石油化工抗爆结构设计应用

石油化工抗爆建筑物结构设计应用[提要]由于石油化工行业工艺复杂化、装置大型化、规模扩大化等因素，化工设备出现爆炸事故的风险越来越高，设备爆炸时对化工建筑产生较高的冲击波荷载，为确保结构以及人员安全，结构应具有相应的抗爆能力。本文参考美国土木工程师协会编写的《石油化工抗爆建筑设计》介绍抗爆设计目标、爆炸荷载确定、动力材料响应准则和强度、结构可靠度指标、动力分析方法等内容，以构件计算实例介绍抗爆设计步骤。[关键词]石油化工抗爆建筑目标性能动力材料强度响应准则单自由度体系动力分析方法TheDesignApplicationofBlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilitiesAbstract：Petrochemicalprocesseshavebecomemorecomplexandplantshaveincreasedinsizethusincreasingtheriskofaccidentalexplosions,sotherequirementsfordesignofblastresistantarehigherandhigher.Toprotectlivesandbuildings,structureshouldhaveadequateresistantcapacityaccordingtoobjectiveblastloads.ThisarticleintroducetheASCE’sDesignofBlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilities,includethedesignobjective,blastload,dynamicmaterialstrengthandresponsecriteria,dynamicanalysismethod,etc.alsotheblastresistantdesignproceduresaredescribedwithaexample.Keywords:BlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilities;objectiveperformance;dynamicmaterialstrength;responsecriteria;SDOF;dynamicanalysismethod0前言石油化工设备在爆炸时会产生冲击压力波，对周边建筑形成爆炸荷载，即空气冲击波荷载，随着工艺复杂化、装置大型化、规模扩大化等影响，对结构工程师进行石油化工抗爆建筑物设计提出了较高的要求，选择适合的分析方法进行爆炸荷载作用下结构的动态响应分析，是结构设计的重点，本文结合美国土木工程师协会编写的《石油化工抗爆建筑设计》[1]讨论、介绍抗爆设计理念和方法。1抗爆设计前提爆炸荷载属于偶然荷载，根据荷载规范[2]的解释，爆炸荷载是由各部门以专业本身特点、按经验采用，并在有关的标准中规定。而国内目前尚未出台相关规范、标准，仅石油行业预计于2008年12月出台《石油化工控制室抗爆设计规范》。爆炸荷载的特点[3]是一旦出现，其值很大且持续时间很短，一般仅几个毫秒，在空气冲击波传播过程中强度衰减的很快。爆炸荷载代表值由空气冲击波时间-超压函数，建筑物几何形状、大小、所处方位确定。按照国际工程界的惯例，空气冲击波的峰值侧正向超压Pso和相应的正波阶段持续时间td由业主根据抗爆设计目标提供，结构工程师依此计算爆炸荷载代表值，并且选择适合的结构分析方法进行抗爆分析设计。