地下建筑与结构第14讲

地下建筑与结构1~34第十四讲核武器及其爆炸动荷载2第十四讲核武器及其爆炸动荷载3一、核武器及其爆炸效应1.1原子弹与氢弹¾原子弹的装药是铀235和钚239。它的爆炸原理是当总的质量达到或超过“临界质量”时，将立即发生裂变反应。¾氢弹是在弹体内的小型原子弹爆炸所产生的高温高压环境下，生成氘和氚等轻原子核并立即聚合成氦，同时放出巨大的能量，得称为“聚变”反应。¾核武器中原子弹当量2万吨至几十万吨不等，氢弹威力可从几十万吨至几千万吨。它们用“TNT”当量来衡量其威力。¾核武器按其爆炸方式有空爆、地爆、钻地爆(地下爆)几种。4原子弹与氢弹图14.1原子弹、氢弹构造示意图5原子弹与氢弹图14.2原子弹和氢弹爆炸6设在新墨西哥州的原子弹试验场1945年8月6日广岛原子弹爆炸7研制原子弹的建议是爱因斯坦向美国政府提出的投弹机组成员8这是美国对日本投掷的两颗原子弹之一-----大男孩这是美国对日本投掷的两颗原子弹之一----胖子91.2核武器的杀伤破坏因素•核武器的杀伤破坏因素由空气冲击波、光辐射、早期核辐射和放射性沾染、核电磁脉冲、冲击与震动等组成。图14.3为空爆各杀伤破坏因素组成比例。图14.3空爆各种杀伤因素组成比例¾核爆空气冲击波¾光辐射¾早期核辐射(穿透辐射)早期核辐射主要有α、β、γ射线和中子流¾放射性沾染(剩余核辐射)10核武器的杀伤破坏因素•表14.1为几种常见材料对早期核辐射的削弱效果。表14.1几种物体对早期核辐射的削弱效果厚度/cm削弱效果钢铁混凝土砖35479414170105木材土壤水剩下1/10109050702010014015021030剩下1/100180剩下1/1000270由表14.1中可以看出，1.5m厚度的土壤可将早期核辐射削弱至原来的1/1000水平，试验也表明，一般地下工程对其防护是足够安全的。111.3核武器破坏效应•核爆炸空气冲击波特征¾温度上升至数千万度（约3000~4000万度）¾压力上升数百个大气压¾几百~几千Km的压缩区¾温度下降至800万度后，以40~50Km/s的速度向外传播¾冲击波脱离火球向前突进图14.4入射波的正反射12核武器破坏效应•图14.5为核爆炸冲击波的运动过程。图14.5核爆炸冲击波的运动过程13核武器破坏效应•核爆炸冲击波参数核爆冲击波参数主要有核武器当量Q、爆高H、距爆心投影点的距离r、爆炸方式(空爆、地爆、地下爆炸)图14.6核爆炸冲击波压力作用曲线141.4核爆炸冲击波参数图14.6中的各项意义如下：•ΔP(t)—冲击波压力变化曲线（MPa）•ΔP+—冲击波峰值压力（MPa）•t1—按切线简化等效作用时间（s）•t2—按等冲量简化等效正压作用时间（s）•ΔP－—冲击波最大负压（MPa）•t+—压缩区冲击波正压作用时间（s）•t－—稀疏区冲击波负压作用时间（s）15二、土（岩）体压缩波•土（岩）体压缩波特征核爆炸冲击波作用于地面时，不仅从地面反射形成反射冲击波，而且还会压缩土壤并使这种受压的状态逐次向下传播，在土壤中传播的就称为压缩波。图14.7土壤应力应变曲线图14.8压缩波波形图14.7中说明土壤在OA段呈线弹性阶段，AB段为应变软化阶段，B之后的阶段为应变硬化阶段。16土（岩）体压缩波•防护工程结构一般考虑峰值压力等级均处于应变软化阶段，近似取土介质的应力应变关系力学模型如图14.9所示。图14.9土介质力学模型图14.9中C0为土（岩）体起始压力波速（弹性波速），C1为土（岩）体峰值压力波速（塑性波速）。