn
KXm
X m
h
1 3
Xm
h2
1 6
Xn
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2
Fn
（式 2）
数值积分的方法
则可解出
Xn
Fn
KXm
X m
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1 3
M 1 K h2
Xm
h
2
建筑物功能要求 选择材料和结构体系
5
6
8
材料特性
10
9
初步假定构件尺寸
变形限值
业主 负责
等效静态
SDOF
13 基础设计
MDOF 12
结构分析
变形极限计算结果 是否满意？
满意
15 构造和详细设计文件
不满意
设计 工程 师负 责
14 附属物设计
数值积分的方法
数值积分法适用于任何荷载-时间曲线，采用与简化 方法相同的等效单自由度系数和耦合假定。它可以得出支 撑构件随时间变化的反力。
力不变。前面讨论的公式 1 变为下列形式： MX Ry F
（式 9）
数值积分的方法
使用以下等式计算时间 tn 时的加速度值,直到达到有限抗力。
X n
Fn Ry M
（式 10）
确定弹塑性抗力函数中最大变形的数值积分分析过程如下： 1．给定 t=0 时刻的位移及速度均为 0，根据式 8 计算此时的加速度。 2．分别根据式 3~6 计算弹簧的加速度、位移、速度及内力。 3．核实计算得出的荷载是否超过 Ry。若未超过，给定新的时间,继续第 2 步
《石油化工控制室抗爆设计规范》 在工程设计中的使用
2011年9月
目录
• 抗爆结构设计原则 • 抗爆结构设计步骤 • 数值积分方法 • 抗爆结构设计
抗爆结构设计原则
• 在爆炸动荷载作用下, 允许结构构件进入弹塑性状态。 • 抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，其变形的计
算包含延性比、支座转角的计算。 • 由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不
抗爆结构设计
算法二： 通过数值积分的方法，计算结构在不同时间的抗力及响应， 从而得出峰值响应及变位，对构件弹塑性转角进行核算。
等效质量 Me = m*KLM = 2978 kg 定义时间增量为 dT = 0.0025 s
有效刚度 k = 23.73 kN/mm
时间
荷载
加速度
(s)
( kN )
( mm/s2 )
抗爆结构设计
• 后墙：有效冲击波超压Pb、冲击波到达后墙时间ta、有效 冲击波超压升压时间trb (规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)
抗爆结构设计
（四）抗爆构件的试算
1. 设定外墙参数：根据建筑物层高，依据规范确定墙厚。 2. 前墙核算 1) 计算模型：取 1m 宽的板，按照底部简支在刚性地坪处，上部简支在屋面板的
抗爆结构的设计简图
抗爆结构设计
（三） 爆炸荷载分析
1.给出建筑物的体型特征参数；
2.根据评估报告提供的超压Pso及作用时间td，按照规范给出 的公式计算爆炸冲击波参数，即波速、峰值动压、波长。 (规范公式5.3.2-1~5.3.2-3)
抗爆结构设计
3. 计算作用在建筑物上的爆炸荷载： • 前墙：峰值反射压力Pr ，前墙正压等效作用时间te
0.0000
244.18 81993.48
0.0025
wk.baidu.com
235.93 77861.14
…
…
…
Ru = 速度 ( mm/s ) 0.000 199.818 …
240.56 变形 ( mm ) 0.000 0.252 …
kN 抗力 ( kN ) 0.0 6.0 …
反力 ( kN ) 26.9 28.3
…
抗爆结构设计
y
Ru K
→由 te TN
、 Ru P
在表中查出μc→核算μc≤[μ]
→计算最大挠曲变形 max c y →计算支座转角θ→核算θ≤[θ]
抗爆结构设计
图A.0.3 三角形荷载下的极限抗力－延性比关系 Dy—屈服位移；Dm—最大位移；Tm—最大位移对应的作用时间； Ru—结构构件在给定截面及配筋时提供的极限抗力（ｋＮ）