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抗爆控制室桩基础设计方案的比较

更新时间:2009-03-28

控制室、机柜间是石油化工厂区内常见的建筑物之一,过去其主要结构形式为框架结构,但随着行业的不断发展,控制室、机柜间逐渐有了抗爆要求。2007年,行业发布了《石油化工控制室抗爆设计规范(SH / T 3160—2009)》[1],从此厂区内的控制室、机柜间的抗爆结构设计便有了设计依据和指导原则。该规范主要提供了基于入射超压Ps0 以及持续时间 td 计算矩形建筑物各面的作用超压方法、结构变形、承载力、以及一些构造要求等。对于结构计算求解,确切地说,该规范仅仅提供了荷载的计算方法,并未提供具体如何计算,对于基础部分的计算更是如此。

本文将结合SH / T 3160—2009、ASCE《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》 [2]手册以及工程实例,对我国目前石油化工抗爆建筑桩基础部分的设计方案,进行一定的分析,并讨论抗爆结构桩基采用垂直桩、斜桩的差异及其合理性,为今后的工程设计提供一定的参考与借鉴。

1 SH / T 3160—2009与《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》比较

虽然,《石油化工控制室抗爆设计规范(SH / T 3160—2009)》参考了《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》,但前者是中国石油化工的行业规范,必定不可能完全与后者内容相同,本节将从上部荷载计算开始,直至下部基础的计算与构造。比较两本文献的异同点。

对本科院校图书馆的学历需求进行统计,结果见表3。普通高校图书馆需求本科、硕士、博士的比例分别为 24.3%、61.5%、14.2%。 可见由于高校招聘政策的统一以及图书馆业务开展的需要,普通高校图书馆入职需求集中在硕士研究生及以上学历。在高水平大学图书馆中,需求本科、硕士、博士的比例分别为 26.5%、51.0%、22.5%。可见高水平大学图书馆中对博士研究生的需求较普通高校图书馆多。

品管圈是小圈团体按照一定的活动程序来解决工作现场、管理、文化等方面所发生的问题及课题,目的在于提高产品质量和提高工作效率。控制图是品管圈七大手法之一,用于测定、记录、评估并监测过程是否处于控制状态的一种图形方法。系统采用的工作强度品管圈如图3所示。图3(a)显示的是工作强度超标的情况,可以看到3号的工作强度已经超过阈值3,需要采用医生工作强度调整方法进行处理。图3(b)显示的是工作强度正常的情况。

1.1 爆炸荷载

ψci——活荷载分项系数。

从图中可以看出,烘焙后种籽衣总还原能力不如未烘焙种籽衣,这与Bradleyw等[20]的研究结果相同,因此是否带壳进行烘焙会影响种籽衣的总还原能力。在烘焙时间20 min以后(包括20 min),不带壳总还原力明显高于带壳。活性成分含量变化说明烘焙过程中存在着新物质的生成[22],而颜色变化说明烘焙过程中存在美拉德反应,这与 Davis等[24]推测相同。在低中温130 ℃烘焙条件下,壳的存在阻碍种籽衣直接接触热空气,从而阻碍两种反应的进行,应是带壳烘焙种籽衣抗氧化性(DPPH·清除能力、羟基自由基清除能力、总还原力)不如不带壳烘焙种籽衣的原因。

对于有爆炸参与的荷载组合,两本文献均不考虑风与地震的同时作用,且只与恒荷载以及活荷载(屋面活荷载除外)组合,分项系数、组合系数均为 1.0。结构构件的承载能计算见式(1)。

1.2 荷载组合

图1曲线均为各墙面整体计算时使用,并不适合对单一构件的计算,所以,基于图1曲线进行结构基础设计分析,也是按墙面进行的整体分析,并非针对局部进行的分析。因两者在各墙面上部结构荷载计算时,方法是相同的,所以对于同样的结构来说,传至基础顶部的荷载也应相同。因此,采用ASCE《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》中的基础计算设计方法也是可行的。

 
  

图1 矩形建筑物各面荷载曲线Fig.1 Load curves for rectangular building

式中 R——结构、构件的承载能力;

SGk、SBK、SQiK—— 恒荷载、爆炸、活荷载(屋面活荷载除外)在结构上所产生的效应;

