建筑物抗爆设计工程实例

建筑物抗爆设计工程实例

夏定贤

中石化石油工程设计有限公司山东东营257026

摘要：介绍了石油天然气站场建筑物抗爆设计的思路、缺省爆炸参数的确定方法、以及爆炸荷载的计算方法和建筑物整体结构的分析方法。

关键词：建筑物抗爆爆炸荷载等效静力分析

1前言

广西省某石油天然气站场建设项目在设计过程中，由于拟建场地的限制，为管输运维服务的辅助生产用房与油气工艺装置区距离较近，存在一定的危险性。为确保降低人员风险，业主委托国外工程咨询机构对该项目进行了量化风险评价（QRA），风险评价报告建议增强潜在爆炸超压影响范围内的部分墙体的抗爆能力。

由于本项目的量化风险评价报告中只提供了爆炸超压值，没有提供爆炸超压相应的正压作用时间，所以无法直接计算建筑物所承受的爆炸荷载。在无法获得正压作用时间的情况下，本工程的建筑物抗爆设计相关爆炸参数的进一步确定采用TNT当量的方法。

石油化工装置潜在的爆炸（主要考虑蒸气云爆炸）与一般的TNT爆炸存在差异性，相关通过蒸气云计算机模拟研究以及对真实爆炸的观察表明，采用TNT当量得出的结果，在距离爆炸源较近时超压偏大，而距离较远时超压偏小。考虑到本工程受爆炸影响较明显的建筑物离爆炸中心相对较远，所以在后续爆炸荷载计算中将选取较小的构件延性比对爆炸荷载进行修正。

2爆炸参数的确定方法

TNT当量的方法在本工程的应用思路是：选取可接受风险标准线对应的两条爆炸超压等级频率等高线，测算出这两条爆炸超压等高线距爆炸中心的距离，然后根据等高线对应爆炸超压值和距离计算爆炸的TNT当量，根据计算得的TNT当量计算其他的爆炸参数。

根据爆炸超压50mbar和70mbar的两条频率等高线距爆炸中心的距离，按照ASCEManual42的公式计算TNT当量过程如下：

计算公式：P=4120xW/r3-105xW2/3/r2+39.5xW1/3/r

上式中，

P-峰值爆炸超压，单位psi

W-TNT当量，单位lb

r-距爆炸中心的距离，单位ft

当P=50mbar=0.7252psi，r=64m=209.97ft，

求得W=59.64lb

当P=70mbar=1.0153psi，r=46.5m=152.56ft，

求得W=60.19lb

取W=60lb

爆炸正压冲量I=0.054xW2/3/r=0.8276/r

正压作用时间t0=2.2xW1/3=8.6ms=0.0086s

3作用在建筑物上的爆炸荷载

作用在建筑物结构上的爆炸荷载主要与构件的自振周期和距爆炸中心的距离有关，结构整体计算分析时，抗爆墙和屋面均采用现浇钢筋混凝土结构，作用在建筑物抗爆前墙、侧墙和屋面的爆炸荷载的计算示意图如下：

由于本工程T远大于t0，应取上表中R2的结果用于结构的整体分析。

4爆炸荷载效应组合与结构整体分析

当有爆炸荷载参与结构的整体计算分析时，风荷载、雪荷载、地震作用不应参与组合，屋面活荷载也可不计入。参考ASCEManual42和GB50779-2012的相关内容，本工程有爆炸荷载参与时的荷载组合按下列两种考虑：

1）DL+LL+BL

2）DL+0.5LL+BL

上式中，

DL-恒荷载标准值

LL-活荷载标准值

BL-等效爆炸荷载标准值

关于建筑结构的整体计算和分析，结构的相关抗力和变形应同时满足非爆炸工况下的常规计算和有爆炸荷载参与的计算。由于本工程建筑物离爆炸中心相对较远，爆炸冲击波作用在建筑物外墙和屋面的荷载较小，所以有爆炸荷载参与时建筑结构采用等效静力分析进行标准的弹性状态设计，这种方法的优点是在保证结构整体安全的同时极大地简化了计算过程。等效静力分析有时也叫等效风荷载分析。

本工程有爆炸荷载参与组合时具体的方法是：把3.3节计算的墙体等效荷载标准值按风荷载施加到PKPM计算模型外墙上，风荷载体形系数设置为1.0；屋面板等效荷载标准值按屋面活荷载输入计算模型；不计算地震作用，同时PKPM模型中荷载组合采用自定义组合。分析结果按满足标准的弹性状态设计的相关规范要求考虑。

对建筑结构分别进行有地震参与组合的常规计算和有爆炸荷载参与组合的计算后，对两个模型进行配筋包络。

5结束语

在本工程的实际设计过程中发现按照石油化工控制室抗爆设计规范（GB50779-2012）的公式，某些时间参数存在较大差异，峰值反射压力差别不大，由此得出的建议是：对于长宽高较小的单层矩形石油化工控制室类建筑物，在爆炸荷载较大时的抗爆设计使用国标规范GB50779计算结果较为精准；对于长宽高较大的多层建筑物，在缺少爆炸参数或建筑物离爆炸中心较远时，可以使用美标ASCEManual42的方法计算爆炸荷载，更为方便高效。

参考文献

[1]石油化工控制室抗爆设计规范（GB50779-2012）.中国计划出版社.2012.

[2]ASCEManual42.AmericanSocietyofCivilEngineers-DesignofStructurestoResistNuclearWeaponsEffects-ManualsandReportsonEngineeringPractice-Manual42.