控制室抗爆结构概念设计及计算方法

控制室抗爆结构概念设计及计算方法,2013年11月,敬业，和谐，忠诚，进取,目录,1，抗爆结构概念设计2，抗爆结构计算方法3，例题4，主要节点,1抗爆结构概念设计,1.1一般要求与仪表、建筑等专业共同制定布置方案，尽量从方案上控制建筑物平立面布置的结构合理性和经济性。低矮单层建筑方案宜为首选，建筑平面宜为接近正方形的规整矩形；屋面梁跨度在满足操作要求前提下尽量小，房屋开间和次梁间距尽量接近；与抗爆墙相连的刚性地坪尽量不开大洞。,结构布置应保证有合理的传力路径，屋面板平面长宽比超过23时应考虑加设钢筋混凝土内墙（剪力墙）作为屋面在其平面内受力的中间支座；采用两层方案时中间层楼板要有足够刚度（保证长宽比不大于23）作为抗爆墙的中间支座。抗爆墙不作为屋面体系的竖向承力构件。即框架结构承受竖向荷载为主，抗爆墙承受水平荷载为主。,1.2充分利用构件的塑性耗能作用预选构件的截面和配筋时，建议在满足规范对于延性比和变形的要求前提下，尽量使构件进入塑性（即延性比1）使其能够充分耗能，降低传递给下一级构件的能量。构件进入塑性的程度宜有所区别，次要及容易修复的构件（如墙、楼板）延性比可取大一些，主要构件（主梁、柱）延性比看取小一些，直至按弹性设计。,爆炸作用下楼板变形,楼板变形较大，主次梁受损程度很小，楼板塑性变形“保护”梁,简谐荷载作用下结构的弹塑性反应,图a构件OA段为弹性阶段，AB段为塑性阶段，从B点开始反弹，然后绕O点（塑性变形点）做简谐振动。,爆炸荷载作用下结构的反应,图a中ym/ye即为延性比，阴影部分围成的面积与构件耗能成正比。可以看出越大，构件耗能越多，但构件塑性变形也越大。墙、板等构件发生塑性变形后不会导致结构失去竖向承载能力，且修复相对简单，所以值可以设计得大一些，而主梁的过大塑性变形可能导致结构倒塌，所以值可以设计得略小。对于柱，因为是拉压变形，延性较小，所以可以按照弹性阶段设计。图b为完全弹性构件，构件不耗能，所有能量全部传递给下一级构件。,例：屋面板跨度3000mm，板厚130mm，配筋双层配筋12125。爆炸冲击波参数如下：冲击波峰值入射超压21kPa，正压作用时间100ms。,计算出楼板的延性比=0.771，构件进入塑性阶段，支座反力峰值为35.9kN，比以上弹性设计降低25.5%，如下图所示。,从以上对比看出，构件进入塑性后，有明显的调峰作用。采用塑性设计，不仅屋面板本身造价降低，而且传递给下一级构件的“时程力”峰值减小，其设计明显优于弹性设计。同理，施工过程也应避免随意提高钢筋强度等级或加大纵向配筋面积，这样可能造成构件的弯曲抗力提高，不仅对构件强剪弱弯具有不利影响，同时可能造成构件不能按设计预期进入塑性，所以也是对结构不利的，应该予以避免。,1.3屋面构件布置屋面构件的跨度尽可能规整一致以简化分析计算，如果屋面构件存在多种跨度或支座形式，应分别选择截面、配筋并计算传递给下一级构件的“时程力”，不能简单地选择较大或较小跨度的构件进行分析并作为类似构件的配筋依据，否则可能造成不安全或不合理的设计。,某些梁板跨度的组合可能造成某些构件的振动位移不收敛情况，如下图所示。,次梁振动位移不收敛（次梁跨度6m，屋面板跨度3m）,次梁振动位移不收敛情况（次梁跨度6m，屋面板跨度3m）,次梁振动位移不收敛情况（次梁跨度6m，屋面板跨度3m）,分析认为是上一级构件传来的时程力周期与构件的振动周期吻合造成振动叠加的原因。抗爆分析中忽略了阻尼作用也是造成不收敛的原因之一，如果考虑结构阻尼作用，振动会逐步衰减的，这已经得到了计算的证明。对于这种情况，宜通过调整构件（如屋面板）跨度尽量避免不收敛情况的发生，以避免构件振动幅度大、振动衰减周期长的不利情况发生。,2.抗爆结构计算方法,2.1抗爆分析的系统误差：1).首先是爆炸荷载的估算误差，化工、石油化工装置的爆炸源多种多样、与控制室的距离也各不相同，所以规范给定的爆炸参数与实际情况会有较大误差；2).冲击波超压随时间变化采用直线段模拟具有一定误差；,3).将整体结构拆分为单独的构件从而采用单自由度体系分析，忽略了节点处各构件的相互作用和变形协调，具有一定误差；4).采用简化的两直线段模拟结构材料动力特性具有一定误差。,以上第2,3,4条均可以通过采用更复杂、更精确的计算方法、计算工具而提高其精度，但上述努力对整体结构的抗爆分析精度提高作用有限，因为第1条爆炸荷载的误差对结构计算的影响很大。所以，综合考虑分析精度和工程中分析计算的可操作性，推荐采用简化分析法进行抗爆结构的分析计算。简化分析法包括图表法、等效静荷载法和数值积分法。,2.2图表法当爆炸峰值荷载P和作用时间Td已知时，先假定构件截面及配筋，根据规范公式计算出极限抗力Ru和振动周期TN，再根据Ru/P和Td/TN查表得到延性比。图表法仅用于爆炸峰值荷载及随时间变化曲线已知的情况（墙和屋面板）。