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

王铁红等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 4 3 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 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1 3 2 0 0 2 摘 要 根据 石油化工控制室抗爆设计规范 ， 参照美标A S C E D e s i o f B 1 a s t R e s i s t a n t B u i ld in g s in P e t r o c h e m i c a l F a c i l i t i e s ，1 9 9 7 ，采用单自由度的动力分析方法 ，对抗爆控制室钢筋混凝土侧墙抗爆设计进行 解析 。 关键词 控制室钢筋混凝土侧墙抗爆设计动力计算弹塑性设计单自由度动力分析 随着石油化工生产装置规模的不断扩大，石 油化工生产装置高温、高压、易燃、易爆的特性， 装置发生爆炸 的可 能性 及危 险性逐 步升级。石 油 化工装置的控制室作为生产装置 自动化操作控制 的枢纽 ，操控 着整个装 置 的运行 状态 ，在爆 炸事 故 中必须确保控 制室结构不发生整体 破坏并能保 证人员的人身安全 ，避免结 构 出现 突然连续倒 塌 及由此产生的次生灾害，保证局部受损的结构构 件经过简单维护就可以恢复正常的使用功能，使 经济损失降至最低。这就要求控制室结构设计应 具备一 一 定的抗爆能力，满足现代化工生产装置的 需要。爆炸荷载为动荷载，具有偶然性，在爆炸 的瞬间会释放出巨大的能量，主要以冲击波或压 力波的形式作用于建筑物，使建筑物表面受到很 大的压力而损坏。控制室的抗爆受力体系由前墙、 侧墙、后墙及屋盖组成，其中，侧墙的受力 比较 复杂 ，本文重点讨论侧墙的抗爆设计。 1 侧墙 的动力弹塑性设计 1 1 定义 抗爆控制室的侧墙是根据爆炸源的方位定义 的， 爆炸冲击波的传播方向与墙体面方向 ( 矢量 的)平行的墙体，被称之为前墙，与之垂直的墙 体，被称之为侧墙，侧墙与前墙正交垂直布置。 1 2 受力特点 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臂构件，承受屋面板传 来的水平爆炸动反力；平面外计算模型可简化为 单跨竖向简支构件 ，一端 铰接于屋 面板 ，另一 端 与基础铰接，为达到侧墙与基础铰接 目的，侧墙 与基础连接节点处墙纵筋不直接锚人基础内，二 者采用 x型交叉钢筋连接。 1 3 动力分析方法 侧墙采用单自由度体系进行构件的动力分析， 其动力方程为 ： m+ KY= ( 1 ) = K ,JK L ( 2 ) 式中，K 为考虑 了荷载、刚度、质量 的传递系 数；K 为质量传递系数，计算方法见附录 D ；m 为构件质量 ，k g ；a 为质点运动加速度 ，m s ；K 为荷载或刚度传递系数，计算方法见附录 D ；K为 构件刚度，计算方法见附录D；Y 为质点位移，m； F 。 为作用在构件上的力 ( 时间的函数) ，N 。 1 4 弹塑性设计 爆炸冲击波是一种瞬间作用的巨大荷载，为 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，侧墙的弹塑性设 计需考虑以下三个方面：平面外按弹塑性设计， 其支座转角满足 0 0 ；平面内按弹性考虑， 其延性比满足 d = 1 ；侧墙平面内、外 共同作用 ，根据文献 3 ，侧墙平面 内、外共同作用 应满足相关公式( d ) i + ( e 0 ) O 1 。 2 侧墙的爆炸荷载 2 1 爆炸冲击波超压 与前墙不同，侧墙因与冲击波传播方向垂直， 故侧墙不承受水平反射压力，仅承受有效冲击波 王铁红：高级工程师。1 9 9 2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 ：( 0 4 3 2 )6 3 9 5 9 2 8 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m CH E MI C AL E NG I N EE R I NG DE S I GN 化 工设计 2 0 1 2， 2 2 ( 6 ) 超压作用 ，其爆炸荷载形式见图 l 。 