《人防工程结构设计》袁正如教授

人防工程结构设计,解放军理工大学工程兵工程学院 人防工程设计院 袁正如,内容提要,一.概述 二.核爆冲击波荷载 三.核爆等效静载 四.荷载组合 五.内力分析、截面设计与主要构造规定 六.人防结构设计 七.关于结构的功能转换 八.结构设计中的有关问题,一、概述,1.人防荷载的特点,1.1 人防荷载的来源：来源于核爆炸冲击波 1.2 人防荷载的作用时间：很短，1秒钟左右 1.3 人防荷载的作用次数：一次（整个结构寿命期内一次） 1.4 人防荷载的性质：突加快卸的瞬时动力荷载 1.5 人防荷载的分布：同时、均匀、满布 1.6 人防荷载的分项系数：分项系数=1，原因是：偶然性荷载不乘分项系数；人防结构可靠度要求比工民建结构低。,2. 人防工程结构的主要特点1,2.1、核爆动荷载属于偶然性荷载，荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。 2.2、防空地下室结构设计应同时满足平时和战时二种不同荷载效应组合的要求。 2.3、地面多层或高层建筑物，对于普通爆破航弹、核爆炸冲击波早期核辐射等破坏因素都有一定的削弱作用，设计防空地下室时可考虑这一因素。 2.4、墙、柱等承重结构，应尽量与地面建筑物的承重结构相互对应，以使地面建筑物的荷载通过防空地下室的承重结构直接传递到地基上。,2. 人防工程结构的主要特点2,2.5、当平时使用要求与战时防护要求不一致时，应采取平战功能转换措施。 2.6、钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计 2.7、材料设计强度可提高 2.8、由于核爆动荷载是偶然性荷载，钢筋混凝土构件又允许开裂，因此比之静荷载作用下构件的安全度可适当降低。 2.9、在核爆动荷载作用下，地基承载力有较大提高，同时安全系数也可取较低，在这种瞬间荷载作用下，一般不会产生因地基失效引起结构破坏。,3.人防结构结构设计特点,3.1 可用“等效静载法”、可拆开为单个构件进行 计算（规范用三个系数过渡到等效静载） 3.2 各部位抗力（强度）相协调 3.3 可考虑塑性内力重分布 3.4 充分保证结构的延性，“强柱弱梁（板）”、“强剪弱弯”,4. 人防工程结构选型,4.1、防空地下室结构选型应根据防护要求、使用要求、上部建筑物结构类型、工程水文地质条件以及材料供应和施工条件等因素综合分析确定。 4.2、防空地下室结构选型包括结构类型与选择。 4.3、既要满足作为上部建筑基础的要求，又要满足战时作为防护结构的要求。防空地下室常用梁板结构、板柱结构以及箱型结构等。当柱网尺寸较大时，也可采用双向密肋楼板结构。,二、核爆冲击波荷载,二、核爆冲击波荷载,1 空气冲击波 2 地面空气冲击波 3 地面冲击波主要设计参数 4 空气冲击波对人防工程的作用 5 土中压缩波及其对人防结构的作用 6 人防结构核爆动荷载计算,1 空气冲击波,1.1 空气冲击波的形成 核武器在空中爆炸时，反应区内的高温高压气团高速猛烈地向外扩张，冲击及压缩其邻近的空气，从而形成空气冲击波，并且不断向外传播。 1.2 超压 波阵面后的压缩空气层称为压缩区，在压缩区中压力超过正常大气的压力称为冲击波超压。在波阵面上超压值最大，称最大超压或超压峰值。通常讲超压值Pm,均指超压最大值。,1.3 空气冲击波组成 空气冲击波是由脱离爆心后不断向外传播的彼此紧密相连的压缩区和稀疏区构成。 1.4 动压 当冲击波波阵面接触到未被扰动的空气质点时，使该处空气质点获得很大速度，空气质点高速运动如受到结构滞止，则产生作用于结构上的压力，称为“动压”，动压的变化规律与冲击波超压的变化规律相似。