2抗爆设计目标抗爆设计目标与化工建筑服役目标相适应，考虑设备爆炸后会造成人员伤亡和经济损失的可能性，原则上有三个目标，按优先次序分为：2.1建筑物在冲击波的影响下，结构及构件能保证建筑物内的人员生命安全；2.2当单个或局部构件破坏后，不应引起整个建筑物的连续倒塌，即整体结构应具备抗连续倒塌的能力，在设备爆炸后经过简单的加固、修复后，即可重新投入使用；2.3结构的安全储备能力充足，能够将爆炸造成的经济损失降至最低，甚至于不出现经济损失。3结构材料和结构型式化工建筑抗爆设计中需要达到的最重要性能指标是，结构在爆炸荷载作用下不能发生突然坍塌，在保持整体安全性的同时，具有一定的吸收爆炸能量能力，因此结构体系和材料必须具有足够的强度和延性，所以素混凝土、未配筋砌体等脆性材料不适用于抗爆结构中。唐在爆炸荷责载作用下玩，建筑物涂受到的冲位击相当于厌一定烈度窜的地震作蝶用，结构晴构件必须息具有足够梯的变形能粱力，以形护成逐步退城出整体承贡载能力的娃屈服机制鬼，目前钢号筋混凝土消被认为是风抗爆建筑孟最经济合族理的材料升，尤其是隐建筑物处泄于可能产状生高压和门高热的潜席在爆炸源沈附近时。球石油化工丰抗爆建筑离常用的结术构型式及易其适用范动围见依表趴1桌。途表摆1煤愿常用抗爆挪建筑结构课型式及适柄用范围册结构型式让适用范围占（最P掩so铁）爪钢结构财1ps悄i逢～丹3psi辫砌体结构抱1ps巴i淘～驶3psi着混凝土结隔构（预制桃混凝土挂雁板）市1ps饿i谋～捷10ps金i壮现浇混凝简土结构舱>7ps仗i革注地：汁1psi盐=6.8败68kP凉a搭。蜻4用堡爆炸波与兽荷载代表府值的关系扬抗爆建筑恒主要承受晋的爆炸形娱式有蒸汽配云爆炸、爽压力容器唉爆炸、浓份缩相爆炸级、粉尘爆爸炸等，这潮些爆炸最匆重要的特斜征就是被挑压缩的能寇量突然向义空气中释锡放，形成最瞬时压力若增加现象愁，即爆炸底波超压，熊传递到化杀工建筑物匠上时就形球成爆炸荷件载。犬由于爆炸彼波在空气耳中形成后租，其传播爹过程中强愁度衰减的曾很快，建差筑物随着广距离爆炸阁点的远近很不同，形俭成的爆炸拍波压力是稿不同的，竹一般情况狐下，爆炸绒在临近区挣域形成冲昏击波形式挑，在远离胞区域形成谅压力波形疫式：疾4.1聋锯冲击波：兼建筑物表夸面受到突栽然的、瞬方时的压力讽上升，形捞成一个超牲压峰值自叔由场，通舒过高幅衰抄减振动逐跪渐恢复正集常压力。胳冲击波在娃第一个正丈压阶段快盐速衰减后志会转变为看负压阶段流，其后在津正负压交义替中衰减咽结束。景4.2益探压力波：雾建筑物表趋面受到的踏压力逐渐株上升到超杀压峰值，世然后逐渐暂衰减结束肆。部分情线况下，在犬正压阶段站结束后会毕形成负压蠢力波。一舞般情况下霉，压力波裂超压峰值随低于冲击多波压力峰破值。厉两种爆炸诞波的表现巴形式见饲图骂1虚。愧图再1渣腿爆炸波的稍两种类型葛冲击波或疲压力波在磁负压阶段晴形成的冲捐击能量远盗远低于第傍一个正压眯阶段，对眠建筑影响走较小，通筑常在抗爆仓设计中可满以不予考卫虑。置用于确定齐爆炸荷载擦代表值的签参数主要圾包括：叙正波峰值意过府压言P哄so掌-鞭-么由业主提义供；动正波阶段创持续时搂间门t尿d那-惭-其由业主提箩供；撇相应的正雷波冲血量杀I剪o揪：池=0社.5P序so密t络d叠（三角形块波）逝=0汉.64木P馋so矛t霉d铲（半正弦馋波）脾=c河P腿so防t睁d傍（指数衰洲减波）搭P(t醉)丈：时般间俱-眠超压函数剖c犁：珠0.2~振0.甲5光之间，依缎据崇P毒so扯值选取。坚峰值反射水压俊力着P运r称：杨P语r巧=C渗r汤P闯so镜C熟r厚：反射系蜡数谷C呈r饮=2+0秤.007详3P卖so系(朴P谱so驱单闸位待kPa)慎=2网+0.0辫5P代so壮番(P勺so洽单缩位排psi)舅峰值动态秃压挂力帮q固0厨：碰q杰0饶=0.0裁032私P企so热2会(锯P困so蚀单辨位坊kPa)深=0泼.022派P洪so赔2很暮(P魔so绪单腥位担psi)积冲击波前晃进速腊度邀U版：购U=34垂5(1+饼0.00念83P警so续)逢0.5奸(标P乡so黄单剑位鞋kPa)昆=11荒30(1遮+0.0姿58P呼so厅)么0.5温(考P惯so窄单欠位寄psi)群爆炸波波暗长趁L匪w控：返L劲w架=U镜t厕d搬根据爆炸倍源与建筑兄物的相对岩位置，作棒用于建筑似物上的爆帮炸荷载分糠为正面荷剃载、侧面与荷载、屋霸面荷载和体背面荷载刑，见波图拔2腊。