17土（岩）体压缩波•对于受地面冲击波作用的半无限体而言，核爆压缩波传播的弹性波速公式为：00ECρ=式中——起始压力波速(m/s)——有侧限的弹性模量——土体的密度0C0E（14.1）ρ0110CCCCCCγγ==或其中——波速比——峰值压力波速(m/s)c（14.2）γ1C18土（岩）体压缩波•波速比与应变恢复比土的类别起始压力波速波速比应变恢复比粉土200~3002.0~2.50.2硬塑300~4002.0~2.50.2可塑150~2502.0~2.50.1软塑300~5002.0~2.50.1老粘性土300~4001.5~2.00.3红粘土150~2502.0~2.50.2湿陷性黄土200~3002.0~3.00.1淤泥质土120~1502.00.1粘性土（粉质粘土、粘土）表14.2非饱和粘性土、黄土和淤泥质土物理力学参数cγδ0/C⋅-1（ms）19土（岩）体压缩波•波速比与应变恢复比土的类别起始压力波速波速比应变恢复比卵石、碎石300~5001.2~1.50.9圆砾、角砾250~3501.2~1.50.9砂砾350~4501.2~1.50.9粗砂350~4501.2~1.50.8中砂300~4001.50.5细砂250~3502.00.4粉砂200~3002.00.3砂土碎石土0/C⋅-1（ms）cγδ表14.3碎石土、非饱和砂土物理力学参数20土（岩）体压缩波•饱和土的物理力学参数饱和土的物理力学参数可按下式确定1α—式中饱和土界限压力（MPa）0P—0120P（14.3）α=饱和土含气量（%）饱和土含气量应按实测资料确定。如无实测资料时，可取1.0%～1.5%。地下水位常年稳定时，宜取下限值，或按下式确定：1nα=r（1-S）（14.4）式中土的孔隙度n—rS—土的饱和度21土（岩）体压缩波•土（岩）体压缩波动荷载土中压缩波形简化为三角形，公式为：()102210211111hmhhhPPPCtCtδγ⎡⎤⎡⎤⎛⎞mP=−−Δ=−−Δ⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎣⎦或式中：——土(岩)体中压缩波峰值压力(MPa)；——地面冲击波峰值超压(MPa)；——土(岩)体中的计算深度(m)；——卸载波速比γ2=C2/C1；——峰值压力波速(m/s)；——降压时间(s)；——应变恢复比。h（14.5）PmpΔh2γ1C02tδ22土（岩）体压缩波•压缩波升压时间为000(1)hChttCγ=−+（14.6）式中：——压缩波升压时间(s)——波速比——地面冲击波峰值超压升压时间(s)，——起始压力波速(m/s)0htCγ0t00t=0C图14.10压缩波波形23三、核爆动荷载•核爆动荷载1231ChCCCCPKPPPPPξη===1CP2CP3CP式中、、—结构顶盖、外墙、底板的动荷载（MPa）—压缩波平均峰值压力(MPa)k—顶盖综合反射系数ξ—侧压系数，可查表14.4（见下页）η—底压系数。非饱和土可取0.7~0.8（覆土厚度小或为多层结构时，取下限值）；饱和土可取0.8~1.0（含气量不大于0.1%时，可取上限值）。CP（14.7）（14.8）（14.9）ξ图14.11压缩波作用荷载24核爆动荷载土的名称ξ碎石土0.15~0.25地下水位以下0.25~0.35地下水位以下0.70~0.90粉石0.33~0.43坚硬0.20~0.40粘性土可塑0.40~0.70软塑、流塑0.70~1.0砂土表14.4侧压系数ξ注：①密实的碎石土及非饱和砂土，宜取下限值；②非饱和粘性土的液性指数为下限值时，侧压系数宜取下限值；③含气量不大于0.1%的饱和土，宜取上限值。25核爆动荷载•最大动荷载位于某一埋置深度处，该处的覆土厚度被认为是最不利覆土厚度。表14.5为防核武器抗力级别为5级及以下的粘性土人防工程结构不利覆土厚度。mh1.01.52.02.53.05.0≤2.01.001.001.001.001.001.003.01.061.141.281.321.461.804.01.181.421.641.761.982.405.01.301.702.002.202.503.006.01.601.932.342.632.883.727.01.802.192.632.943.254.158.02.002.442.913.253.634.58≥9.02.202.703.203.604.005.00[]β0/lm表14.5粘性土人防工程结构不利覆土厚度mhmm（）26核爆动荷载•表14.6为防核武器抗力级别为5级及以下的砂土、碎石土、饱和土人防工程结构不利覆土厚度。