4.5 核武器爆炸動(dòng)荷載
4.5 核武器爆炸動(dòng)荷載
4.5.1 全埋式防空地下室結(jié)構(gòu)上的核武器爆炸動(dòng)荷載，可按同時(shí)均勻作用在結(jié)構(gòu)各部位進(jìn)行受力分析(圖4.5.1a)。
當(dāng)核6級(jí)和核6B級(jí)防空地下室頂板底面高出室外地面時(shí)，尚應(yīng)驗(yàn)算地面空氣沖擊波對(duì)高出地面外墻的單向作用(圖4.5.1b)。
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4.5.1 、4.5.2對(duì)全埋式防空地下室，考慮到空氣沖擊波的傳播速度一般比土中壓縮波傳播速度快，因而土中壓縮波的波陣面與地表之間夾角比較小，可近似將土中壓縮波看成是垂直向下傳播的一維波。又由于防空地下室尺寸相對(duì)于壓縮波波長(zhǎng)較小，因而可進(jìn)一步假定按同時(shí)均勻作用于結(jié)構(gòu)各部位設(shè)計(jì)。
對(duì)頂板底面高出室外地面的防空地下室，迎爆面高出地面的外墻將首先受到空氣沖擊波作用?？紤]到從迎爆面的外墻開(kāi)始受荷到背面墻受荷，會(huì)有一定的時(shí)間間隔，且背面墻上所受荷載要比迎爆面小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本條規(guī)定僅對(duì)高出地面的外墻考慮迎爆面單面受荷。另外由于空氣沖擊波的實(shí)際作用方向不確定，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮四周高出地面的外墻均可能成為迎爆面。
4.5.2 防空地下室結(jié)構(gòu)頂板的核武器爆炸動(dòng)荷載最大壓力Pc1及升壓時(shí)間t0h可按下列公式計(jì)算：
1 頂板計(jì)算中不考慮上部建筑影響的防空地下室：
式中 Pc1——防空地下室結(jié)構(gòu)頂板的核武器爆炸動(dòng)荷載最大壓力(kN/m2)；
K——頂板核武器爆炸動(dòng)荷載綜合反射系數(shù)，可按本規(guī)范第4.5.3條確定；
Ph——核武器爆炸土中壓縮波的最大壓力(kN/m2)，可按本規(guī)范第4.4.3條確定；
h——頂板的覆土厚度(m)；
v0——土的起始?jí)毫Σㄋ?m/s)，可按本規(guī)范第4.4.3條確定；
γc——波速比，可按本規(guī)范第4.4.3條確定；
2 頂板計(jì)算中考慮上部建筑影響的防空地下室：
4.5.3 結(jié)構(gòu)頂板核武器爆炸動(dòng)荷載綜合反射系數(shù)K可按下列規(guī)定確定：
1 覆土厚度h為0時(shí)，K＝1.0；
2 覆土厚度h大于或等于結(jié)構(gòu)不利覆土厚度hｍ時(shí)，非飽和土的K值可按表4.5.3確定，飽和土的K值可按下列規(guī)定確定：
1) 當(dāng)△Pｍ(N/mm2)≥20α1時(shí)，平頂結(jié)構(gòu)K＝2.0，非平頂結(jié)構(gòu)K＝1.8；
2) 當(dāng)△Pｍ(N/mm2)≤16α1時(shí)，K值按非飽和土確定；
3) 當(dāng)16α1＜△Pｍ(N/mm2)＜20α1時(shí)，K值按線性內(nèi)插法確定；
3 結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度h小于結(jié)構(gòu)不利覆土厚度hｍ時(shí)，K值可按線性內(nèi)插法確定。對(duì)主體結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度h不大于0.5m時(shí)，綜合反射系數(shù)K值可取1.0。
表4.5.3 h≥hm時(shí)非飽和土的綜合反射系數(shù)K值
| 防核武器抗力級(jí)別 | 覆土厚度h(m) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 6B、6、5 | 1.45 | 1.40 | 1.35 | 1.30 | 1.25 | 1.22 | 1.20 |
| 4B、4 | 1.52 | 1.47 | 1.42 | 1.37 | 1.31 | 1.28 | 1.26 |
注：1 多層結(jié)構(gòu)綜合反射系數(shù)取表中數(shù)值的1.05倍；