盏图弹2鞠配爆炸源与样抗爆建筑速的位置关糟系式5攀未材料响应狠准则和强包度泉爆炸动力脸荷载下的割材料响应下与静力荷傅载下有明驾显不同。酬在爆炸荷纹载作用下幕，结构首钳先会经历碧一个快速眉的加载过筒程，形成蹲构件应力杨快速上升结的状态，渴在这个过迎程中，材吓料的变形池速率一般吨会落后于恭应力加载析速率，这昆种响应方反式使材料储在最终破乌坏前达到简一个高于万最小屈服访点的应力钳值，形成纸材料强度惧增加的现正象。一般辛情况下，袋材料变形额（应变率股）越快，具材料强度欠提高越多针。材料强排度增加使纪结构动力福承载能力安超出静态已加载的能翠力，增加燥值约果为不10%~密30犁%唯，这个增绍加值用动愧力增强系椅数垫（毯DI忽F创）来衡量思。吼结构材料沃在爆炸荷咳载作用下泳产生强化院效应，可目以显著地塞提高结构正抗爆承载帮能力，并航且允许结捕构产渴生较大的薯塑性变形圾吸收爆炸滴产生的能点量，这与开常规荷载绕状态下结礼构材料保放持弹性状推态是不同援的。县另外，在参一般规范带和规程中竟，材料强美度是按照跑最低性能跨定义的，极在实际爆毛炸受力中灭，材料平莫均屈服强萌度会高于计规范中制款定的强度津，如钢材岛的平均屈全服强度比液规范定义盾的屈服强哑度增加旧约铅25奖%片，这个增土加值用材臭料增强系王数菠（茅SI三F券）来衡量防。礼则材料在嚼爆炸荷载炭状态下的疤屈服强度走为：拣F疑dy扣=F规y挥×(DI拨F)×(却SIF)式中：床F誓y伍：材料在绝静力受荷箭状态下最诵小屈服强靠度值；给DI杆F袋：动力增睡强系数；主SI箱F幸：材料增倘强系数。翅6役犯结构动态抖响应可靠集度指标泡在动态响穿应中，构川件中关键教控制截面轿的应力随材着材料应卧变而变化搬。在弹性孝区域中，劫截面中应狭变随着中地性轴位置虫而变化；恳弹性区域酬之外，杆墨件处于塑避性响应状叛态，整个怠截面的纤杂维应力会腔超出弹性制极限值，两此时，应摔力随着杆掏件的总应帅变保持恒屠定。钢构烧件在应变捕强化区域着会有所增抹加直至达运到最终动月力材料应办力，随后惜，应变快叉速增加，震纤维应力槐降低，直贩至构件破叨坏。薪在动态设踪计中，结萍构可靠度谨使用最大三变形来衡咬量，容许美位移值经驱实验得出银。容许位疤移值因结仪构型式、聋建筑材料蜘、建筑物聚所在位置帅、抗爆水丢准等而不攀同。结构罪响应评价割的基本指总标是单个衬构件的延政性系数和馅转角的评藏价，预期塞响应指标宝不能超出矮延性系数载和转角的慰容许值，蹦其中延性选系数是构闹件最大位窄移与弹性克极限位移摸的比值。选7扫意动力分析谱方法纲抗爆动力篇分析方法努需要在计漫算的精确茂性和简单胁性之间寻之求一种平铺衡。计算祸性能指标匙包括结构蜡构件最大怜相对挠度钢、塑性铰步位置的相贼对转角、累动力效应低向支座的主传递、挠韵度和回弹颜效应。贫抗爆设计即中基本分互析模型是缘单自由度乎体址系酒SDO篮F何动力分析太模肥型移(SDO留FMo畏del临for搂Dyna穷mic露Anal宝ysis育)父，见窄图库3薯。途图陈3S遥DO尽F象动力分析循模型膏该模型的高计算公式止为：杏Ma+C据v+Ky疤=F(t答)式中：仁M本：质量挖；缩犁撞贼a证：加速度禁；计演C柱：粘滞阻雾尼系数仔；沙旺v过：速率瞧；房吊K繁：刚度系记数投；展块冻y凝：位移；支F(t丧)碌：以时间滤为变量的盛作用力富；帮影在建略立获SDO国F刊平衡方程窃时，结构深的变形和狂应变要与各实际受力滩状态一致葛，所以在掘平衡方程惧中使用的漂刚度、质具量、力、拔抗力为等滩效刚度、钟等效质量需、等效力雄、等效抗弊力。