mh1.01.52.02.53.05.0≤2.01.001.001.001.001.001.003.01.101.261.421.501.642.404.01.301.581.862.102.323.205.01.501.902.302.703.004.006.01.822.232.652.973.384.727.02.052.492.933.323.755.158.02.282.743.223.664.135.58≥9.02.503.003.504.004.506.00[]β0/lm表14.6砂土、碎石土、饱和土人防工程结构不利覆土厚度mhmm（）27顶板综合反射系数的确定顶板综合反射系数按下述方法确定：1、当顶盖覆土厚度为零时，综合反射系数可取1.0；2、当顶盖覆土厚度小于结构不利覆土厚度时，可按1.0至不利覆土厚度间线性内插；3、当顶盖覆土厚度等于或大于结构不利覆土厚度，且为非饱和土时，可按表14.7确定。覆土厚度/m基础形式1234567箱形、筏形、壳形基础1.451.401.351.301.251.221.20条形或独立基础1.421.301.201.151.101.051.00表14.7顶盖覆土厚度等于或大于结构不利覆土厚度时的K28顶板综合反射系数的确定4、当顶盖覆土厚度等于或大于结构不利覆土厚度，且为饱和土时，综合反射系数按下列规定确定：¾当顶盖处压缩波峰值压力大于界限压力时，平顶结构的综合反射系数可取2.0；非平顶结构的综合反射系数可取1.8；¾当顶盖处压缩波峰值压力小于等于0.8倍界限压力时，综合反射系数可按非饱和土确定；¾当顶盖处压缩波峰值压力大于0.8倍界限压力，且小于界限压力时，综合反射系数可按线性内插确定。29四、结构动力计算•等效静载法结构周边上的等效静荷载可按下列公式计算q1=Kd1PC1（14.10）q2=Kd2PC2（14.11）q3=Kd3PC3（14.12）式中q1、q2、q3——分别为顶盖竖向、外墙水平、底板竖向等效静荷载；Kd1、Kd2、Kd3——分别为顶盖、外墙、底板的动力系数；Pc1、Pc2、Pc3—分别为顶盖、外墙、底板的核爆动荷载。30结构动力计算z构件工作阶段的允许延性比[β]受力状态使用要求受弯大偏心受压小偏心受压轴心受压一般人防工程且有密闭或防水要求3.02.0战时无密闭或防水要求的人防工程5.02.51.51.2表14.8允许延性比［β］z结构或构件的动力系数当土中掘开式人防工程的抗力级别为较低等级（见有关规定）及以下，且顶盖覆土厚度小于或等于结构不利覆土厚度的两倍时，钢筋混凝土结构的动力系数可按表14.9（见下页）直接查取。31结构动力计算［β］结构部位1.522.535顶盖1.50~1.401.33~1.201.25~1.151.20~1.051.11~1.00外墙1.35~1.261.20~1.081.13~1.041.08~1.001.001.20底板1.00表14.9结构动力系数注：当顶盖覆土厚度为0时，顶盖和外墙的动力系数取大值；当顶盖覆土厚度为不利覆土厚度的两倍时，顶盖和外墙的动力系数取小值；当顶盖覆土厚度小于不利覆土厚度的两倍时，顶盖和外墙的动力系数取线性内插值。32五、截面设计•极限状态表达式人防工程结构或构件的截面设计，应符合下列表达式的要求γ0(γGSGK+γQSQK)≤R(14.13)R=R(fcd,fyd,αk…)式（14.13）中的结构重要性系数γ0=1是基于人防工程的抗力级别已体现其重要性，因此γ0＞1没有必要。核爆动荷载分项系数γQ=1是考虑了其荷载性质是偶然荷载，偶然作用的代表值不乘分项系数，此外，人防工程设计的结构构件可靠度水准比民用规范规定的低很多，故γQ不宜大于1。再者核爆动荷载也是重要荷载，故γQ也不宜小于1。33截面设计•截面设计中的其它调整因素¾板的周边支座横向伸长受到约束时，跨中截面的计算弯