如果要进行结构基础部分设计计算,就不得不从上部荷载开始计算,两本文献均只提供了对矩形建筑各墙面的荷载计算方法[3],且基本相同,文献中各墙面屋面荷载曲线如图1(a) ~ (c)所示。前墙荷载,既可以采用二折线模型,也可以根据等效荷载模型求解;侧墙及屋面的荷载曲线与前墙有较大差别,存在一个升压与降压的过程;后墙荷载曲线则与侧墙、屋面相似,都存在一个升压与降压的过程,但对于后墙来说,存在一个时间差 ta,ta 即为冲击波从前墙传播至后墙所需要的时间。

因为爆炸工况为偶然工况,发生概率小,所以只需当爆炸发生时,能够使得建构筑物实现既定的目标即可,如不倒塌、修复后可继续使用。若同时考虑地震、风的效应,显然会使得经济性变差,因此,在设计中,并不同时考虑。

1.3 桩基础计算

(1)对基础的埋深增加了最小要求,不应小于1.5 m,且可以考虑地坪对基础的嵌固作用。

(3)采用桩基形式的基础,其单桩垂直承载力可以在非爆炸工况的基础上提高60 %,水平承载力可以使用极限值。如果考虑被动土压力对水平承载力的提高作用,那么桩与土提供的水平承载力之和,不应小于爆炸水平冲击力峰值的1.5倍。

对于抗爆结构基础部分所需计算内容,SH / T 3160—2009与ASCE手册也基本相同,分别需要对结构抗倾覆、侧向承载力、垂直承载力进行计算。但相比ASCE手册,我国的SH / T 3160—2009则在其基础上,对基础、桩的承载力提高也要求具体的数值,更适合我国当前工程设计使用。其主要要求如下:

根据SH / T 3160—2009中的式(2)可知,冲击波传播速度均大于声速,达到345 m / s以上。当冲击波作用在墙体上后,墙体发生高速应变,荷载则从上部结构传至下部基础部分,无论混凝土或是钢筋的屈服强度都得到了不同幅度的提高,因此,规范采用动态强度进行抗爆结构基础部分的设计是合适的 [6]

(2)基础设计时,荷载取反射压力、屋顶爆炸荷载、恒荷载、活荷载同时组合的动力响应最大值。

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之所以在爆炸工况下,材料强度能得到提高,主要是由于爆炸荷载是短期、瞬态作用,而普通规范中所列举的强度设计值、标准值均是采用静力或拟静力状态下得到的。若使用该静态强度来进行动力学计算,显然是不合适的。材料的强度往往与加载速率有着密切关系,加载速率越高,其强度越大,这一点在《加载速度对塑性混凝土强度的影响》[4]、《加载速度对金属材料屈服强度的影响》[5]中就已经做了研究和说明。

Linux中有一个关于DNS域名解析的配置文件/etc/resolv.conf,它规定了在进行DNS查询时首先查询的名称服务器。整个查询过程如下[1]:

 

2 实际工程方案分析

图2为笔者2009年设计完工的天津某化工厂区的抗爆机柜间桩位,机柜间为单层混凝土结构 [7],外层为350 mm钢筋混凝土抗爆墙,混凝土强度等级C35,地坪为建筑地坪,屋面高出室外地坪6.1 m,女儿墙高度1.05 m,设防爆炸荷载30 kPa、100 ms。建筑平面、剖面分别见图3、图4所示。

工程最初拟采用垂直桩方案(如图5、图6所示),500 mm PHC管桩,桩长19 m,设计单桩竖向承载力特征值700 kN,水平承载力特征值50 kN。布桩方案采用标准的桩基承台加联系梁的形式,外层柱采用条形承台,采用联系梁与内部柱下联合承台相连。联系梁的作用是使得所有承台变形协调,所有工程桩能够同时承受爆炸冲击作用,桩的水平抗力能够得到充分的发挥。因此,在联系梁设计时,应尽量增大其刚度,以确保在冲击波到达前墙的第一瞬间,所有的桩都能共同作用。