朵动力分析段中，除了驻单自由度汇体系分析兼方法之外退，还有多毕自由度体季系分析模钱型、高级胞分析方法顽、有限元墨分析方法俩、实验分布析方法等安其他分析焰方法。倍8怒斧基本理念惕进行化工凳建筑抗爆臂设计时，疏一些重要晓的设计理付念是必须节遵循和考脑虑的，包沃括爆炸能窃量的吸收座、安全指诉标、荷载基组合、抗暗力函数、筒适用性以寿及最重要赴的一避点哑—枕—舰冗余度。说8.1彼茂爆炸能量粥的吸收呜强度和延愉性是保证节能量充分利吸收的必严要条件。蛛8.2域供安全指标督静态设计秤中安全指忽标的定义垃通常是强数度要求，奔而抗爆设少计中重要已着眼与应你变能的吸柴收能力，痒而容许的纲变形是衡奥量能量吸萄收能力的吐重要指标忧，所以在狸抗爆设计弄中，容许易变形是抗借爆设计中史的安全指镇标。奏8.3丛千极限状态董设计方法抄在抗爆设饰计中，使馅用极限状茫态设计方诱法。该方坡法提供了添预测结构瞎承受能力锻和破坏机型制的一种内现实的、渠全面的、槽可靠的手找段。丑8.4跑雪荷载组合忧由于爆炸分荷载的特果殊性，一重般不考虑内地震作用来和风荷载颜与爆炸荷槽载一起参粉与组合，王爆炸荷载不组合为：视S=1.搜0x(D伴L)+1铅.0x(妙LL)+付1.0x兴(BL)式中：贫D金L浸：永久荷闸载效应标枕准值；积获L背L竭：可变荷搏载效应标葛准值；惨税B等L萌：爆炸荷记载效应标盾准值。哪8.5挥瞧抗力函数鸦力与挠度谣的关系函时数是非线否性的，作姻为基本输扇入参数来遣进行单自由由度体系宣（跃SDO崭F呀）分析。岸8.6喇倍适用性搜抗爆设计比中结构适犯用性要求碌通常包括席构件挠度瓶、层位移卷、损伤等净级等。魂8.7锤药冗余度沃提供多条筝荷载传递健途径，保娃证在爆炸冻荷载下结侨构的抗连眠续倒塌能漆力。孕9萄颂构件抗爆危设计实例掘沙特延布蝴石化综合滥项目中的两中央实验肠室，建筑挥物碰长黎92肠m徐，潮宽章42袋m袄，考虑抗杯爆设计，跌建筑物正谜面超压朴为轰1.18沃ps啦i痕，徐即茎8.1k涝N/m抖2职，正压持稿续时间交为巧0.05寨se杜c悦。钢筋混帐凝土框架漏结构，外扯墙围护结肿构使用预莲制钢筋混肯凝土挂板它，计算高泻度怪为择5.3纽m锦，如吓图竟4劫所示，现梯对该预制灵钢筋混凝奴土挂板进盆行抗爆设君计。分图蚕4正标结构剖面持简图浓9.1庸刑爆炸荷载腔P抖so隆=1.1执8psi跃=1.1轿8×6.基868=诵8.1k秋Pa饼；蜡t洽d京=0.0蜂5sec速；袜U=11驻3宝0槽（坚1+0.丛058×孝1.1最8现）住0.5理=116蛇8ft/骆sec序（道356m坐/sec今）；氏L著w渠=U×帐t难d旗=356详×0.0吴5=17买.8千m晓；呜q赌0洞=0.0誉22(良P目so纺)泽2凉=0.0滔22×1吼.18垦=0.0无3psi发(0.2帅kPa耕)诉；苗P肢r床=(2+缠0.05孕P宽so界)宏P城so熟=(2+式0.05所×1.1遍8)×1堵.18寇=2.4核3psi扣(16.寸7滨kPa陡)到；栋取纷1贵m君板宽进行帜计算，税P亚0誓=5.3妖×1×1自6.7=疲88.5崭1k蝴N葡；有S=mi输n稿（摄42/埋2嫌，喝5.炕3诉）服=5.3坏m茫；玻t警c灭=3(S宾/U)=渔3×5.牢3/35竭6抽=0.0过45se悄c<t轮d三=0.0镰5se业c晶；背C洲d将=菊1娱；挣P雅s屡=P棉so敏+C啦d饶q枕0煎=1.1先8+1×翼0.03熟=1.2袍1psi谣=8.3拘kP挠a将；辜I师w卷=0.5承(P析r罪-P材s咽)t卵c疾+0.5长P坏s树t康d苹=0.0昨58ps纹i·se仗c衡；蛇t浩e弟=林2I叠w哪/P祝r沙=2×0槽.058酒/2.4言3=0.物048s因e河c店。声9.2降移材料参数积钢筋阿：挺6扔0哑级亚，珍fy=4视14MP宽a蹦；羡混凝土绒：免f玉c妄’升=35M仪P永a嘉；脸E摘s挪=199径948M脾P贝a停；向E阁c痛=278繁06MP阿a压；库n=E蝴s岩/E哗c注=7.1妇9碧。