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摘 要 简述了控制室抗爆设计的缘由，结合实际工程介绍了控制室抗爆结构设计时爆炸荷载取值及荷载组合、设计方案的确定原则等。
关键词 抗爆设计 爆炸荷栽 刚性地坪 概念设计
1 控制室抗爆概述
近年来，由于工艺生产装置技术的发展，对装置自动控制水平的集成化程度也不断得到提高。我们知道，炼油、化工厂中许多生产装置均具有易燃易爆的特点，为保证在任何情况下对生产装置的正常操作和安全开停车，最经济有效的方式是总图规划时将控制中心设置在远离装置爆炸区的范围内。但是，控制中心与装置之间距离过大必将增加管线与电缆的造价，占地面积也相应增加，而控制中心距离装置较近则需要考虑爆炸力对控制室的影响，即对控制室进行抗爆设计，因此有关控制室的选址应该进行必要的技术经济分析。有时当总图布置受实际场地及诸多原因的影响，只能设置在距装置较近的地方时，为保证生产装置的正常操作，必须对控制中心建筑物进行抗爆设计。
2 本工程控制室介绍
本设计为某石化分公司储运系统控制室，长31.5米，宽15米，高5米（平、立、剖面图见图1、2、3）。一层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总建筑面积为593.55平方米。室内设置有控制室、机柜间，同时还设置有辅助设施。平面布局规整，整体外观简单大方，有利于整体结构的抗震、抗爆。
目前国内还没有专门针对控制室抗爆设计的标准和规范，有关《石油化工控制室抗爆设计规范》的编制工作正在进行。因此本设计以国外相关规范、标准为主要参考依据，结合国内相关标准及其它参考资料进行。
3 爆炸荷载取值及组合
抗爆建筑工程成本远远高于普通建筑，经统计，一般为普通框架结构建筑物的2.5至4倍。对于布置在装置区域内的控制室，国外的做法是先由专业咨询公司根据相邻装置在设计基准期内可能发生爆炸的概率、爆炸的类型及其可能产生的破坏特征等，综合作出该控制室的安全评估报告，其中提出可能的爆炸力的详细情况，作为该控制室抗爆设计的依据。
由于国内尚无这样的专业咨询公司，也没有相应的标准规范。根据行业标准《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》[6](SH3006—1999)，自控专业提供的有关抗爆结构的定义是“建筑物能够承受在100英尺(折合30．48米)以外装置的爆炸(爆炸的能量相当于一吨的TNT炸药)，发生中等程度的结构破坏，但没有倒塌。其意图是遭受这样的爆炸时，仍能保证人身的安全和工厂的操作。”
分析石化装置中的可能爆炸源有两类：一是由装置中的设备或压力容器爆炸引起的；二是由大面积可燃气体聚集，达到一定浓度时引起的爆炸，即蒸汽云爆炸理论VCE(Vapor Cloud Explosion)，VCE是石化企业中最常见的爆炸形式。
根据文[1]，对一吨TNT距爆炸源100英尺处作用于控制室的爆炸峰压超值的推算，第一类爆炸其爆炸力取值为：最不利正面墙体峰压超值为21Kpa，反射压为42Kpa，作用时间为25毫秒，侧墙为14Kpa，背面墙体为7Kpa，屋面压力取10Kpa；第二类爆炸，文[2]中OLA(美国石油保护协会)推荐的爆炸力取值分两种情况：第一种情况最不利正面墙体峰压超值为21Kpa，作用时间为100毫秒，第二种情况最不利正面墙体峰压超值为69Kpa，作用时间为20毫秒，两种情况屋面压力仍按10Kpa考虑。结合规范[6]的规定，综合取OLA推荐的第一种情况下的爆炸力作为本工程设计计算依据。
