危险品库结构设计要点
摘要
关键词
危险品；结构设计；要点
正文
前言：
危险品根据火灾危险性分为甲、乙、丙、丁、戊五类，危险品通常甲乙类有爆炸危险，丙、丁、戊类危险品库通常按一般厂房设计。本文研究对象是有爆炸危险的甲乙类危险品库。危险品库中有爆炸危险的物质，结构设计应考虑爆炸力对结构的影响，与石油化工控制室的“抗爆”为主不同，总原则是以泄爆为主，泄爆部位应能在爆炸发生时起到泄爆作用，保证主体结构不发生损坏。
1.危险品库结构设计原则
1.1．结构设计概述
危险品库的结构设计要点是集中在对于抗爆的受力计算上，由于规范上没有给出抗爆相应的设计取值，因此结构设计没有了依据，给抗爆设计带来困难，很多情况下是我们凭经验进行加一个混凝土墙体就认为是抗爆墙了，其实这是有很大的误区的。爆炸荷载是可以模拟计算，总的思路是根据有爆炸危险的物质属性，换算成TNT爆炸当量，通过专业计算软件进行爆炸力计算机模拟，得出作用在结构上的等效力，根据等效力的大小进行结构设计。本文介绍爆炸力计算的一些简单原理，解决一些简单的防爆问题，但由于爆炸力往往都比较大，因此有爆炸危险的建筑很难采用抗爆的形式，一般是采用泄爆的方式保证主体结构的安全，而对应的设计方法也是在结构设计中要重点关注的问题。
1.2．结构设计一般规定
a) 危险品库宜独立设置，并宜采用敞开或半敞开式。其承重结构宜采用钢筋混凝土或钢框架、排架结构，宜采用一层，不宜采用门式刚架结构。
b) 危险品库的结构设计使用年限应不小于50年。
c) 危险品库根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223为重点设防类，即乙类建筑，抗震措施提高一级。根据《工程结构可靠性设计统一标准》乙类建筑，其安全等级宜规定为一级，重要性系数取1.1。在无爆炸荷载参与时，可按国家现行有关设计标准的规定进行计算。
2危险品库中防爆墙体设计荷载要求
2.1．爆炸力对结构的影响
危险品库的抗爆要求对于结构是有不同情况分析的
a)无防爆要求的墙体
危险品库当存放的物质不存在爆炸风险，或者仅有泄爆墙体或屋面而无防爆墙体时，可不考虑爆炸荷载，结构按照平时工况和地震工况设计即可，一般要考虑气密要求，各分格单元一般不能连通。
b)有防爆要求的墙体
危险品库当有抗爆外墙或抗爆隔墙时，抗爆外墙或抗爆隔墙尚应满足爆炸工况的受力要求。当抗爆外墙或抗爆隔墙依附于主体结构时，主体结构尚应进行爆炸工况下受力计算；当抗爆外墙或抗爆隔墙独立设置，不与主体结构相连时，主体结构不用进行爆炸工况下的受力计算。
2.2.爆炸荷载取值以及荷载组合
a)爆炸设计原理概述
爆炸的发生是短时间内化学或者物理能量的转化与释放，它是以极短的时间产生巨大能量，并有高温高压产生同时伴随大量气体。爆炸发生对物体造成的破坏主要因素是冲击波。爆炸发生后，爆炸产物瞬间膨胀同时压缩临近的空气形成一种远远高于大气压的气浪。而其快速向周围扩散，随着爆距的增加，空气中的压力与冲击波的扩散速度均减小。爆炸荷载分为约束和无约束爆炸荷载。约束爆炸荷载：在结构内部爆炸，结构并且影响冲击波的传播的荷载；无约束爆炸荷载：在结构外面爆炸，结构不影响冲击波向四周传播的荷载。危险品建筑的爆炸荷载主要考虑来源于内部爆炸[4]。
爆炸荷载的大小主要取决于爆炸当量和结构离爆心的距离。根据有爆炸危险的物质属性，换算成等效TNT爆炸当量，同时根据爆心至作用点的距离，通过专业计算软件进行爆炸荷载的计算机模拟，得出在结构各个构件上的最大内力（弯矩、剪力或轴力），通常为了荷载输入的方便，根据最大内力等效的原则确定等效静力荷载，特殊情况，可由专业厂家配合计算爆炸力（比如采用纤维水泥板泄爆墙时，泄爆压力参照门窗是50kPa，而采用轻钢泄爆是2~4kPa，故推荐轻钢泄爆），进而进行结构设计。
b) 爆炸荷载建议取值