,2 地面空气冲击波,随着离爆心投影点的距离不断增加反射波阵面与入射波阵面汇合成为冲击波，此汇合后的冲击波称为“合成波”，即地面冲击波，地面冲击波阵面靠近地面部分垂直于地面，即沿地面水平方向传播。一般人防工程是按冲击波作用是按平行于地表的地面冲击波考虑。,3 地面冲击波主要设计参数,4 空气冲击波对人防结构的作用,4.1 反射效应 当冲击波在传播方向上遇到一刚性结构物时，会产生很大反射超压。 1)、当冲击波传播方向与障碍面法线夹角=0时的反射称为正反射，此时反射系数最大， 2)、0的反射称为斜反射，随夹角增大，反射系数逐渐减少。 3)、当30°时，斜反射系数与正反射系数相差不大。 4)、设计时按最不利因素考虑，故在设计时均按正反射系数取值，当略大于30°时，冲击波沿表面平行滑过，不产生反射，此时反射系数为1。 2）扩散效应 当冲击波从小孔进入大空间时，进入大空间的空气冲击波参数将会产生一定的变化，如超压峰值会有所降低，并使波形出现一段升压时间，即冲击波的扩散效应。在确定防空地下室顶板荷载时，在一定条件下就可考虑进入地面建筑冲击波产生的扩散、膨胀影响。 当冲击波传播方向与室外出入口轴线垂直时（如竖井式出入口），由于口外冲击波气流质点运动速度在出入口轴线上的分量为零，因此口内冲击波的产生只是由于口外冲击波扩散、膨胀而引起的。因此，从各种出入口形式来看，竖井式、穿廊式出入口形式较有利，而直通式出入口、单向式出入口则差一些，且出入口梯段的坡度角（与地面的夹角）愈小愈不利。 根据试验，冲击波在通道内传播过程中与边壁摩擦等产生损耗很小，只有在较长的通道内（上百米）传播后，才明显呈现衰减现象。因此，对一般防空地下室的通道可不考虑压力随传播距离的变化。当冲击波在通道内遇900转弯时，大约会有6能量损失，这种变化在实用上也可忽略不计。因此只要通道断面形状和大小不明显改变，通道内冲击波的超压峰值在未受到阻挡前可认为不变。通道内冲击波最后在防护密闭门上或端墙上受到阻挡，防护密闭门上或墙上超压可按通道内超压的正反射压力确定。 3）环流效应 当冲击波与封闭地面建筑物前墙相接触时产生正反射，前墙上压力瞬时增大到反射超压值，形成高压区，而前墙边缘以外入射波并未遇到障碍，相对于反射超压而言是低压区，由于正面上的反射压力大于顶面和侧面冲击波压力，所以前墙上的反射压力不能保持而很快衰减，这种衰减一直要延续到空气流动状态相对稳定时为止，这种现象称为环流。稳定时作用在前墙上的压力称为环流压力。当防空地下室顶板高出室外地面时，迎爆面将会产生一定的环流效应，因此其墙面上最大压力会比正反射时略小。例如6级时正反射系数为2.4，如考虑环流效应，则反射系数可取2，即作用于高出地面外墙上最大压力值为2Pm。,5)、无升压时间三角形荷载的正反射系数仅与入射波超压值有关，超压值越大，其反射系数越大。 6)、空气冲击波在某些条件下可能为有升压时间的三角形荷载。 7)、根据试验资料总结，此种荷载当地面超压值在0.1Mpa左右时，正反射超压不会大于入射超压的一倍，即一般可取正反射系数为2。,4.2 扩散效应,1)、当冲击波从小孔进入大空间时，进入大空间的空气冲击波超压峰值会有所降低，并使波形出现一段升压时间，即冲击波的扩散效应。 2)、当冲击波传播方向与室外出入口轴线垂直时（如竖井式出入口），由于口外冲击波气流质点运动速度在出入口轴线上的分量为零，因此口内冲击波的产生只是由于口外冲击波扩散、膨胀而引起的。 3)、对一般防空地下室的通道可不考虑压力随传播距离的变化。当冲击波在通道内遇900转弯时，大约会有6能量损失，这种变化在实用上也可忽略不计。