爆炸与地震作用相似，也是一种偶然作用。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)第3.2.6条规定：偶然荷载的代表值不乘分项系数，而且在荷载组合时，抗爆荷载不应与地震作用、风荷载或其它类似荷载同时组合，可采用的基本组合是：1.O恒+1.0活+1.0爆炸作用。
4 设计方案
由于爆炸发生的复杂性和不确定性，设计时首先树立概念设计重于结构计算的思想尤为重要。结合控制室的平面布置，将本工程设计的主要方案阐述如下：
(1)在总平面布局中尽量考虑将控制室布置在远离装置的位置，与甲、乙类装置的距离不得小于30米。建筑平面选择方形平面，整体刚度大，爆炸荷载相对较小。在平面布置中至少设置两个安全出口，以提高人员疏散的可靠性。
(2)在材料及设备的选用上以防火、抗爆为基本原则，建筑门窗选用抗爆门窗，同时外门的耐火完整性不得小于1.0小时。室内玻璃隔断选用金属框架及安全玻璃。
(3)采用框架-剪力墙结构型式。控制室外墙即为钢筋混凝土剪力墙(墙厚度300或400rlam)，设置于框架外侧，由其直接承受水平爆炸作用，将爆炸荷载传递至基础。建筑物屋顶采用现浇钢筋混凝土板，以传递外墙传来的爆炸荷载。保证在爆炸发生时框架结构受损较小，整个结构处于非弹性状态而不倒塌。
(4)为减少水平爆炸力在基础上产生过大弯矩，在室内地坪下适当位置(一般取活动地板下)设置一道钢筋馄凝土地板，我们称之为刚性地坪(厚度200mm，双层配筋)。这样，一方面减少了墙体构件的计算长度，使构件内力减少；另一方面减少了基础内力，也加强了控制室的整体性刚度。
(5)在设计中除根据结构受力需要设置多道钢筋混凝土剪力墙外，还有不少砖砌体墙，为了保证在爆炸力作用下该部分墙体的稳定性，通过设置钢筋混凝土构造柱和圈粱的方法对墙体进行加强。柱与圈粱的设置构造可参考抗震结构规范但要严于该规范为宜。
(6)对控制室整体结构的抗倾覆、抗滑移计算。一般来讲，单层或宽度较大的多层控制室结构抗倾覆均可满足要求；在滑移计算中应考虑的抗滑移荷载有上部爆炸荷载与竖向恒荷载(包括基础及其上土重)所产生的摩擦力、地基土的被動土压力，滑移荷载为水平爆炸作用。根据分析，水平爆炸作用力由于正面墙体的变形(消能)在进行滑移计算时可以乘以折减系数0.7。
5 总结
通过本设计，对抗爆结构总结如下：
(1)控制室的房间布置不同，则其结构方案可能不同。国外的原则做法是：由外部钢筋混凝土墙体承受水平爆炸作用，竖向荷载应尽可能由单独设置与剪力墙分开的钢筋混凝土柱粱体系承受。
(2)根据相关规范，控制室应按乙类建筑物设计。结合本工程抗震设防烈度为8度，则根据(建筑抗震规范)(GB50011—2001)，无论框架还是剪力墙其抗震等级均不应低于二级构造。
(3)控制中心周边装置不同，控制室距装置爆炸源距离不同，则应考虑的爆炸力不同。较为合理的做法是应针对具体情况进行控制室的安全评估。
(4)牢固树立概念设计重于结构设计的理念。
(5)在结构设计中，爆炸等偶然荷载作用下应考虑结构材料强度的提高以及地基验算时地基承载力提高。
(6)在抗爆结构的抗滑移计算中，应充分考虑地基土的被动土压力。若按一般基础埋深无法满足要求时，可通过加深基础埋深和设置地下钢筋混凝土墙等方法增大被动土压力，以此满足抗滑移要求。
参考文献
1 蒋津 控制室抗爆设计的冲击波超压 石油化工建筑设计 1999
2 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 1995
3 建筑结构荷载规范(GB50009—2001)
4 混凝土结构设计规范(GB50010—2002)
