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摘要：设计为抗爆结构的机柜间应进行抗爆结构设计计算。采用规范相关计算公式对荷载传递路径上的抗爆构件逐个进行设计计算，在此基础上采用PKPM软件对抗爆机柜间进行整体结构设计和基础设计。计算结果表明：各构件取值均能满足规范相关要求，框架柱抗爆计算结果与常规计算结果几无差别，屋面梁抗爆计算结果为常规的2-4倍，机柜间整体满足抗倾覆要求。抗爆结构设计方法可供类似结构设计参考，同时应注重概念性设计。
关键词：机柜间；抗爆结构；设计计算；PKPM
1.概述
机柜问是用于安装仪表、控制系统机柜及其他设备的建筑物，具有生产操作、过程控制、安全保护、仪表维护、仿真培训、生产管理和信息管理等功能。同时机柜问具有如下特点：内部长期有人员；控制装置的中枢神经；所用设备价值十分昂贵。从其功能和特点来看，机柜间的重要性不言而喻。另一方面，石油化工装置大多易燃、易爆，爆炸是一个偶然荷载，其特点是是一旦出现，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。爆炸一旦发生所带来的经济财产损失不可估计，人身安全得不到保障，社会影响很大。因此，易燃、易爆石油化工装置内的机柜间应设计为抗爆结构，这就要求结构设计人员不得不慎重对待这一特殊结构，并进行严格的结构设计计算。
2.抗爆设计原则
机柜问的抗爆设计应遵循一定的设计原则，大致有以下几点：
（1）结构体系。抗爆机柜问宜采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，充分發挥各自特点，以便最大程度的抵抗爆炸荷载；尽量采用低矮的矩形建筑物，从而使所受爆炸荷载尽量较小。
（2）吸能。在爆炸动荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性状态，从而对爆炸荷载达到“吸能”作用。
（3）安全指标。建筑物的变形计算包含延性比、转角，其值均应在容许范围内，以便建筑物变形不至过大，在遭受爆炸荷载作用修复后仍可继续使用。
（4）承载能力极限状态。抗爆设计须考虑永久荷载、可变荷载和爆炸荷载三种荷载效应组合下的承载能力极限状态计算，其关系到结构全部或部分的破坏或坍塌，是满足结构安全性不可或缺的环节。
（5）概念设计。由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。
3.工程概况
新疆某项目的机柜问位于装置的爆炸危险区域内，根据要求应按抗爆机柜间设计，爆炸危险来源于建筑物宽度一侧。建筑物长41.7m，宽18.7m，高6.5m，建筑物平、立面图详见图1。基础埋深2.5m，基础底标高_2.900，基础高度0.8m，于标高1.400处设刚性地坪。机柜问采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，基础形式为筏板基础。
机柜间设计基准期50年，结构安全等级一级，结构重要性系数为1.1，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为O，10g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为II类，特征周期值为0.40s，建筑抗震设防类别乙类。50年一遇基本风压Wo=0.72kN/m2，地面粗糙度类别为A类，50年一遇基本雪压So=0.75 kN/m2。
4.爆炸荷载
4.1爆炸冲击波参数
因没有进行评估，爆炸冲击波峰值入射超压Ps0和正压作用时间td分别根据规范取值为21kPa、100ms。
波速U=345（1+0.0083Ps0）0.5=373.86 m/s
峰值动压q0=0.0032Ps02=1.41kPa
冲击波波长Lw=U×td=37.39 m
4.2作用在建筑物上的爆炸荷载计算
（1）前墙
峰值反射压力Pr=（2+0.0073 Ps0）Ps0=0.45.22 kPa
停滞压力Ps=Ps0+Cdq0=22.41 kPa，拖曳力系数Cd=1.0
反射压持续时间tc=3S/U=0.052s < td，取0.052s。其中S=min（H，B/2）
