石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

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【摘要】以當(dāng)前較常見的石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計方式作為研究對象，對此類建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)、原則、目標(biāo)和應(yīng)用情況進(jìn)行分析。經(jīng)研究得：在石油化工建筑物抗爆設(shè)計過程中，需考慮爆炸源同建筑物的距離與方向，使用的建筑材料與建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)等多種因素，設(shè)計科學(xué)、合理的抗爆建筑結(jié)構(gòu)，以減少爆炸事故發(fā)生后的人員傷亡情況和產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟損失。

【關(guān)鍵詞】石油化工；抗爆建筑物；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1引言

石油、天然氣等當(dāng)前常見燃料發(fā)生燃爆時，會形成巨大的沖擊壓力波，會對周圍建筑造成爆炸荷載，使建筑結(jié)構(gòu)受到破壞損失，一旦建筑結(jié)構(gòu)受損，易對建筑物內(nèi)工作人員的生命安全造成巨大威脅。所以，在石油化工相關(guān)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需重視其抗爆設(shè)計，以提升建筑物的抗爆能力，保障建筑物內(nèi)工作人員的生命安全。本文主要從石油化工抗爆建筑物的基本概述，石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)、原則、目標(biāo)，石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用3個方面對當(dāng)前的石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計情況展開論述。

2石油化工建筑物抗爆設(shè)計基本概述

建筑物抗爆設(shè)計主要是指針對有發(fā)生爆炸可能的建筑物進(jìn)行有針對性的防爆、泄爆設(shè)計，并采取防爆構(gòu)造措施，進(jìn)一步降低爆炸對建筑物和建筑物內(nèi)工作人員的損傷，通過一定的泄爆措施，包括安裝自動噴水滅火設(shè)備、雨淋滅火設(shè)備等，在較短時間內(nèi)控制爆炸帶來的災(zāi)害，延長建筑物內(nèi)工作人員的安全轉(zhuǎn)移時間[1]。石油化工作為以石油、天然氣為原料的重要化學(xué)工業(yè)，其產(chǎn)業(yè)內(nèi)容主要涉及原油的裂解、重整、分離，以天然氣、輕汽油、重油為原料的合成工作等，其主要意義是為其他產(chǎn)業(yè)提供能源，同時相關(guān)合成產(chǎn)物也是化肥、合成材料的重要來源。石油、天然氣作為當(dāng)前主要的燃料物質(zhì)，其整體的燃爆風(fēng)險普遍較高[2]，所以，在石油化工產(chǎn)業(yè)的建筑設(shè)計中，需重視建筑物的抗爆設(shè)計，以降低石油、天然氣燃爆后對建筑物及建筑物內(nèi)工作人員的損害。

3石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)、原則和目標(biāo)

3.1石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)

我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2019年起草了《石油化工建筑物抗爆設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，同時明確指出，建筑物防火ArchitecturalandStructuralDesign建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計間距需滿足GB50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》（2018版），針對未進(jìn)行抗爆設(shè)計且建筑物受到爆炸沖擊波超壓≥6.9kPa或沖量≥207kPa·ms的建筑，需加強抗爆治理。即根據(jù)相關(guān)條例與標(biāo)準(zhǔn)可知，我國已對石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計有了更明確、更細(xì)化的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者在進(jìn)行建筑物的抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)、條例進(jìn)行基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以防止重大人員傷害，提升我國石油化工抗爆建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平[3]。