5 建筑抗震设计规范(GB50011—2001
6 石油化工控制室和自动分析器室设计规范(SH3006—1999)
关键词 抗爆设计 爆炸荷栽 刚性地坪 概念设计
1 控制室抗爆概述
近年来，由于工艺生产装置技术的发展，对装置自动控制水平的集成化程度也不断得到提高。我们知道，炼油、化工厂中许多生产装置均具有易燃易爆的特点，为保证在任何情况下对生产装置的正常操作和安全开停车，最经济有效的方式是总图规划时将控制中心设置在远离装置爆炸区的范围内。但是，控制中心与装置之间距离过大必将增加管线与电缆的造价，占地面积也相应增加，而控制中心距离装置较近则需要考虑爆炸力对控制室的影响，即对控制室进行抗爆设计，因此有关控制室的选址应该进行必要的技术经济分析。有时当总图布置受实际场地及诸多原因的影响，只能设置在距装置较近的地方时，为保证生产装置的正常操作，必须对控制中心建筑物进行抗爆设计。
2 本工程控制室介绍
本设计为某石化分公司储运系统控制室，长31.5米，宽15米，高5米（平、立、剖面图见图1、2、3）。一层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总建筑面积为593.55平方米。室内设置有控制室、机柜间，同时还设置有辅助设施。平面布局规整，整体外观简单大方，有利于整体结构的抗震、抗爆。
目前国内还没有专门针对控制室抗爆设计的标准和规范，有关《石油化工控制室抗爆设计规范》的编制工作正在进行。因此本设计以国外相关规范、标准为主要参考依据，结合国内相关标准及其它参考资料进行。
3 爆炸荷载取值及组合
抗爆建筑工程成本远远高于普通建筑，经统计，一般为普通框架结构建筑物的2.5至4倍。对于布置在装置区域内的控制室，国外的做法是先由专业咨询公司根据相邻装置在设计基准期内可能发生爆炸的概率、爆炸的类型及其可能产生的破坏特征等，综合作出该控制室的安全评估报告，其中提出可能的爆炸力的详细情况，作为该控制室抗爆设计的依据。
由于国内尚无这样的专业咨询公司，也没有相应的标准规范。根据行业标准《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》[6](SH3006—1999)，自控专业提供的有关抗爆结构的定义是“建筑物能够承受在100英尺(折合30．48米)以外装置的爆炸(爆炸的能量相当于一吨的TNT炸药)，发生中等程度的结构破坏，但没有倒塌。其意图是遭受这样的爆炸时，仍能保证人身的安全和工厂的操作。”
分析石化装置中的可能爆炸源有两类：一是由装置中的设备或压力容器爆炸引起的；二是由大面积可燃气体聚集，达到一定浓度时引起的爆炸，即蒸汽云爆炸理论VCE(Vapor Cloud Explosion)，VCE是石化企业中最常见的爆炸形式。
根据文[1]，对一吨TNT距爆炸源100英尺处作用于控制室的爆炸峰压超值的推算，第一类爆炸其爆炸力取值为：最不利正面墙体峰压超值为21Kpa，反射压为42Kpa，作用时间为25毫秒，侧墙为14Kpa，背面墙体为7Kpa，屋面压力取10Kpa；第二类爆炸，文[2]中OLA(美国石油保护协会)推荐的爆炸力取值分两种情况：第一种情况最不利正面墙体峰压超值为21Kpa，作用时间为100毫秒，第二种情况最不利正面墙体峰压超值为69Kpa，作用时间为20毫秒，两种情况屋面压力仍按10Kpa考虑。结合规范[6]的规定，综合取OLA推荐的第一种情况下的爆炸力作为本工程设计计算依据。