2 非平頂結(jié)構(gòu)綜合反射系數(shù)取表中數(shù)值的0.9倍。
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4.5.3 對(duì)于覆土厚度大于或等于不利覆土厚度的綜合反射系數(shù)K值，主要是考慮了不動(dòng)剛體反射系數(shù)、結(jié)構(gòu)剛體位移影響系數(shù)以及結(jié)構(gòu)變形影響系數(shù)后得出的。另外，研究結(jié)果表明：土中小變形結(jié)構(gòu)的頂部荷載，一維效應(yīng)起主導(dǎo)作用，二維效應(yīng)影響甚微，即結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸的大小對(duì)K值的影響很小。故本規(guī)范不考慮二維效應(yīng)這一影響因素。
關(guān)于飽和土中壓縮波的傳播及飽和土中結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載作用規(guī)律的分析研究，目前可供應(yīng)用的資料有限，現(xiàn)根據(jù)已進(jìn)行過(guò)的少量核武器爆炸、化爆和室內(nèi)模爆試驗(yàn)結(jié)果，提出了較為粗略的估算方法。
蘇聯(lián)Г.M.梁霍夫的研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)壓力P小于某一壓力值[P0]時(shí)，飽和土的受力機(jī)制類似非飽和土(土骨架承力)；當(dāng)壓力P大于[P0]時(shí)，飽和土呈現(xiàn)它特有的受力機(jī)制(主要是空氣和水介質(zhì)的壓縮承力)，[P0]值取決于含氣量a1，見(jiàn)表3。由此提出界限壓力[P0]=20a1（N/mm2）。
表3 [P0]與a1關(guān)系表
另外對(duì)含氣量a1＝4.4％的淤泥質(zhì)飽和土進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)表明，在小于0.6N/mm2壓力的作用下，土中壓力隨著深度的增加，升壓時(shí)間增長(zhǎng)，峰值壓力減小，遇不動(dòng)障礙有反射。由于結(jié)構(gòu)位移較大，所以結(jié)構(gòu)上的壓力接近自由場(chǎng)壓力，即綜合反射系數(shù)較小，呈現(xiàn)出非飽和土性質(zhì)?？紤]到含氣量a1的量測(cè)有誤差，所以規(guī)定地表超壓峰值△Pm≤16a1時(shí)，綜合反射系數(shù)按非飽和土考慮。
當(dāng)含氣量a1＝3％～4％，在相當(dāng)于核5級(jí)時(shí)的飽和土側(cè)限壓縮試驗(yàn)中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化性質(zhì)。為此，有關(guān)單位曾對(duì)應(yīng)變硬化性的介質(zhì)(密實(shí)粗砂)做過(guò)系統(tǒng)的一維波傳播和遇不動(dòng)剛體反射試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：壓縮波峰值壓力不衰減，不動(dòng)剛壁反射系數(shù)k＝2.0～2.6。Г.M.梁霍夫的化爆試驗(yàn)中曾指出，當(dāng)水中沖擊波在湖泊底部反射且底部為不動(dòng)障礙時(shí)，其k＝2.0～2.04?？紤]到應(yīng)變硬化介質(zhì)中傳播的是擊波，所以結(jié)構(gòu)按不動(dòng)剛體考慮，土性按線彈性介質(zhì)考慮，取綜合反射系數(shù)K＝2.0。
4.5.4 土中結(jié)構(gòu)頂板的不利覆土厚度hｍ，可按表4.5.4-1、表4.5.4-2采用。
表4.5.4-1 核6B級(jí)、核6級(jí)、核5級(jí)防空地下室土中結(jié)構(gòu)頂板不利覆土厚度
| ι0(m) | ≤2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 |
| hm(m) | 1.0 | 1.2 | 1.5 | 1.7 | 2.0 | 2.2 | 2.5 | 2.7 |
| ι0(m) | 6.0 | 6.5 | 7.0 | 7.5 | 8.0 | 8.5 | ≥9.0 |