P Pa 图 1 侧墙和屋面荷载 侧墙有效 冲击波超压按下式计算 ： P =C P +C d q 0 ( 3 ) 式 中，C 为等效荷载折减系数 ，按 L 和沿爆炸波 前进方 向构件长度 L查 S H T 3 1 6 0 2 0 0 9图 2 ；L 为爆炸 冲击波波 长，L =U t d ，i n ；C 为阻力 系 数 ，侧墙取 一 0 4 ；t 为升压时间，t =L U，s ；t d 为作用 时间，t ， d =L u+t d ，s ；P , o 为爆炸 冲击波峰 值入 射超压，k P a ；q 0为爆炸 空气动 压，q 。 一 0 0 0 3 2 P ，k P a 。 2 2 侧墙承受的屋面板动反力 当爆 炸波 作用 于建筑 物 的外墙 及 屋面 ，前 、 后墙可视为单跨竖向简支构件，前墙承受的爆炸 动荷载通 过支座动反力传 到屋面和基础上 ，屋面 板的平面内近似于两端固定支承在侧墙上的水平 深梁 ，侧墙平面 内承受 的爆炸动荷 载即为屋面板 的支座动反力。 3 算例 某石化 装 置控 制 室 建 筑 平 面 尺 寸 LB= 2 5 5 m 1 2 m，抗爆墙高为6 4 m，侧墙计算单元跨 度 L o = 7 4 Ill ，单层钢筋混凝土框架为抗爆墙结 构 ，基础埋深 1 5 m， 天 然地基 。由安全及 自控专 业提供爆炸源人射峰值超压 P =2 7 7 k P a ，作用 时间 t =l O O ms 。本工程混凝土采用 C 3 0 ，混凝土 容重取 y = 2 5 ，f o k = 2 0 1 MP a ， k = 2 O 1 MP a ，钢筋 采用 H R B 4 0 0 ，f v k = 4 0 0 M P a ， = 4 0 0 M P a ，抗爆 墙与基础采用 x型筋锚固，墙厚 h = 3 5 0 ra m，屋 面板厚 h = 1 5 0 ra m， 现采用动力计算方法对侧墙进 行抗爆设计。计算式中 A和 d分别代表侧墙平面 内计算截面简图中作为有效翼缘的前墙面积、后 墙面积、及其截面有效翼缘内的配筋面积和所在 形心与侧墙平面内形心轴的距离 3 1 侧墙荷载计算 3 1 1 平面外爆炸荷载 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 1 r l l 宽计算单元。 ( 1) 冲 击 波 波 前 速 度U = 3 4 5 (1 + 0 0 0 8 3 P ) “ = 3 8 3 m s 。 ( 2 ) 冲击波波长 L = U t d = 3 8 3 13 3 。 ( 3 )风载峰值动压 q 。 = 0 0 0 3 2 P 2 o = 2 5 k P a 。 ( 4 )侧墙计算单元跨度 L 。 = 7 4 rf l 。 ( 5 )爆炸波前进方向侧墙尺寸 L =l m，L L1=38 3。 ( 6 )查 S H T 3 1 6 02 0 0 9图 2得 等效 荷载折 减系数 C =1 。 ( 7) 侧 墙 峰 值 超 压 P =C e P +C d q 0= 2 6 7 k P a 。 ( 8 )侧墙升压时间 t =L 】 U= 0 0 0 3 s 。 ( 9 )侧墙有效作用时间 t d = O 1 0 0 s 。 ( 1 0 )侧墙峰值荷载 P o= P L o =1 9 7 6 k P a 。 3 1 2 侧墙平面内爆炸荷载 ( 1 )根据 S H T 3 1 6 0 2 0 0 9附表 D 1 得： 前墙 传 至屋 面 的弹性支 座 动反 力 Q = 0 3 9 R ( )+0 1 l F ( ) ；塑 性 支 座 动 反 力 Q ( )= 0 3 8 R( ， )+0 1 2 F ( ) ；弹 塑 性 支 座 动 反 力 Q( )= 0 3 8 5Rf l 1+01 1 5Ff I 1 。 ( 2 )根据 S H T 3 1 6 02 0 0 9附表 D 3得 ：屋 面板传至侧墙的弹性支座动反力 V ( ) = 0 3 6 R ( ) + 0 1 4 Q ( 1 ) ，其中 R ( ) 为抗力 ；F ( ) 为爆炸动荷载 。 ( 3 )根据前、后墙及屋面计算求得： V=1 7 3 3 9 k N ( 对应于侧墙跨中峰值挠度) 。 V =一3 9 8 1 k N ( 对应 于侧墙跨 中峰值反 弹 挠度 ) 。 这里因后墙作用与前墙反向，且前、后墙爆 炸冲击波超压存在时间相位差，因此忽略后墙传 来的荷载。 3 2 材料动力设计强度计算 ( 1 )强度提高系数 S I F ：混凝土取 1 0 ，钢筋 取 1 1 。 ( 2 )动力提高系数 D I F ：混凝土受弯取 1 1 9 ， 受剪取 1 0 ；钢筋受弯取 1 1 7 ，受剪 1 1 。 ( 3 )混凝土动力抗压设计强度 ： 厶 = S I F D I F厶 =1 0 X 1 1 9 2 0 1 = 2 3 9 MP a ( 4 )混凝土动力抗拉设计强度： = S I F o wf , =1 0 1 0 X 2 0 1= 2 0 1 M P a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王铁红等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4 5 ( 5 )钢筋动力设计强度 ： =S F D Ff r l =1 11 1 7 4 0 0= 5 1 4 8 MP a ( 6 )钢筋动力抗剪设计强度 ： = S I F D I F 厶 = 1 1 1 1 4 0 0 = 4 8 4 M P a 3 3 侧墙平面外计算 侧墙平面外直接承受侧面爆炸荷载作用 ，按 上下两端铰接的简支构件计算。 3 3 1 截面承载力计算 ( 1 )墙保护层厚度 C = 2 0 ram。 ( 2 )墙体竖向单侧实配钢筋面积：三级钢筋 1 8 1 5 0 A s=1 6 9 6 mm m。 ( 3 )截面有效高度 h 。 = 3 2 1 m m。 ( 4 )截面受压区高度 X= f d A s f b=3 6 5 ra m。 ( 5 )截面抗弯承载力 M = f d 。 b x( h 。 一x 2 ) = 2 6 4 1 k N m。 ( 6 )截面弯曲抗力 R b = 8 M p L o = 2 8 5 5 k N 。 ( 7 )截面抗剪承载力 V= O 7 f d b h 。 = 4 5 1 6 k N。 ( 8 )截面剪切抗力 R 。 =2 V= 9 0 3 3 k N。 ( 9 )截面极限抗力 R =R b=2 8 5 8 k N，R 1 2 Rb 。 3 3 2 确定允许变形 允许变形按 S H T 3 1 6 0 2 0 0 9 要求确定，因钢 筋混凝土构件宜按弹塑性工作阶段设计，受弯构 件的抗剪承载力应 比抗弯承载力高 2 0 ，R 1 2 R b ，因此 ，截面极限抗力 R =R b = 2 8 5 8 k N。 3 3 3 振动周期计算 ( 1 )弹性刚度计算 毛截面惯性矩： =b h 1 2=3 5 71 0 mi l l n=E E =6 6 7 c ： - h A, + n A - ( n A s + 2 b h o )：7 4 6 6 mm D 截面开裂惯性矩 ： I c r =b c 3+n A s ( h 0 一 c ) =8 2 5 1 0 。 m m 平均惯性矩： ， =( +， c ) 2= 2 21 0 I T lr l l 弹性刚度 ： K = 3 8 4 E ， 5 磊= 1 2 5 0 8 6 k N m ( 2 )等效质量计算 墙板质量 ： M ：y b h L o g=6 6 1 k N s 2 m 确定等效单自由度体系荷载 一 质量转换系数： 查 S H T 3 1 6 0 2 0 0 9附表 D 1 得 K M ，K L 。 弹性 ： K u f =KM K h： 0 5 0 6 4=0 7 8 塑性 ： K p ：KM p K ：0 3 3 0 5=0 6 6 弹塑性平均荷载 一质量转换系数 ： = ( 0 7 8+ 0 6 6 ) 2= 0 7 2 等效质量 ： = =4 7 6 k N s m ( 3 )振动周期 2丌 - o s 3 4 弹塑性变形验算 ( 1 )跨中弹性变形 f e =R K= 0 0 2 2 8 m。 ( 2 )作 用 时 间 t d=t +t d=0 1 0 3 s ，t d t = 0 8 3 7， R P。=1 4 5。 根据 t a t ，R P 。 ，查 S I - I T 3 1 6 02 0 0 9图 E 2 ，得延性 比 d =1 1 。 ( 3 )侧墙跨中弹塑性变形 f D = d f e = 0 0 2 5 1 m。 ( 4 )支座转角 O = a r c t a n( f o 5 L o ) = 0 3 9 。 1 2 Rb 。 3 5 2 振动周期计算 侧墙平面振动本身为单自由度体系，故不需 要采用转换系数。