爆炸荷载按TNT当量取值一般比较困难，且爆炸力往往都比较大，因此有爆炸危险的建筑很难采用完全抗爆的形式，一般是采用泄爆的方式保证主体结构的安全。当危险品库的容积为1000m3时，厂房的泄压比
的下限值可以参考建筑设计防火规范GB50016[1]，见表1。
表1容积1000m3的厂房内爆炸性危险物质的类别与泄压比下限值（m2/m3）
厂房内爆炸性危险物质的类别 | 泄压比下限 | |
1 | 氨以及粮食、纸、皮革、铅、铬、铜等K尘＜10MPa·m·s-1的粉尘 | ≥0.030 |
2 | 木屑、炭屑、煤粉、锑、锡等10MPa·m·s-1≤K尘≤30MPa·m·s-1的粉尘 | ≥0.055 |
3 | 丙酮、汽油、甲醇、液化石油气、甲烷、喷漆间或干燥室以及苯酚树脂、铝、镁、锆等K尘＞30MPa·m·s-1的粉尘 | ≥0.110 |
4 | 乙烯 | ≥0.160 |
5 | 乙炔 | ≥0.200 |
6 | 氢 | ≥0.250 |
对于一般的危险品库表1中的存放1~6项物质的建议可以参考《建筑结构荷载规范》GB50009中10.2.3条的计算公式[2]：
pk=3+pv （2-1式）
pk=3+0.5pv+0.04 （2-2式）
pv-泄压墙体或泄压屋面的额定破坏压力（kN/m2），当采用岩棉夹芯彩钢板或单层岩棉夹芯彩钢板复合保温板等轻钢檩条泄爆屋、墙面时，对于表1中1~3项物质，建议取2~4，正常情况下可取低值，当项目位于基本风压较大处，如海边，可取高值。对于4~6项物质，建议取12。当采用其他形式的泄爆屋、墙面时，可由专业厂家配合计算爆炸力。
Av-泄压墙体、泄压门窗或泄压屋面的面积（m2）
pk-爆炸的等效均布静力荷载（kN/m2）
c)爆炸荷载工况组合
爆炸荷载属于偶然荷载，按照偶然工况组合设计：
各个参数的含义按照《建筑结构荷载规范》GB50009取值
3.危险品库的结构选型及设计要求
危险品库的选型时应满足《建筑抗震设计规范》[3]GB50011中的抗震设防类别乙类的要求。可选用以下3种结构形式：混凝土框架(或框架-剪力墙)结构、钢框架（或钢框架-支撑）结构或混凝土柱上钢梁轻钢屋盖结构的形式。
a)当采用钢、混凝土框架出现单跨框架时，可以在山墙或不影响建筑功能的位置增加短墙变为钢框架-支撑/框架-剪力墙结构，也可以在合适位置增加柱子，使得非单跨框架的榀数多于单跨框架的榀数，最好达到2/3的总榀数。
b)当甲、乙类厂房采用排架结构结构时的设计原则是混凝土梁柱按照《混凝土结构设计规范》GB50010进行设计；钢梁按照《建筑抗震设计规范》GB50011中单层钢结构厂房进行复核。
4.泄爆墙体、泄爆屋面、防爆墙、防火墙设计及构造要求
危险品库的防爆设计的总原则是以泄爆为主，泄爆部位应能在爆炸发生时起到泄爆作用，保证主体结构不发生损坏。这就对具有泄爆功能的轻质屋面板和墙体有专门的泄爆要求。防爆隔墙或防爆外墙须满足防爆墙体设计荷载2-1式和2-2式要求。
4.1.泄爆墙体、泄爆屋面设计及构造要求
a) 泄爆墙体、泄爆屋面的推荐形式
具有泄爆功能的轻质屋面板和墙体一般推荐采用钢檩条+岩棉夹芯彩钢板或单层岩棉夹芯彩钢板复合保温板的形式，且其质量不宜大于60kg/m2。在爆炸力作用下钢檩条自身及其与主体的连接不发生破坏，而彩钢瓦与檩条连接的泄爆螺栓发生大变形，从而泄爆。对于其他材料的泄爆屋、墙面的泄爆压力以及对主体的影响应由专业厂家提供。
当发生事故时，为了不使夹心彩钢板乱飞，在岩棉夹心彩钢板与墙梁之间采用索引绞索控制。每块板设有两根牵引拉索，其长度为900mm，拉断力为2000kg。牵引拉锁由墙体供应商同时提供，泄爆屋面与墙面要求相同。
其他材料的泄爆墙体、泄爆屋面参见图集14J938。
b）泄爆螺栓的设计