| hm(m) | 2.9 | 3.0 | 3.2 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 4.0 |
注：1 ι0為頂板凈跨，雙向板取短邊凈跨；對(duì)多跨結(jié)構(gòu)，取最大短邊凈跨；
2 hｍ為取頂板允許延性比[β]＝3時(shí)與l0對(duì)應(yīng)的土中結(jié)構(gòu)不利覆土厚度。
表4.5.4-2 核4級(jí)、核4B級(jí)防空地下室土中結(jié)構(gòu)頂板不利覆土厚度
| ι0(m) | ≤3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 |
| hm(m) | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 1.9 | 2.1 | 2.3 |
| ι0(m) | 7.0 | 7.5 | 8.0 | 8.5 | 9.0 | 9.5 | ≥10.0 |
| hm(m) | 2.5 | 2.7 | 3.0 | 3.2 | 3.5 | 3.7 | 4.0 |
注：1 ι0為頂板凈跨，雙向板取短邊凈跨；對(duì)多跨結(jié)構(gòu)，取最大短邊凈跨；
2 hｍ為取頂板允許延性比[β]＝3時(shí)與l0對(duì)應(yīng)的土中結(jié)構(gòu)不利覆土厚度。
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4.5.4 由于土中壓縮波隨傳播距離的增加峰值壓力減小，升壓時(shí)間增長(zhǎng)，其效果是隨深度的增加結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用逐漸降低。另一方面，當(dāng)壓縮波遇到結(jié)構(gòu)頂板時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生反射壓縮波并朝反向傳播，當(dāng)它到達(dá)自由地表面時(shí)，因地表無(wú)阻擋面使土體趨向疏松，形成向下傳播的拉伸波。拉伸波所到之處壓力將迅速降低，當(dāng)拉伸波傳到頂板時(shí)，頂板壓力也將隨之減小。如果頂板埋置較深，拉伸波到達(dá)時(shí)間較晚，在此之前結(jié)構(gòu)頂板可能已達(dá)到最大變形，因而拉伸波不能起到卸荷作用；如果頂板埋深很淺，由于拉伸波產(chǎn)生的卸荷作用，將會(huì)抵消大部分入射波在頂板上形成的反射作用。根據(jù)以上多種影響因素綜合考慮，承受壓縮波作用的土中淺埋構(gòu)件，會(huì)有一個(gè)頂板不利覆土厚度。通過(guò)試驗(yàn)分析，其不利覆土厚度的大小，主要與地面超壓值、結(jié)構(gòu)自振頻率以及結(jié)構(gòu)允許延性比等因素有關(guān)。為便于使用，本條給出的不利覆土厚度，是經(jīng)綜合分析后簡(jiǎn)化得出的。
4.5.5 土中結(jié)構(gòu)外墻上的水平均布核武器爆炸動(dòng)荷載的最大壓力Pc2及升壓時(shí)間t0h可按下列公式計(jì)算：
式中 Pc2——土中結(jié)構(gòu)外墻上的水平均布核武器爆炸動(dòng)荷載的最大壓力(kN/m2)；
ξ——土的側(cè)壓系數(shù)。當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可按表4.5.5采用。
表4.5.5 核武器爆炸動(dòng)荷載作用下土的側(cè)壓系數(shù)ξ值
| 土的類別 | 側(cè)壓系數(shù)ξ |
| 碎石土 | 0.15~0.25 |
| 砂土 | 地下水位以上 | 0.25~0.35 |
| 地下水位以下 | 0.70-0.90 |
| 粉土 | 0.33~0.43 |
粘性土
(粉質(zhì)粘
土、粘土) | 堅(jiān)硬、硬塑 | 0.20~0.40 |
| 可塑 | 0.40~0.70 |
| 軟塑、流塑 | 0.70~1.00 |
| 老粘性土 | 0.20~0.33 |
| 紅粘土 | 0.30~0.45 |
| 濕陷性黃土 | 0.25~0.40 |
| 淤泥質(zhì)土 | 0.70~0.90 |
注：1 碎石土及非飽和砂土：密實(shí)、顆粒粗的取小值；
2 非飽和粘性土：液性指數(shù)低的取小值；
3 飽和粘性土、飽和砂土：含氣量α1≤0.1％時(shí)取大值。