正压冲量Iw=0.5（Pr-Ps）tc十0.5Pstd=1.71 kPa，s
正压等效作用时间te=2Iw/Pr=0.076 s
（2）侧墙与屋面
Lw/L=0.90，查得等效峰值压力系数Ce=0，34
有效冲击波超压Pa=CePs0+Cdq0=6.58kPa，拖曳力系数Cd=-0.40
有效冲击波超压升压时间tr=L/U=0.11 s
（3）后墙
Lw/L=5.75，查得等效峰值压力系数Ce=0，90 有效冲击波超压Pb=CePs0+Cdq0=18.34kPa，拖曳力系数Cd=0.40
冲击波到达后墙时间ta=D/U=0.11 s
后墙有效冲击波超压升压时间trb=S/U=0.017s
5.结构设计
抗爆机柜问一般采用单层矩形建筑物，为框架剪力墙结构体系，其受力特点是框架和剪力墙共同承担竖向荷载，而水平作用主要由抗侧向刚度较大的剪力墙承担。从而抗爆机柜问的爆炸荷载传力途径为：水平向为剪力墙→屋面板→基础（剪力墙→屋面板→剪力墙→基础）；竖直向为屋面板→剪力墙→基础。因此，仅仅直接承受或传递爆炸动荷载作用的外围结构构件（剪力墙和屋面板）需进行抗爆结构设计。
5.1抗爆构件设计
5.1.1墙体
为减少爆炸荷载对基础的倾覆弯矩，抗爆墙与基础设计为铰接形式，从而抗爆墙可简化为两端简支的单跨受弯构件。取单位墙宽（b 1000mm）进行设计计算。
（1）截面参数计算
从作用在建筑物上的爆炸荷载来看，侧墙和后墙的爆炸荷载明显小于前墙，因而侧墙和后墙的厚度、配筋取值均同前墙即可。
5.1.2屋面
屋面计算方法与过程同墙体，不再赘述。其计算结果为：
屋面主梁延性比μ=1<[μ]=3
屋面主梁弹塑性转角0=0.22<[θ]=2°，满足变形要求。
屋面等效静荷载Rd2=35.40 kPa
5.1.3整体设计
采用PKPM软件对机柜问进行整体设计，为此将前墙等效静荷载按风荷载考虑，屋面等效静荷载按均布活荷载考虑。另外，材料强度需修改为动力设计强度，不考虑地震荷载和雪荷载，所有荷载分项系数和组合系数均修改为1.0，不考虑裂缝和挠度。
部分框架柱和部分梁的STAWE计算结果详见图2和图3，由图可知，框架柱的抗爆计算和常规计算结果几无差别，按照常规计算结果配筋即可；屋面梁的抗爆计算结果与常规计算结果相比较大，应按照抗爆计算结果配筋，为常规配筋的2-4倍。这样进一步证明仅仅直接承受或传递爆炸动荷载作用的外围结构构件（剪力墙和屋面板）需进行抗爆结构设计。
机柜间抗倾覆验算详见表1计算结果。
（a）常规设计
（b）抗爆设计
（a）常规设计
（b）抗爆设计
5.2非抗爆构件设计
规范要求，对不直接承受或者传递爆炸荷载的结构构件，可不考虑结构振动引起的动力作用，因此对内墙、与外围结构脱开的柱、中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用。该部分结构构件按常规设计即可，但仍需在构造上予以适当加强。
5.3基础设计
爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶，这一过程中，虽然结构的弹塑性变形能吸收部分爆炸能量，但仍有部分没有被吸收而传至基础。传至基础的荷载不仅有屋顶传下来的竖向爆炸荷载，最主要的还有外墙传来的水平向爆炸荷载，从而常规设计的基础尺寸不能满足地基承载力要求，更有建筑物倾覆和滑移的危险，故抗爆机柜间基础较常规来说较大，此外还需对抗倾覆和抗滑移进行严格验算。本工程根据前墙和屋面等效静力荷载，基于PKPM软件的设计计算结果为筏板基础。若采用框架柱可采用独立基础，也应设系梁以加强整体联系。
5.4小结
综上所述，在弹塑性状态下，机柜问各构件取值均能满足规范相关要求；框架柱的抗爆计算结果与常规计算结果几无差别，按常规配筋即可；屋面梁抗爆计算结果约为常规的2-4倍，配筋应按照抗爆设计；机柜间抗倾覆满足要求；本工程基础应设计为筏板基础。
6.结论
（1）抗爆机柜问应遵循一定的设计原则，并进行严格的结构设计计算，宜通过相关软件对结构整体进行动力分析计算，条件不具备时，应根据荷载的传递途径，对逐个构件进行分析计算。
（2）结构构件宜按弹塑性工作阶段进行设计，从而利用结构变形起到“吸能”作用。受彎构件应设计为强剪弱弯，防止脆性破坏。
（3）非抗爆构件虽不考虑动力作用，但应在构造上予以适当加强。