,4.3 环流效应,1)、当冲击波与封闭地面建筑物前墙相接触时产生正反射，前墙上压力瞬时增大到反射超压值，形成高压区，而前墙边缘以外入射波并未遇到障碍，相对于反射超压而言是低压区，由于正面上的反射压力大于顶面和侧面冲击波压力，所以前墙上的反射压力不能保持而很快衰减，这种衰减一直要延续到空气流动状态相对稳定时为止，这种现象称为环流。 2)、稳定时作用在前墙上的压力称为环流压力。当防空地下室顶板高出室外地面时，迎爆面将会产生一定的环流效应，因此其墙面上最大压力会比正反射时略小。 3)、例如6级时正反射系数为2.4，如考虑环流效应，则反射系数可取2，即作用于高出地面外墙上最大压力值为2Pm。,5.土中压缩波及其 对人防结构的作用,5.1 土中压缩波参数,5.1 土中压缩波参数,5.2 土中压缩波与结构的相互作用,5.2.1 顶板的相互作用 1)、压缩波作用于结构顶板将产生反射，并使结构发生整体位移和变形，这些位移与变形又反过来影响压缩波荷载，这种相互影响的力学现象称为介质与结构之间动态相互作用。 2)、作用在土中结构顶板上压力与压缩波参数、土介质性质和结构刚度特性等因素有关，工程设计中常用综合反射系数K来反映压缩波与顶板相互作用影响。 3)、土中压缩波作用于顶板的动荷载可表达为Pc1=KPh。,4)、在一定条件下某一深度作用在结构上的动荷载最大，这个深度称为顶板的“不利覆土厚度”。 5)、造成“不利覆土厚度”的机理：当压缩波遇到顶板产生反射压缩波后即向反方向传播，反射波所到之处介质压力增高。当它返回到自由地表时，因地表为自由界面必然使土体趋于疏松，同时产生向下传播的拉伸波，拉伸波所到之处压力将随之下降，当它传到顶板时，顶板压力亦随之减小形成卸载作用。若结构埋置较浅，由于拉伸波造成的卸载作用会部分抵消入射波在顶板上的反射作用；若埋置较深，虽然反射压力在结构变形到最大值过程中全起作用，但随着深度增加，结构动力作用越来越小。,6)、当结构最大变位时间等于反射压力作用时间时，荷载总的动力响应最大，产生此最大动力响应的深度称为“不利覆土厚度”。 7)、 结构顶板不利覆土厚度，其值与抗力等级、结构短边净跨大小有关，结构顶板不利覆土厚度确定后，由试验得出综合反射系数由1近似线性地增至不利覆土处的Km值，当大于不利覆土厚度时，对非饱和土按大于不利覆土厚度时确定的规律随深度减小。 8)、对饱和土当覆土厚度h大于或等于结构最不利覆土厚度hm时，K值可按以下规定确定： 当Pm（N/mm2）201时，平顶结构K=2.0，非平顶结构K=1.8； 当Pm（N/mm2）161时，K值按非饱和土确定； 当161Pm（N/mm2）201时，K值可按线性内插确定。,5.2.2 压缩波对底板作用,Pc3=×Pc1 式中： Pc3-结构底板上核爆动荷载最大压力（KN/M2）； -底压系数，当底板位于地下水位以上时，取0.70.8，其中4B级及4级取小值；当底板位于地下水位以下时，取0.81.0，其中含气量0.1时，取大值。,6 人防结构核爆动荷载计算,6.1 地面建筑物对防空地下室结构核爆动荷载的影响,1、在防空地下室的结构顶板计算中，对抗Pm=0.1、0.05MPa防空地下室，当符合下列条件之一时，可计入上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响。 上部建筑物层数不少于二层，其底层外墙为不低于240mm砖砌体强度的墙体，且任何一面外墙墙面开孔面积不大于该墙面面积的50； 上部为单层建筑物，其承重外墙使用的材料和开孔比例符合上述规定，且屋顶为钢筋混凝土结构。 ·对符合第1条规定的抗Pm=0.05MPa防空地下室，作用在其上部建筑物底层地面的空气冲击波超压波形，可采用有升压时间的平台形，空气冲击波超压计算值可取Pm,升压时间可取0