侧墙平面内是跨度相对较短的 深梁，刚度计算应考虑剪切变形影响，按单位集 中力 P = l k N计算顶部挠度。计算截面惯性矩时考 虑平面外荷载产生裂缝影 响，侧墙平面 内按弹性 考虑 ，墙厚度取一半。 ( 1 ) 混 凝 土 剪 切 模 量 G =E c 2 ( 1+1 I ) =1 2 5 00 MPa。 ( 2 )侧墙平面内截面宽度 b=h w 2：1 7 5 ram。 ( 3 )截 面有效翼缘计算宽度 b =4 h +h =1 7 5 0ram 。 ( 4 )截面有效翼缘内配筋 n A =3 9 5 9 3 m m 。 ( 5)截 面 惯 性 矩 I=b h 。 1 2+ A d = 6 5 3x 1 0 mm 。 ( 6 )单位荷载作用下的弯曲挠度 f m= p L o3 3 E 。 I = 6 8 9 X1 0一mm 。 ( 7 )单位 荷载作用下 的剪切挠度 = ( 6 5) p L o G A =1 6 91 0一mm。 ( 8 )有 效 刚 度 K=p ( f m+f v ) =4 2 0 3 4 4 7 k N m。 ( 9 )屈 服变 形 Y 。=R K =3 4 2 7 X 1 0 0 0 4 2 0 3 4 4 7：0 8 ram。 ( 1 0 )前 、后 墙 质 量 M =2 X 2 5 ( Lh w 1 0 0 0 ) 2 h w l O 0 0 X 2 9 8= 8 3 1 k N s 2 m。 ( 1 1 )屋面板质量 M2 =2 5 X ( Lh , l O 0 0 ) 2 h, l O0 0 XB 9 8 =57 7 k N s 2 m 。 ( 1 2 )侧墙 质 量 M3= y L 0 b h 2 g=3 9 6 k N s2 m。 ( 1 3 )侧墙平面内振动质量考虑 2 0 前后墙和 屋面板附加质量参与工作。 侧墙有效质量 M 。 = M 3 + 0 2 ( M 1 + M ) = 6 8 k N s2 m。 ( 14 ) 振 动 周 期 tn = 2 7r = 0 o 2 5 s 。 ( 1 5 )弹性动力支座反力 V = R 。 3 5 3 变形验算 按式 ( 1 )动力方程，进行积分求解得到。 ( 1 )跨中峰值挠度 Y = 0 5 ra m，峰值挠度对 应时间 t = 0 0 2 2 s 。 ( 2 )跨中峰值反弹挠度 Y =一 0 2 3 ra m，峰值 反弹挠度对应时间 t = 0 0 8 8 s 。 ( 3 )峰值动反力 V d = 2 2 0 0 3 k N ，峰值动反力 对应时间 t = 0 0 2 2 s 。 ( 4 )峰值反弹力 V d r =一 9 7 2 O k N，峰值反弹 力对应时间 t = 0 0 8 8 s 。 ( 5 )延性比 = Y m y = 0 6 4 ，构件处于弹性 工作阶段。 3 5 4 侧墙平面内外共同作用验算 考虑侧墙同时承受平面内剪切和平面外弯曲作 用， 采用公式 ( ) + ( O d O 。 ) ： l 进行验算 得到：( d 。 ) + ( I ) = 0 4 6 1 ，满足要求。 4 结语 石油化工控制室钢筋混凝土侧墙的抗爆设计 ， 不仅要考虑侧墙平 面外承载力作用 ，同时还要 考 虑侧墙平面 内的承载 力作用 ，平面 外按 弹塑性设 计， 通过限制支座转角得到保证，平面内按弹性 设计 ，通过延性 比满足设计要求 去实 现。在 此基 础上 ，侧墙的抗爆 设计还要 同时考虑平 面内、外 的共同作用 ，综合 考虑上述要求 ，单纯孤立 的验 算其中某一项，都会导致结构抗爆设计的不安全。 参考文献 1 S H T 3 1 6 0- 2 0 0 9 ，石油化工控制室抗爆设计规范 s 北 京 ：中国石化出版社 ，2 0 0 9 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ，混凝土结构设计规范 S 北京：中国 建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 3 AS C E D e s i g n o f B l a s t Re s i s t a n t B u i l d i n g s i n P e t r o c h e mi c a l F a c i l i t i e s ，1 9 9 7 ( 收稿 日期2 0 1 2一 o 9 一 l 3 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m