（4）抗爆机柜间基础设计除应验算地基承载力外，抗倾覆和抗滑移验算不可忽视。此外，基础设计应采取相关措施以加强结构的整体性。
（5）因爆炸的不确定性，在结构设计基础上，更应该重视概念设计，从总图布置、建筑布局、结构选型等多方面综合考虑。
关键词：机柜间；抗爆结构；设计计算；PKPM
1.概述
机柜问是用于安装仪表、控制系统机柜及其他设备的建筑物，具有生产操作、过程控制、安全保护、仪表维护、仿真培训、生产管理和信息管理等功能。同时机柜问具有如下特点：内部长期有人员；控制装置的中枢神经；所用设备价值十分昂贵。从其功能和特点来看，机柜间的重要性不言而喻。另一方面，石油化工装置大多易燃、易爆，爆炸是一个偶然荷载，其特点是是一旦出现，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。爆炸一旦发生所带来的经济财产损失不可估计，人身安全得不到保障，社会影响很大。因此，易燃、易爆石油化工装置内的机柜间应设计为抗爆结构，这就要求结构设计人员不得不慎重对待这一特殊结构，并进行严格的结构设计计算。
2.抗爆设计原则
机柜问的抗爆设计应遵循一定的设计原则，大致有以下几点：
（1）结构体系。抗爆机柜问宜采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，充分發挥各自特点，以便最大程度的抵抗爆炸荷载；尽量采用低矮的矩形建筑物，从而使所受爆炸荷载尽量较小。
（2）吸能。在爆炸动荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性状态，从而对爆炸荷载达到“吸能”作用。
（3）安全指标。建筑物的变形计算包含延性比、转角，其值均应在容许范围内，以便建筑物变形不至过大，在遭受爆炸荷载作用修复后仍可继续使用。
（4）承载能力极限状态。抗爆设计须考虑永久荷载、可变荷载和爆炸荷载三种荷载效应组合下的承载能力极限状态计算，其关系到结构全部或部分的破坏或坍塌，是满足结构安全性不可或缺的环节。
（5）概念设计。由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。
3.工程概况
新疆某项目的机柜问位于装置的爆炸危险区域内，根据要求应按抗爆机柜间设计，爆炸危险来源于建筑物宽度一侧。建筑物长41.7m，宽18.7m，高6.5m，建筑物平、立面图详见图1。基础埋深2.5m，基础底标高_2.900，基础高度0.8m，于标高1.400处设刚性地坪。机柜问采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，基础形式为筏板基础。
机柜间设计基准期50年，结构安全等级一级，结构重要性系数为1.1，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为O，10g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为II类，特征周期值为0.40s，建筑抗震设防类别乙类。50年一遇基本风压Wo=0.72kN/m2，地面粗糙度类别为A类，50年一遇基本雪压So=0.75 kN/m2。
4.爆炸荷载
4.1爆炸冲击波参数
因没有进行评估，爆炸冲击波峰值入射超压Ps0和正压作用时间td分别根据规范取值为21kPa、100ms。
波速U=345（1+0.0083Ps0）0.5=373.86 m/s
峰值动压q0=0.0032Ps02=1.41kPa
冲击波波长Lw=U×td=37.39 m
4.2作用在建筑物上的爆炸荷载计算
（1）前墙
峰值反射压力Pr=（2+0.0073 Ps0）Ps0=0.45.22 kPa
停滞压力Ps=Ps0+Cdq0=22.41 kPa，拖曳力系数Cd=1.0
反射压持续时间tc=3S/U=0.052s < td，取0.052s。其中S=min（H，B/2）
正压冲量Iw=0.5（Pr-Ps）tc十0.5Pstd=1.71 kPa，s
正压等效作用时间te=2Iw/Pr=0.076 s
（2）侧墙与屋面
Lw/L=0.90，查得等效峰值压力系数Ce=0，34
有效冲击波超压Pa=CePs0+Cdq0=6.58kPa，拖曳力系数Cd=-0.40
