防核武器防空地下室的相關(guān)概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王穎 錢琨

摘 要：人防工程建設(shè)考慮防御核武器有其必然性和必要性。防空地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因其所受核爆炸荷載的特殊性而與普通地下室設(shè)計(jì)有所不同。本文主要介紹了核爆炸過程中的空氣沖擊波、地面沖擊波和土中壓縮波的機(jī)理及其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，以及防空地下室與普通地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要區(qū)別。

關(guān)鍵詞：防空地下室；沖擊波；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 核爆炸空氣沖擊波

核武器在大氣中爆炸時(shí)，瞬間釋放出巨大能量，行成高溫高壓的火球?；鹎騽×遗蛎?，急劇加熱和壓縮鄰近未擾動(dòng)的空氣，形成壓縮空氣層。它的前沿像一面高速向前的高壓氣體墻，墻面的超壓值最高，靠里則逐漸降低。壓縮空氣層向未擾動(dòng)的大氣中運(yùn)動(dòng)，壓縮區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)壓縮區(qū)的前沿離開爆心一定距離后，由于在爆心處得不到進(jìn)一步的能量補(bǔ)充，以及氣體運(yùn)動(dòng)的慣性影響，在緊隨壓縮區(qū)之后就出現(xiàn)了壓力低于正常大氣壓的空氣稀疏區(qū)。緊密相連的壓縮區(qū)和稀疏區(qū)脫離爆心向四周傳播從而形成空氣沖擊波。壓縮區(qū)的前沿與未擾動(dòng)空氣的分界面稱為沖擊波的波陣面。在波陣面上，氣體的壓力、密度、溫度和空氣分子的運(yùn)動(dòng)速度都突躍到最大值，這是沖擊波的主要特點(diǎn)。波陣面以超聲速向前推進(jìn)，由于能量的空間擴(kuò)散和消耗，隨著離開爆心距離的加大，波陣面的超壓將不斷降低，同時(shí)壓縮區(qū)和稀疏區(qū)的厚度也越來(lái)越大，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ臍饬鳌?/p>

沖擊波到達(dá)處的超壓瞬時(shí)由零驟增到峰值，然后隨壓縮區(qū)的通過，該處壓力不斷減小，隨稀疏區(qū)的通過，超壓又變?yōu)樨?fù)值，緊接著負(fù)壓逐漸增大到最大值后又逐漸減小，并恢復(fù)到正常大氣壓。在防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把沖擊波的波陣面及位于其后的氣體壓力超過大氣壓力的部分稱為空氣沖擊波超壓，超壓的最大值稱為超壓峰值。

2 核爆炸地面沖擊波

核武器空中爆炸時(shí)，在爆心正下方的沖擊波陣面的傳播方向與地表垂直，稱其為入射沖擊波。當(dāng)入射波的波陣面與地表面相遇后，空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受阻，造成體積擠壓而使壓力升高。這種壓力和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)將逐漸反向向上傳播，形成反射沖擊波。入射波與障礙面正交時(shí)的反射稱為正反射。正反射時(shí)的最大反射超壓與入射波波陣面上的最大超壓之比稱為反射系數(shù)。反射超壓可按下式計(jì)算，由下式可見，反射系數(shù)隨著入射波超壓的增加而增加。在理想狀態(tài)下，反射系數(shù)可達(dá)到8，正反射壓力遠(yuǎn)大于入射波壓力。

3 核爆炸土中壓縮波

空氣沖擊波作用于地表，壓迫土體并使其產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這種由上而下逐層傳播的壓縮狀態(tài)形成了土中壓縮波。土中壓縮波作用于結(jié)構(gòu)頂板上時(shí)將產(chǎn)生反射，并使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體位移和變形，這些位移和變形又反過來(lái)影響壓縮波荷載，這種相互影響的力學(xué)現(xiàn)象稱為介質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間動(dòng)態(tài)相互作用。在防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用綜合反射系數(shù)K來(lái)反映壓縮波與頂板的相互作用影響。