,2.3等效静力法其中：=2-1，=Td/TN当爆炸峰值荷载P和作用时间Td已知时，先假定构件截面及配筋，根据规范公式计算出振动周期TN，再假定延性比值，按上述公式计算出作用于构件上的等效均布爆炸荷载Qd。等效静力法同样仅用于爆炸峰值荷载已知的情况（墙和屋面板）。,2.4数值积分法爆炸荷载作用下忽略阻尼作用，则等效单质点体系的运动方程如下：MY+KY=F(t)弹性阶段MY+Ru=F(t)塑性阶段对于抗爆墙及屋面板，其爆炸荷载为已知直线，弹性和塑性阶段分别可以得出上述方程的解析解。而对于主次梁和柱，因荷载F(t)为不规则曲线，需要通过数值方法求解上述运动方程。,抗爆计算中的数值积分法就是确定一个很小的时间增量t（通常为振动周期TN的1/101/20)，用t时间段内各个物理参数的近似值代替理论值求解定运动方程的方法。求解过程中还要辅以弹性/塑性、受压/受拉（以指向建筑物内部的方向为受压）等状态的判断。数值积分法难以通过手工计算完成，需要通过软件编程来实现，以提高计算精度和计算效率。,2.5有限元分析法又分为整体结构的有限元分析法以及单个构件等效单自由度体系的有限元模拟法。因为在爆炸荷载作用下各构件之间节点的作用机理以及构件在弹塑性状态下的本构关系很难正确模拟，而且爆炸荷载本来就难以准确确定，所以整体结构的有限元分析法一般不用于工程设计。而单个构件的有限元分析主要通过计算机程序求解运动方程，其他步骤同数值分析法,3.例题,3.1图表法例：一单层抗爆控制室，平面尺寸为90mX36m，混凝土墙厚度b=350mm，混凝土强度等级为C35，钢筋fy=360MPa,层高H=6600mm.已知条件为：前墙Pr=45.22kPa，te=0.0764s,a.结构刚度计算毛截面惯性矩Ig=bh3/12=3.57E+09mm4砼动弹性模量Ecd=1.2Ec=37800Mpa弹性模量比n=Es/Ecd=5.29试配竖向受力钢筋18150，As=1696mm2/m则，参数n*As=5.29*1696=8975.98mm266.28mm,开裂截面惯性矩Icr=bC3/3+nAs(h0-C)2=6.35E+08mm4取毛截面与开裂截面惯性矩平均值：Ia=(Ig+Icr)/2=2.10E+09刚度系数K=384EcdIa/(5L3)=2.12E+04kN/mb.结构周期计算构件质量mb=重量/g=bhH/g=5.893kN.s2/m,因为结构反应是弹塑性的，在计算传递系数KL和KM时，取弹性和塑性计算的平均值KM=（KM弹+KM塑)/2=0.42KL=（KL弹+KL塑)/2=0.57等效质量Me=KM*mb=0.42*5.893=2.45kN.s2/m振动周期TN0.0893s,c.作用于构件上的爆炸荷载峰值计算1m单位宽度的爆炸荷载为:F0=PrHb1=45.226.61=298.45kNd.构件极限抗力计算钢筋动力强度fdy=rsif*rdif*fyk=1.1*1.17*400=514.8MPa混凝土动力强度fdc=rsif*rdif*fck=1*1.19*23.4=27.85MPa,按GB50010-2010第6.2.10条，将规范中的钢筋、混凝土强度设计值代换成相应动力强度混凝土受压区高度31.36mmbho=161mm因x2a,所以极限弯矩Mpc=fdyAs(h-a-a)=237.55kN.m则，弯曲抗力Rb=8Mpc/H=287.94kPa,强剪弱弯验算略极限抗力由弯曲抗力控制，极限抗力Ru=Rb=287.94kN.me.延性比及弹塑性转角验算对于前墙，荷载作用时间Td=te=0.0764s时间参数=Td/TN=0.0764/0.0893=0.86Ru/F0=0.96;按照此两个参数查GB50779对应的表格：查表得延性比=1.9弹塑性转角验算略。,3.2等效静力法条件同上，相应参数计算同上例。构件冲击荷载P，即对应的爆炸峰值荷载Pr。按上例P=Pr=45.22kPa;=Td/TN=0.86假定延性比=1.9，则=2-1=2*1.9-1=2.843.36kPa,相应跨中弯矩Mu=Qd*H2/8=0.125*43.36*6.62=236kN.mAsQd/(0.9fdy*h0)=236*10E6/(0.9*514.8/310)=1643mm2/m则实配18150，As=1696mm2/m，与上例计算结果接近。,需要注意的是，构件自振周期TN是与配筋相关的，一般先假定配筋计算出TN，然后再假定延性比，计算Qd及相应配筋后再与假定配筋相对比，如果相差较大要迭代计算（配筋对自振周期影响比较小，初步估算配筋相差50%左右对周期影响在5%以内）,3.3求解运动微分方程法作用于构件上的爆炸荷载、构件振动周期、构件的极限拉/压抗力等数据准备同图表法。可以采用下列两种方法求解运动方程：a.数值积分法，可采用土