采用垂直桩的桩基设计方案,对于承受垂直荷载作用,将非常有效,但爆炸荷载对结构的作用主方向相同时,桩会产生向下的压力,使得背后土体被压缩、密实,从而获得更好的水平承载力;当倾斜要以水平力作用为主,荷载经过墙体最终传至基础。因此,基础方案主要受控桩水平承载力,这与普通非高层的建筑有所区别,后者主要由桩的竖向承载力控制。而水平承载力恰恰是垂直桩的薄弱环节,水平承载力一般约为垂直承载力的10 % ~ 15 %。为了解决这一问题,可以使用斜桩以提高桩的水平承载能力。斜桩在港口码头中已经有所应用,它能够有效地抵抗水平波浪荷载的作用。本节分图7三种情况,讨论斜桩的布置方案。

  

图2 桩位平面布置Fig.2 Piling layout

  

图3 建筑平面布置Fig.3 Architecture plan layout

  

图4 建筑剖面布置Fig.4 Architecture profile layout

  

图5 桩承台断面Fig.5 Section of pile cap

  

图6 简化模型Fig.6 Simplified model

  

图7 三种斜率桩布置方案Fig.7 Three types layout of inclined pile

图7中A方案与C方案均采用斜桩与垂直桩混用的桩基方案,斜桩主要用于承受水平荷载作用,而垂直桩则主要负责承受垂直荷载作用。B方案由于全部采用了斜桩方案,所以在三种方案中,水平承载力最高。根据《斜桩基础受力特性研究》[8]显示,虽然斜桩的使用能提高桩基水平承载力,但同时也会削弱其垂直承载力,且施工难度大,费用较垂直桩高,因此,不建议采用全部斜桩的B方案,而应有限采用混合方案,这样既能满足水平承载力的需要,又不会使垂直承载力大幅度下降,经济性又能得到权衡。而A方案与C方案差异在于前者倾斜角θ为顺冲击波传播方向,而后者倾斜角则是逆冲击波传播方向。同样根据《斜桩基础受力特性研究》可知,在桩型、桩长等条件均相同的前提下,由于倾斜方向的不同,其水平承载力也是不同的。当倾斜角度与冲击波传播角度与冲击波传播方向相反时,在水平力的作用下,桩会对背后土体产生向上抬起作用,使得地基土逐渐变得松散,约束力不断下降,水平承载力也会得到不同程度的削弱。

综上所述,对于抗爆结构的桩基方案,在考虑安全、合理、经济性等多方因素的前提下,应优先采用A方案的布置,这样既能发挥桩的水平承载力,又能确保垂直承载力不被大幅度削弱。

3 结论

通过对两本文献比较,以及工程实例桩基方案分析可知:SH / T 3160—2009与ASCE手册对于矩形被爆结构的超压荷载计算方法相同,但对于受爆炸冲击作用的基础、地基土强度提高取值略有区别,应采用其动态强度进行工程设计。爆炸工况作用下,采用桩基础方案的结构,其承载力主要受控于桩的水平承载力,且工程实际中一般不考虑被动土压力的作用,宜优先采用垂直桩与斜桩混合布置方式,这样能够使得桩基的水平力和垂直承载力都能得到充分发挥,经济性良好。在斜桩布置时,其倾斜角应顺爆炸冲击波传播方向倾斜,这样在水平力作用下,桩后土体能充分发挥约束作用,使得水平承载力得到提高。

参考文献

[1]SH / T 3160—2009,石油化工控制室抗爆设计规范[S].

[2]The ASCE Task Committee on Blast-resistant Design. Design of blast-resistant buildings in petrochemical facilities[M]. United States of America: ASCE,1997[S].

[3]俞海洪, 周世光. 单自由度抗爆结构的非线性动力响应分析[J]. 医药工程设计, 2013, 34(3):43-47.

[4]高丹盈, 付超云, 赵利梅. 加载速度对塑性混凝土强度的影响[J]. 人民黄河, 2009, 31(6):115-116.

[5]朱福和, 潘旦生. 加载速度对金属材料屈服强度的影响[J]. 动力工程学报, 1982(4):74-75,78.

[6]周世光. 混凝土抗爆墙防护性能的改进[J]. 安全与环境学报,2017, 17(1):94-99.

[7]周世光. 控制室结构抗爆布置方案比较与优化[J]. 化工与医药工程, 2014, 35(1):11-15.

[8]王云岗, 章光, 胡琦. 斜桩基础受力特性研究[J]. 岩土力学,2011, 32(7):2184-2190.

 
吴娟英
《化工与医药工程》 2018年第02期
《化工与医药工程》2018年第02期文献

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