转9.3渣尿试选挂板陷尺寸雨试选择的育挂板厚阁为慰200m应m兆，受力配宇筋为双悬层筹D12@屿20命0护，构造钢年筋雷为饱D10@玻20侨0杰。妇9.4淘仗构件抗爆畏承载能力南计算斑[4]纽9.4.辅1袭胳按受弯构腥件计算位f林dy畏=1.1石×1.1仇7×41畏4=53观2.8M详P乔a这；狗f羽dc步’夕=1.0纤×1.1冷9×35侦=41.挣6MP搭a岂；济b=10苗00m嗓m贯；鬼d=20医0-40脂-6=1串54m睛m欣；萍A霞s灶=113猜×100零0/20去0=56亲5mm茫2还；秩ρ且=565击/(10乏00×2塑00)×励100%纳=0.2修8%周>置ρ爆min牵=0.1笨2车%基；歼a=A拾s赏f啊dy腔/(0.筹85f脾dc郑’蛾·b)费=565很×532质.8/(园0.85副×41.扎6×10港00)僻=8.5诱m木m酸；坏M暴p缓=M射n旱=A仿s测f窗dy著(d-a嗽/2)=帐45kN策·朋m复；为R村b锐=8M荒p挑/L=8丘×45/份5.3=刻67.9福k鸦N字。暮9.4.抚2涉拴按受剪计蔑算抗力页f僵dy盐=1.1索×1.1怎7×41筒4=53洗2.8M窗P鼓a北；牛f汤dc切’添=1.0争×1.1运×35=嚷38.5序MP伸a维；防V晋n耽=0.1币7(f疯dc柱’槐)疫0.5瓶bd山=0.1提7×(3血8.5)困0.5拥×0.5守×100围0×15小4罪=162戚.4k郊N建；旬Rs=蜂V无n稍L/(0肌.5L-米d)=3拌44.8太k珍N茅。爸9.翼5贺按弹塑性岔单自由度旬系统模型面进行动力沸分析者R会b政<R湖s瓦,熔取捐R微u踏=R使b小=67.誓9k援N义；龄查表得，枝动力响应有允许变形游值为：史θ纷d乓=1卸0衰。抽毛截面惯柔性矩计算趋：蚂Ig=b箱h愚3惑/12=般1000泪×200舰3葬/12=铃6.67膨×10帆8盒mm渴4湿；男开裂截面寄惯性矩计成算：蝴nA己s默=7.1期9×56瑞5=40崖62.4恶mm衡2夹；穿c={-朗nA声s斗+[nA厦s缎（忆nA巩s勾+2b挪d早）溪0.5球]}=3听1.5m竹m哄；渗I巴r激=bc铅3赞/12+雄nA减s生(所d-c)副2啊=0.7软1×10闷8雀mm勺4蔽。马平均惯性而矩为：史I树a慎=(I由g国+I碧c孟)/2=站3.69盒×10脱8侨mm臭4匠。榨刚度系数窑为：合K=38破4EI雾/相（雾5L缺3馆）删=539堪2kN/熄m杀；会y仇e付=R中u浩/K=6饥7.9/壤5392至=12.括6m尝m具；孔M=25水000×烧5.3×爹1×0.胃2/9.透8=27男04N·项s蓝2以/汪m污；怒弹性状态灰下叙，血K役LM泥=0.5单/0.6映4=0.灾7从8城；三塑性状态照下朗，氏K锄LM帽=0.3叹3/0.坝5=0.残6震6泛；饰取二者平裕均值倦，爷K睬LM找=0.7虽2惧；宾等效质路量禽M徐e吹=0.7般2×27常04=1甩947N土·s治2拔/疯m德；补震动周期挎t羊e供=鸭2御π陷(逆M互e融/K)=群0.11搁9猎s风；砌t宣e额/内t杂e加=拆0.04阅8/0.坚119=烂0.低4等；悼R盛u述/P魔0窝=67.弦9/88架.51=庄0.7乳7扛；骆据此查图严表得，动撒力最大挠酸度与屈服光挠度比值悠为环μ配d阵=1.毅5垮，帜于是得，遥最大挠度蛙为：俩y早m截=胖μ凯d赌·y营e遣=1.5诵×12.姨6=18刘.9m乳m售；色支座转角佛为：矛θ区d京=arc千tan(忆y斤m绝/0.5舒L)=0幻.4较0立<1灯0洁。据即，哭在准1.18户ps番i雄爆炸荷载拴下容，片200m湾m策厚预制钢种筋混凝土拐挂板满足滚抗爆设计纹容许位移专要求。抖10爷绢小结铅化工设备版发生爆炸吗事故虽然危是小概率惰事件，但质相关建筑昆如不进行镇针对性抗州爆设计，口就会存在裁严重的安纹全隐患