PKPM抗爆设计软件——国家级通用仿真在石化抗爆中的应用

抗爆弹塑性分析是石油化工建筑物设计中的重要组成部分，特别是在面对可能的爆炸事故时，确保结构安全至关重要。PKPM-KB软件提供了一套完整的抗爆弹塑性分析解决方案，包含工具箱和有限元分析两个部分，以下是对有限元分析软件基本功能和操作流程的详细介绍。

1、规范介绍

PKPM-KB软件严格遵循《石油化工建筑物抗爆设计标准》GB/T 50779-2022，该标准于2022年12月1日正式实施。新标准对原有的抗爆结构设计范围进行了扩展，包括多层抗爆建筑物的设计要求，以及对爆炸荷载计算、结构动力分析等方面的更新。软件的设计和实现均基于这些最新的规范要求，确保设计的合规性和前瞻性。

2、基本功能

PKPM-KB软件的基本功能包括：

• 建模：构建抗爆建筑物的几何模型。

• 常规工况分析：对建筑物在常规工况下的性能进行分析。

• 抗爆信息补充：补充抗爆设计所需的特定信息。

• 动力时程分析：进行结构整体有限元动力分析。

• 结果查看：查看和评估分析结果。

• 施工图生成：根据分析结果生成施工图。

1、界面及操作流程

抗爆结构整体有限元分析软件，在桌面上找到PKPM2025版图标，双击打开后进入软件界面

图1 抗爆整体有限元分析程序入口

图2 抗爆整体有限元分析流程

2、建模

建模是抗爆分析的第一步，用户需要在PMCAD软件中建立抗爆建筑物的几何模型。这一步骤包括定义建筑物的尺寸、形状和结构布局。模型的精确度直接影响后续分析的准确性，因此需要用户提供详细的建筑信息。

抗爆建筑物的建模模块基于结构设计系列软件中PMCAD，功能和进行常规结构建模时使用的PMCAD完全一致。

根据石油化工建筑物抗爆设计标准 GB/T 50779-2022（以下简称抗爆标准）3.0.12条要求，抗爆外墙宜与主要结构构件脱开布置，当爆炸荷载不大且为单层时，也可不脱开布置。按照该条条文说明中的解释，脱开布置的目的是避免爆炸荷载直接作用到主要结构构件，同时也为了简化抗爆构件的动力计算。但由于KB-EP是采用整体有限元分析，并不需要为了贴近单构件计算模型的假定而进行简化。所以程序并不限制抗爆外墙与结构是否脱开，两种建模方式可以由设计人员根据实际情况选择。

图3 抗爆整体有限元分析建模

3、常规工况分析

在PMCAD软件中完成建模后，使用SATWE软件进行常规工况分析。这包括对建筑物在正常使用条件下的承载能力、稳定性和变形等进行评估。分析结果将确保建筑物在非爆炸情况下的安全性和功能性。

图4 抗爆整体有限元分析常规工况设计结果

4、抗爆信息补充

完成常规工况分析后，用户需要在PKPM-KB软件中补充抗爆设计所需的特定信息。这包括：

• 抗爆构件属性交互：用于指定抗爆外墙和屋面板的属性，程序据此赋予构件的爆炸荷载。

• 构件实配钢筋指定与查看：用于指定楼盖、屋盖的实配钢筋，以及查看在梁、柱、墙施工图中生成的构件实配钢筋

• 爆炸冲击波参数：输入爆炸荷载计算的基础参数，如峰值入射超压、正压作用时间等。

需要注意的是，由于抗爆建筑物是封闭结构，所以对屋面板属性程序采用按自然层指定的方式实现。只需要在下拉菜单中选择屋面板所在的自然层号即可。未指定的自然层按楼层板处理，即爆炸荷载作用在屋面板上，楼层板上不施加爆炸荷载。

钢筋的实配可以在混凝土施工图模块中进行交互设置，此处可以直接读取混凝土施工图中的实配钢筋。

图5 抗爆分析补充参数

根据冲击波的四项基础数据，结合指定的抗爆构件属性和抗爆建筑物的几何模型，执行“荷载计算”的命令即可自动完成抗爆外墙和屋面板的爆炸荷载-时间函数的计算。如需查看爆炸荷载的具体计算过程数据，执行“荷载查看”，在弹出的窗口中会显示各项过程数据，以及各个构件的爆炸荷载-时间函数曲线。

5、动力时程分析

动力时程分析是抗爆设计的核心，PKPM-KB软件通过调用PKPM-CAE内核完成结构整体有限元动力时程分析，并根据结果进行构件验算。对使用者来说，仅需点击“启动弹塑性分析”的按钮，即可完成结构整体有限元分析。极大简化了弹塑性动力分析的设置流程，降低了使用门槛，让广大设计人员更容易上手。

分析过程包括：

• 有限元模型生成：将PMCAD的几何模型转换为有限元模型。

• 爆炸荷载计算：根据用户输入的爆炸冲击波参数，计算作用在各构件上的爆炸荷载。

• 材料本构模型：为混凝土、钢筋和钢材等材料定义本构模型。

• 动力时程分析：执行隐式动力分析，计算结构在爆炸荷载作用下的动力响应。

6、结果查看

完成动力时程分析后，用户可以在PKPM-KB软件中查看分析结果。程序自动对结果进行处理。提取各个构件的最大弹塑性变形Xm 并计算构件的支座转角。后处理除支持图形和文本方式展示各构件的支座转角结果外，还内置了简化版本的CAE 后处理图形显示窗口，可以查看抗爆建筑物在爆炸荷载作用下的变形动画等信息。

结果包括：

• 图形结果：在图面上会标注每个构件的支座转角。除抗爆外墙和屋面板之外，也会计算梁和柱的支座转角。为便于和文本结果进行对应，构件下还会标注相应的编号。

• 文本结果：执行“汇总计算书”的命令，自动生成word 格式计算书。其中用列表的方式汇总抗爆建筑物中所有构件的支座转角结果，并且同时输出每个构件的最大弹塑性变形Xm和对应的节点ID

• 有限元结果：有限元结果同时支持选择节点查看时程曲线。如下图所示，根据文本结果中输出的前墙最大弹塑性变形Xm 对应的节点ID，在有限元结果中提取对应节点的时程曲线除变形结果外，程序还提供节点或者单元的应力、应变以及损伤结果。设计人员可根据需要选择需要的结果进行查看

7、施工图生成

由于整体有限元分析采用的是先假定构件截面配筋，再验算支座转角是否满足要求的截面验算模式。所以施工图中的实配钢筋信息是作为整体有限元分析的前置条件。只要按指定的实配钢筋进行整体有限元分析，并且验算结果满足规范中构件的支座转角要求，即可作为最终的钢筋结果出图，也就是说软件可以基于常规工况生成施工图，并展示实配钢筋信息。在满足抗爆设计的内力后，该图纸即可做为结构施工图。

PKPM-KB软件提供了一套完整的抗爆弹塑性分析解决方案，从建模到结果查看，再到施工图生成，每一步都严格遵循最新的抗爆设计标准。软件的设计旨在简化设计流程，提高设计效率和准确性，确保石油化工建筑物在面对爆炸事故时的安全性。随着软件的不断更新和升级，未来将提供更多的功能，如基础设计，以满足用户的需求。