爆炸与地震作用相似，也是一种偶然作用。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)第3.2.6条规定：偶然荷载的代表值不乘分项系数，而且在荷载组合时，抗爆荷载不应与地震作用、风荷载或其它类似荷载同时组合，可采用的基本组合是：1.O恒+1.0活+1.0爆炸作用。
4 设计方案
由于爆炸发生的复杂性和不确定性，设计时首先树立概念设计重于结构计算的思想尤为重要。结合控制室的平面布置，将本工程设计的主要方案阐述如下：
(1)在总平面布局中尽量考虑将控制室布置在远离装置的位置，与甲、乙类装置的距离不得小于30米。建筑平面选择方形平面，整体刚度大，爆炸荷载相对较小。在平面布置中至少设置两个安全出口，以提高人员疏散的可靠性。
(2)在材料及设备的选用上以防火、抗爆为基本原则，建筑门窗选用抗爆门窗，同时外门的耐火完整性不得小于1.0小时。室内玻璃隔断选用金属框架及安全玻璃。
(3)采用框架-剪力墙结构型式。控制室外墙即为钢筋混凝土剪力墙(墙厚度300或400rlam)，设置于框架外侧，由其直接承受水平爆炸作用，将爆炸荷载传递至基础。建筑物屋顶采用现浇钢筋混凝土板，以传递外墙传来的爆炸荷载。保证在爆炸发生时框架结构受损较小，整个结构处于非弹性状态而不倒塌。
(4)为减少水平爆炸力在基础上产生过大弯矩，在室内地坪下适当位置(一般取活动地板下)设置一道钢筋馄凝土地板，我们称之为刚性地坪(厚度200mm，双层配筋)。这样，一方面减少了墙体构件的计算长度，使构件内力减少；另一方面减少了基础内力，也加强了控制室的整体性刚度。
(5)在设计中除根据结构受力需要设置多道钢筋混凝土剪力墙外，还有不少砖砌体墙，为了保证在爆炸力作用下该部分墙体的稳定性，通过设置钢筋混凝土构造柱和圈粱的方法对墙体进行加强。柱与圈粱的设置构造可参考抗震结构规范但要严于该规范为宜。
(6)对控制室整体结构的抗倾覆、抗滑移计算。一般来讲，单层或宽度较大的多层控制室结构抗倾覆均可满足要求；在滑移计算中应考虑的抗滑移荷载有上部爆炸荷载与竖向恒荷载(包括基础及其上土重)所产生的摩擦力、地基土的被動土压力，滑移荷载为水平爆炸作用。根据分析，水平爆炸作用力由于正面墙体的变形(消能)在进行滑移计算时可以乘以折减系数0.7。
5 总结
通过本设计，对抗爆结构总结如下：
(1)控制室的房间布置不同，则其结构方案可能不同。国外的原则做法是：由外部钢筋混凝土墙体承受水平爆炸作用，竖向荷载应尽可能由单独设置与剪力墙分开的钢筋混凝土柱粱体系承受。
(2)根据相关规范，控制室应按乙类建筑物设计。结合本工程抗震设防烈度为8度，则根据(建筑抗震规范)(GB50011—2001)，无论框架还是剪力墙其抗震等级均不应低于二级构造。
(3)控制中心周边装置不同，控制室距装置爆炸源距离不同，则应考虑的爆炸力不同。较为合理的做法是应针对具体情况进行控制室的安全评估。
(4)牢固树立概念设计重于结构设计的理念。
(5)在结构设计中，爆炸等偶然荷载作用下应考虑结构材料强度的提高以及地基验算时地基承载力提高。
(6)在抗爆结构的抗滑移计算中，应充分考虑地基土的被动土压力。若按一般基础埋深无法满足要求时，可通过加深基础埋深和设置地下钢筋混凝土墙等方法增大被动土压力，以此满足抗滑移要求。
参考文献
1 蒋津 控制室抗爆设计的冲击波超压 石油化工建筑设计 1999
2 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 1995
3 建筑结构荷载规范(GB50009—2001)
4 混凝土结构设计规范(GB50010—2002)
5 建筑抗震设计规范(GB50011—2001
6 石油化工控制室和自动分析器室设计规范(SH3006—1999)