3.2石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

爆炸會在極短的時間內(nèi)釋放出大量能量，產(chǎn)生高溫，釋放氣體，致周圍介質(zhì)因高壓而產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)或狀態(tài)變化，具有極強的破壞性。所以，一旦石油化工產(chǎn)業(yè)相關(guān)建筑物內(nèi)或周邊發(fā)生爆炸，會對建筑物的結(jié)構(gòu)、安全性造成直接影響。在石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為提升建筑物整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和適用性，設(shè)計者需考慮下述5點原則：1）安全距離。建筑物間需有一定的安全距離[4]，在建筑物設(shè)計中，建筑結(jié)構(gòu)、材料延性、強度的不同，爆炸后的能力吸收能力也有所不同，設(shè)計者需根據(jù)爆炸能量吸收能力設(shè)定合理的建筑物間距，一般石油化工建筑物與爆炸源的間隔應(yīng)＞30m。2）建筑材料選擇。根據(jù)抗力函數(shù)、冗余度，盡量選取吸收能力大、延展性強的材料，以提升建筑物的抗爆炸能力。3）荷載組合。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計師需考慮風(fēng)荷載、爆炸荷載共同影響下，建筑物的抗爆能力設(shè)計。4）適用性。設(shè)計師還需考慮爆炸發(fā)生后，出現(xiàn)層位移、建筑物損傷情況下，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的適用性、安全度。5）安全性。石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性需盡量以下述幾點為主：（1）建筑物一般在爆炸源上風(fēng)處；（2）控制室、交接班室、機柜間等重要作用房間需盡量遠(yuǎn)離爆炸正壓力面；（3）盡量減小建筑物迎向爆炸源壓力的面。

3.3石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)

《中國石油發(fā)布既有建筑物抗爆治理指導(dǎo)意見》中有提及，建筑物抗爆設(shè)計的主要目的是防止重大人員傷害，所以，在石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需以減少人員傷亡和經(jīng)濟損失為主要目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需重視建筑物的抗連續(xù)倒塌性，為建筑物內(nèi)工作人員預(yù)留安全撤離通道，有效延長建筑物內(nèi)工作人員的安全撤離時間，避免建筑物因爆炸沖擊波所致破壞而出現(xiàn)連續(xù)倒塌問題，致建筑物內(nèi)工作人員無法有效撤離[5]。同時需重視建筑物的安全儲備能力和可修復(fù)性，進(jìn)一步降低爆炸所致的經(jīng)濟損失。

4石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

4.1建筑結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)上述可知，在同一抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不同延性、強度的建筑材料，其可達(dá)的爆炸能量吸收能力均有所不同，爆炸發(fā)生后，建筑物的損傷、倒塌程度均有所不同。所以，在實際的抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計者需根據(jù)建筑物的應(yīng)用場景選取更適宜的建筑材料。常見抗爆建筑結(jié)構(gòu)形式與適用抗爆范圍見表1。同時，受爆炸沖擊波影響，建筑材料需有一定變形能力，以維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.2荷載代表值同爆炸波的關(guān)系

荷載代表值是建筑設(shè)計中用以驗算極限狀態(tài)所采用的荷載量值。即爆炸瞬時形成的高壓爆炸波超壓，及爆炸后的氣體、粉塵對建筑物的影響。在實際爆炸過程中，爆炸波隨距離的延長，其強度呈逐漸衰弱趨勢，即一般情況下，建筑物與爆炸源距離較近者以受沖擊波作用為主，距離較遠(yuǎn)者以受壓力波作用為主，如圖1所示。一般相同抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下，壓力波對建筑物的損傷相對較小，因此，在建筑物的選址與設(shè)計中，需重視建筑物與爆炸源的距離設(shè)計。圖1中，td為沖擊波持續(xù)時間；t為時間；P為壓力值；P0為建筑物材料原承重壓力；Pso為入射超壓峰值；曲線P（t）為時間-超壓函數(shù)。圖1a表示建筑物在爆炸源附近，此時建筑物承載的爆炸波壓力形式為沖擊波，因距離近，此時建筑材料受到的壓力值驟然上升，并形成一個超壓峰值自由場，隨著時間的推移，爆炸形成的沖擊波逐漸減弱，最后在正負(fù)壓交替中逐漸衰減、結(jié)束。圖1b表示建筑物在爆炸發(fā)生遠(yuǎn)處，此時建筑物承載的爆炸波壓力形式為壓力波，隨著時間的推移及爆炸形成壓力的推進(jìn)，建筑材料承受壓力值從0開始緩慢上升，受距離影響，建筑材料所受壓力波超壓峰值低于沖擊波壓力峰值，與沖擊波類似，到達(dá)壓力峰值后隨時間推移，壓力波開始緩慢下降，無正負(fù)壓交替現(xiàn)象并逐漸衰減、歸0。