有效冲击波超压升压时间tr=L/U=0.11 s
（3）后墙
Lw/L=5.75，查得等效峰值压力系数Ce=0，90 有效冲击波超压Pb=CePs0+Cdq0=18.34kPa，拖曳力系数Cd=0.40
冲击波到达后墙时间ta=D/U=0.11 s
后墙有效冲击波超压升压时间trb=S/U=0.017s
5.结构设计
抗爆机柜问一般采用单层矩形建筑物，为框架剪力墙结构体系，其受力特点是框架和剪力墙共同承担竖向荷载，而水平作用主要由抗侧向刚度较大的剪力墙承担。从而抗爆机柜问的爆炸荷载传力途径为：水平向为剪力墙→屋面板→基础（剪力墙→屋面板→剪力墙→基础）；竖直向为屋面板→剪力墙→基础。因此，仅仅直接承受或传递爆炸动荷载作用的外围结构构件（剪力墙和屋面板）需进行抗爆结构设计。
5.1抗爆构件设计
5.1.1墙体
为减少爆炸荷载对基础的倾覆弯矩，抗爆墙与基础设计为铰接形式，从而抗爆墙可简化为两端简支的单跨受弯构件。取单位墙宽（b 1000mm）进行设计计算。
（1）截面参数计算
从作用在建筑物上的爆炸荷载来看，侧墙和后墙的爆炸荷载明显小于前墙，因而侧墙和后墙的厚度、配筋取值均同前墙即可。
5.1.2屋面
屋面计算方法与过程同墙体，不再赘述。其计算结果为：
屋面主梁延性比μ=1<[μ]=3
屋面主梁弹塑性转角0=0.22<[θ]=2°，满足变形要求。
屋面等效静荷载Rd2=35.40 kPa
5.1.3整体设计
采用PKPM软件对机柜问进行整体设计，为此将前墙等效静荷载按风荷载考虑，屋面等效静荷载按均布活荷载考虑。另外，材料强度需修改为动力设计强度，不考虑地震荷载和雪荷载，所有荷载分项系数和组合系数均修改为1.0，不考虑裂缝和挠度。
部分框架柱和部分梁的STAWE计算结果详见图2和图3，由图可知，框架柱的抗爆计算和常规计算结果几无差别，按照常规计算结果配筋即可；屋面梁的抗爆计算结果与常规计算结果相比较大，应按照抗爆计算结果配筋，为常规配筋的2-4倍。这样进一步证明仅仅直接承受或传递爆炸动荷载作用的外围结构构件（剪力墙和屋面板）需进行抗爆结构设计。
机柜间抗倾覆验算详见表1计算结果。
（a）常规设计
（b）抗爆设计
（a）常规设计
（b）抗爆设计
5.2非抗爆构件设计
规范要求，对不直接承受或者传递爆炸荷载的结构构件，可不考虑结构振动引起的动力作用，因此对内墙、与外围结构脱开的柱、中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用。该部分结构构件按常规设计即可，但仍需在构造上予以适当加强。
5.3基础设计
爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶，这一过程中，虽然结构的弹塑性变形能吸收部分爆炸能量，但仍有部分没有被吸收而传至基础。传至基础的荷载不仅有屋顶传下来的竖向爆炸荷载，最主要的还有外墙传来的水平向爆炸荷载，从而常规设计的基础尺寸不能满足地基承载力要求，更有建筑物倾覆和滑移的危险，故抗爆机柜间基础较常规来说较大，此外还需对抗倾覆和抗滑移进行严格验算。本工程根据前墙和屋面等效静力荷载，基于PKPM软件的设计计算结果为筏板基础。若采用框架柱可采用独立基础，也应设系梁以加强整体联系。
5.4小结
综上所述，在弹塑性状态下，机柜问各构件取值均能满足规范相关要求；框架柱的抗爆计算结果与常规计算结果几无差别，按常规配筋即可；屋面梁抗爆计算结果约为常规的2-4倍，配筋应按照抗爆设计；机柜间抗倾覆满足要求；本工程基础应设计为筏板基础。
6.结论
（1）抗爆机柜问应遵循一定的设计原则，并进行严格的结构设计计算，宜通过相关软件对结构整体进行动力分析计算，条件不具备时，应根据荷载的传递途径，对逐个构件进行分析计算。
（2）结构构件宜按弹塑性工作阶段进行设计，从而利用结构变形起到“吸能”作用。受彎构件应设计为强剪弱弯，防止脆性破坏。
（3）非抗爆构件虽不考虑动力作用，但应在构造上予以适当加强。
（4）抗爆机柜间基础设计除应验算地基承载力外，抗倾覆和抗滑移验算不可忽视。此外，基础设计应采取相关措施以加强结构的整体性。
（5）因爆炸的不确定性，在结构设计基础上，更应该重视概念设计，从总图布置、建筑布局、结构选型等多方面综合考虑。