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4.5.5 為與本規(guī)范表4.4.3-1相對(duì)應(yīng)，表4.5.5中增加了老黏性土、紅黏土、濕陷性黃土、淤泥質(zhì)土的側(cè)壓系數(shù)。
4.5.6 當(dāng)核6級(jí)、核6B級(jí)防空地下室的頂板底面按本規(guī)范第3.2.15 條規(guī)定高出室外地面，直接承受空氣沖擊波作用的外墻最大水平均布?jí)毫c2' 可取2△Pｍ。
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4.5.6 當(dāng)防空地下室頂板底面高出室外地面時(shí)，高出地面的外墻將承受空氣沖擊波直接作用?？紤]到地面建筑一般開(kāi)有孔洞，迎爆面沖擊波將產(chǎn)生明顯的環(huán)流效應(yīng)，故可近似取反射系數(shù)的下限值2.0。由此可取防空地下室高出地面外墻的最大水平均布?jí)毫?△Pm。
4.5.7 結(jié)構(gòu)底板上核武器爆炸動(dòng)荷載最大壓力可按下列公式計(jì)算：
Pc3=ηPc1 (4.5.7)
式中 Pc3——結(jié)構(gòu)底板上核武器爆炸動(dòng)荷載最大壓力(kN/m2)；
η——底壓系數(shù)，當(dāng)?shù)装逦挥诘叵滤灰陨蠒r(shí)取0.7～0.8，其中核4B級(jí)及核4級(jí)時(shí)取小值；當(dāng)?shù)装逦挥诘叵滤灰韵聲r(shí)取0.8～1.0，其中含氣量α1≤0.1％時(shí)取大值。
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4.5.7 作用在結(jié)構(gòu)底板上的核武器爆炸動(dòng)荷載主要是結(jié)構(gòu)受到頂板動(dòng)荷載后往下運(yùn)動(dòng)從而使地基產(chǎn)生的反力，即結(jié)構(gòu)底部壓力由地基反力構(gòu)成。根據(jù)近年來(lái)對(duì)土中一維壓縮波與結(jié)構(gòu)相互作用理論及有限元法分析研究結(jié)果，地下水位以上的結(jié)構(gòu)底板底壓系數(shù)為0.7～0.8；地下水位以下的結(jié)構(gòu)底板底壓系數(shù)為0.8～1.0。
4.5.8 作用在防空地下室出入口通道內(nèi)臨空墻、門(mén)框墻上的核武器爆炸空氣沖擊波最大壓力Pc值，可按表4.5.8確定。
表4.5.8 出入口通道內(nèi)臨空墻、門(mén)框墻最大壓力Pc值
| 出入口部位及形式 | 防核武器抗力級(jí)別 |
| 6B | 6 | 5 | 4B | 4 |
| 頂板荷載考慮上部建筑影響的室內(nèi)出入口 | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm | 1.9ΔPm | — | — |
| 頂板荷載不考慮上部建筑影響的室內(nèi)出人口，室外豎井、樓梯、穿廊出人口 | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm |
| 室外直通、單向出人口 | ζ <30° | 2.3ΔPm | 2.4ΔPm | 2.8ΔPm | 3.0ΔPm | 3.0ΔPm |
| ζ ≥30° | 2.0ΔPm | 2.0ΔPm | 2.4ΔPm |
注：ζ為直通、單向出入口坡逼的坡度角。
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4.5.8 作用在防空地下室出入口通道內(nèi)臨空墻、門(mén)框墻上的最大壓力值，是按下述考慮確定的。
對(duì)頂板荷載考慮上部建筑影響的室內(nèi)出入口，其具體條件及入射沖擊波參數(shù)均按本規(guī)范第4.4.4～4.4.6條規(guī)定確定。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)入射超壓相當(dāng)于核5級(jí)左右時(shí)，有升壓時(shí)間的沖擊波反射超壓不會(huì)大于入射超壓的二倍。因此，本條取反射系數(shù)值等于2。
對(duì)室外豎井、樓梯、穿廊出入口以及頂板荷載不考慮上部建筑影響的室內(nèi)出入口，其內(nèi)部臨空墻、門(mén)框墻的最大壓力值均按1.98△Pm(近似取2.0△Pm)計(jì)算確定。