4.3建筑物材料的標(biāo)準(zhǔn)和強度

不同建筑材料的爆炸能量吸收力存在明顯差異。一般情況下，爆炸過程中，建筑材料變形速度越快，建筑材料的強度越強，承受爆炸作用力的能力越強。即在爆炸荷載作用下，構(gòu)件應(yīng)力呈快速上升狀態(tài)，此時，多數(shù)材料變形速率會達(dá)到高于最小屈服點的應(yīng)力值，此階段，材料強度明顯增加[6]。材料爆炸荷載狀態(tài)下的屈服強度Fdy計算公式為：Fdy=FyDIF·SIF（1）式中，F(xiàn)y為材料靜力受荷狀態(tài)下最小屈服強度值；DIF為動力增強系數(shù)；SIF為材料增強系數(shù)。根據(jù)式（1）對建筑材料的抗爆能力進(jìn)行綜合評估分析，在符合國家規(guī)定的條件下，選擇最適宜的建筑材料，以提升其整體的抗爆炸能力。

4.4建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的動力分析

在爆炸過程的建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)中，構(gòu)件關(guān)鍵控制截面的應(yīng)力隨材料的應(yīng)變而變化，即在動態(tài)響應(yīng)中，主要涉及可靠度指標(biāo)、動力分析方式這兩個設(shè)計點。其中，可靠度指標(biāo)方面，GB50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》給出明確定義和常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)，針對構(gòu)件的延性破壞、脆性破壞可靠度進(jìn)行了安全等級劃分，根據(jù)預(yù)選材料的可靠度指標(biāo)，分析評估建筑物的容許位移值，以保障抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度。動態(tài)分析方法方面，主要是針對構(gòu)件最大相對撓度、塑性鉸位置相對轉(zhuǎn)角、動力效應(yīng)向支座的傳遞、撓度、回彈效應(yīng)等指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以提升建筑物抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性。在分析方法方面，如針對單自由度體系SDOF動力分析模型，除采用F(t)=Ma+Cv+K[F(t)為以時間為變量的作用力；M為質(zhì)量；a為加速度；C為黏滯阻尼系數(shù)；v為速率；K為剛度系數(shù)；y為位移]這一模型計算公式外，還可以采用多自由度體系分析模型、高級分析方法、有限元分析方法等進(jìn)行動力分析，以便于在石油化工抗爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)指標(biāo)計算過程中，尋找計算方式的簡單性、精準(zhǔn)性間平衡。進(jìn)一步提升設(shè)計方案中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、有效性，從而有效提升、保障石油化工相關(guān)建筑物的抗爆效果。

5結(jié)語

綜上所述，與其他產(chǎn)業(yè)相比，石油化工產(chǎn)業(yè)的石油、天然氣存儲量普遍較高，燃爆風(fēng)險更大，所以，在石油化工相關(guān)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需重視建筑物的抗爆設(shè)計，并在設(shè)計過程中采用一定的抗爆、泄爆措施。同時設(shè)計者需嚴(yán)格按照當(dāng)前已發(fā)布的國家規(guī)定、條例進(jìn)行建筑物的抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保障建筑物抗爆設(shè)計的安全度和有效性。在實際應(yīng)用中，需以防止重大人員傷亡為主要目標(biāo)進(jìn)行石油化工防爆建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計，排除建筑物抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全隱患，提升建筑物的抗爆能力，使建筑物能達(dá)預(yù)期性能目標(biāo)，以有效保障建筑物內(nèi)工作人員的生命安全，減少石油化工企業(yè)的經(jīng)濟損失。

作者:謝占金 單位:中國石油工程建設(shè)有限公司青海分公司