岩棉夹心彩钢板与墙梁之间用泄爆螺栓固定，泄爆屋顶或墙面的泄爆压力值是由泄爆螺栓控制的。泄爆螺栓由螺栓、防水垫圈和铝合金垫片构成。泄爆螺栓的铝合金垫片的强度是与屋顶或墙面的泄爆压力值相对应的。在爆炸压力作用下通过铝合金垫片变形，让屋顶或墙面在爆炸气流的冲击下能够打开，以达到泄爆的目的。泄爆螺栓的型号与数量根据泄爆压力值选配，泄爆螺栓的设计步骤如下：
1）根据CB50009-2012中风荷截计算方法计算相应泄爆区域的负风压值,然后根据泄爆压力值不得小于负风压值的原则综合确定泄爆压力值Pv。通常墙面泄爆值设计1~2kN/m2，屋面泄爆值设计2~4 kN/m2。一般情况，风压小的地区取小值，风压大的地区如海边取大值。
2）泄爆系统上安装泄爆螺栓数量N1的确定：
泄爆螺栓数量N1按下面公式计算：
N1=(PV*S)/ A
式中S为泄爆墙体、屋盖的面积（m2）
A为泄爆螺栓的破坏荷载（kN）
如未设计，应注明由专业厂家设计施工。
4.2.防爆墙的设计及构造要求
防爆墙可采用成品防爆墙、钢筋混凝土防爆墙、配筋砌体防爆墙。优先选择成品防爆墙、钢筋混凝土防爆墙，尽量不采用配筋砌体防爆墙。当爆炸力不大时(爆炸力≤5kPa)可以采用配筋砌体防爆墙[4]，配筋砌体防爆墙不得兼做承重结构。当相邻房间生产人员较多或设备较贵重，爆炸威力较大时应采用钢筋混凝土防爆墙或成品防爆墙。
a)当采用成品防爆墙时，应注明抗爆墙应由具有资质单位二次设计。当抗爆墙与主体结构脱开，不将爆炸力传给主体结构时，可不验算爆炸力对主体结构的影响；当抗爆墙依附于主体结构上时，须验算爆炸力下主体结构的影响。典型的成品防爆墙的形式如下，具体可以参考14J938图集以及二次设计厂家的设计图纸。
b)钢筋混凝土防爆墙当与主体结构完全脱开，不将爆炸力传给主体结构时，可不验算爆炸力对主体结构的影响；当依附于主体结构上时，须验算爆炸力下主体结构的影响。
1）防爆墙依附于主体但不兼做承重结构时，此时地震工况下防爆墙不提供抗侧刚度，仅作为重力荷载，故此采取与梁柱柔性连接接头的措施，对于多层的局部房间或单层的危险品建筑均可以采用此种方式，当采用钢檩条+岩棉夹芯彩钢板或单层岩棉夹芯彩钢板复合保温板的形式的泄爆措施后，防爆墙的具体构造如下所示，墙体高度4.5m~6m之间时采用250mm厚, 4.5m及以下采用200mm厚，配筋均为双层双向14@150，拉结钢筋6@450，梅花形布置，单面竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%，并不应大于1.5%，同时配筋率满足《混凝土结构设计规范》GB50010要求。同时受力计算尚应满足防爆墙体设计荷载2-1式和2-2式要求。
2）对于单层的危险品库当防爆墙兼做承重结构设计时，宜按框架剪力墙结构进行设计，同时满足平时工况、地震工况和爆炸组合工况下的受力要求。
c) 当采用配筋砌体防爆墙时，构造需满足14J938图集相关要求，同时进行专门论证后方可实施。
5．结束语
危险品库结构设计中本文提出的总原则是以泄爆为主，泄爆部位应能在爆炸发生时起到泄爆作用，保证主体结构不发生损坏。同时对爆炸荷载的取值进行了建议取值，对于危险品库建筑的结构选型进行了论述，对于危险品库泄爆墙体推荐采用轻钢的墙体，对抗爆墙体设计以及与主体关系进行了阐述，为后期工程应用提供了建议依据。
参考文献：
[1]《建筑设计防火规范》（GB50016-2014（2018年版））
[2]《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)
[3]《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2016年版)
[4]《石油石化防火防爆手册[M]》（李萌中.中国石化出版社, 2003）
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