對(duì)量大面廣的核5級(jí)、核6和核6B級(jí)防空地下室，其室外直通、單向出入口按出入口坡道坡度分為ζ＜30°及ζ≥30°兩種情況分別確定臨空墻最大壓力，其中ζ＜30°時(shí)按正反射公式計(jì)算確定，ζ≥30°時(shí)按激波管試驗(yàn)及有關(guān)公式計(jì)算后綜合分析確定。對(duì)核4級(jí)和核4B級(jí)的防空地下室，按有一定夾角的有關(guān)公式計(jì)算確定。
4.5.9 防空地下室戰(zhàn)時(shí)非主要出入口，除臨空墻外，其它與防空地下室無(wú)關(guān)的墻、樓梯踏步和休息平臺(tái)等均不考慮核武器爆炸動(dòng)荷載作用。
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4.5.9 室內(nèi)出入口在遭受核襲擊時(shí)，如何防止被上部建筑的倒塌物及鄰近建筑的飛散物所堵塞是個(gè)很難解決的問(wèn)題，故在本規(guī)范中規(guī)定，防空地下室一般以室外出入口作為戰(zhàn)時(shí)使用的主要出入口。為此，如再考慮將室內(nèi)出入口內(nèi)與防空地下室無(wú)關(guān)的墻或樓梯進(jìn)行防護(hù)加固，不僅加固范圍難以確定，而且也難以保證其不被堵塞，故無(wú)實(shí)際意義。所以本條規(guī)定，對(duì)于與防空地下室無(wú)關(guān)的部位不考慮核武器爆炸動(dòng)荷載作用。
4.5.10 防空地下室室外出入口土中通道結(jié)構(gòu)上的核武器爆炸動(dòng)荷載，可按下列規(guī)定確定：
1 有頂蓋段通道結(jié)構(gòu)，按承受土中壓縮波產(chǎn)生的核武器爆炸動(dòng)荷載計(jì)算，其值可按本規(guī)范第4.5.2～4.5.5條及第4.5.7條確定；
2 無(wú)頂蓋敞開(kāi)段通道結(jié)構(gòu)，可不驗(yàn)算核武器爆炸動(dòng)荷載作用；
3 土中豎井結(jié)構(gòu)，無(wú)論有無(wú)頂蓋，均按由土中壓縮波產(chǎn)生的法向均布動(dòng)荷載計(jì)算，其值可按本規(guī)范第4.5.5條確定。
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4.5.10 在核武器爆炸動(dòng)荷載作用下，室外出入日通道結(jié)構(gòu)既受土中壓縮波外壓，又受自口部直接進(jìn)入的沖擊波內(nèi)壓，由于二者作用時(shí)間不同，很難綜合考慮。結(jié)合試驗(yàn)成果，本條在保證出入口不致倒塌(一般允許出現(xiàn)裂縫)的前提下，規(guī)定出入口結(jié)構(gòu)的封閉段(有頂蓋段)及豎井結(jié)構(gòu)僅按外壓考慮。這是因?yàn)殡m然內(nèi)壓一般大于外壓，但在內(nèi)壓作用下土中通道結(jié)構(gòu)通常只出現(xiàn)裂縫，不致向通道內(nèi)側(cè)倒塌而使通道堵塞。對(duì)于無(wú)頂蓋的敞開(kāi)段通道，試驗(yàn)表明，僅按外部土壓和地面堆積物超載設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在核武器爆炸動(dòng)荷載作用下，沒(méi)有出現(xiàn)破壞堵塞的情況。因此本條規(guī)定敞開(kāi)段通道不考慮核武器爆炸動(dòng)荷載作用。
4.5.11 作用在擴(kuò)散室與防空地下室內(nèi)部房間相鄰的臨空墻上最大壓力，可按消波系統(tǒng)的余壓確定。作用在與土直接接觸的擴(kuò)散室頂板、外墻及底板上的核武器爆炸動(dòng)荷載可按本規(guī)范第4.5.2～4.5.7條確定。
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4.5.11 與土直接接觸的擴(kuò)散室頂板、外墻及底板與有頂蓋的通道結(jié)構(gòu)類似，既受土中壓縮波外壓，又受自消波系統(tǒng)口部進(jìn)入的沖擊波余壓(內(nèi)壓)作用。由于外壓和內(nèi)壓作用時(shí)間不同，且在內(nèi)壓作用下土中結(jié)構(gòu)通常只出現(xiàn)裂縫，不致向內(nèi)側(cè)倒塌，故與土直接接觸的擴(kuò)散室頂板、外墻及底板只按承受外壓作用考慮。