當(dāng)壓縮波遇到頂板產(chǎn)生反射壓縮波后，即向反方向傳播，反射波所到之處介質(zhì)壓力增高。當(dāng)它返回自由地表時(shí)，因地表為自由界面必然產(chǎn)生反射，這種波為向下傳播的拉伸波，拉伸波所到之處的壓力隨之下降，當(dāng)傳播到頂板時(shí)，頂板壓力亦隨之減小形成卸載作用。若結(jié)構(gòu)埋置較淺，由于拉伸波造成的卸載作用會(huì)部分抵消入射波在頂板上的反射作用；若埋深較深，雖然反射壓力在結(jié)構(gòu)變形到最大值過程中一直起作用，但隨著深度增加，結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用越來(lái)越小，當(dāng)結(jié)構(gòu)最大變位時(shí)間等于反射壓力作用時(shí)間時(shí)，荷載總的動(dòng)力響應(yīng)最大，產(chǎn)生此最大動(dòng)力響應(yīng)的深度稱為“結(jié)構(gòu)頂板不利覆土厚度”，其值與抗力等級(jí)、結(jié)構(gòu)短邊凈跨大小有關(guān)?！度嗣穹揽盏叵率以O(shè)計(jì)規(guī)范》4.5.4條對(duì)不利覆土厚度的取值做出了具體規(guī)定。

4 防空地下室與普通地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要區(qū)別

（1）防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足戰(zhàn)時(shí)的抗力，還要滿足平時(shí)使用的結(jié)構(gòu)要求，應(yīng)是同時(shí)滿足平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種不同荷載效應(yīng)組合要求下的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可按彈塑性工作階段設(shè)計(jì)。在爆炸動(dòng)荷載作用下，構(gòu)件即使進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，只要?jiǎng)雍奢d引起的最大變形不超過允許最大變形，則在這種瞬間動(dòng)荷載作用消失以后，由于阻尼影響，其振動(dòng)變形將不斷衰減，最后能達(dá)到某一靜止平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)雖然出現(xiàn)一些殘余變形，但仍具有承受荷載的能力。構(gòu)件在塑性階段工作可比僅在彈性階段工作吸收更多的能量，可充分發(fā)揮材料潛能。在動(dòng)荷載作用下，對(duì)防空地下室中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，處于屈服后開裂狀態(tài)仍屬于正常的工作狀態(tài)。

（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度可適當(dāng)提高。實(shí)驗(yàn)表明，加載速率直接影響材料的力學(xué)性能。在爆炸動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所經(jīng)受的是毫秒級(jí)的快速變形過程，與標(biāo)準(zhǔn)靜載試驗(yàn)速度相比要快千百倍，這時(shí)材料力學(xué)性能的變化主要表現(xiàn)為強(qiáng)度的提高。《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.3條中采用綜合調(diào)整系數(shù)對(duì)動(dòng)荷載作用下的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行了放大。

（4）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形極限用允許延性比控制。允許延性比是指構(gòu)件允許出現(xiàn)的最大變位與彈性極限變位的比值。允許延性比不大于1時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；允許延性比大于1時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段。允許延性比雖然不能直接反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、撓度及裂縫等情況，但與這三者都有密切的聯(lián)系，且能直接表明結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的工作狀態(tài)。在確定各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的允許延性比限值時(shí)，已考慮了對(duì)變形的限制和防護(hù)密閉要求，因而在結(jié)構(gòu)計(jì)算中不必再單獨(dú)進(jìn)行變形和裂縫開展的驗(yàn)算。

《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》4.6.2條規(guī)定，允許延性比[β]值可按表1取值。

（5）地面多層或高層建筑物，對(duì)于核爆炸沖擊波、早期核輻射等破壞因素都有一定的削弱作用，但地面建筑物在戰(zhàn)時(shí)極易發(fā)生火災(zāi)而使有害氣體大量增加，對(duì)于密閉性能不好的工程，將對(duì)室內(nèi)人員造成傷害。地面建筑物的倒塌可能會(huì)導(dǎo)致防空地下室出入口的堵塞，所以在室外的戰(zhàn)時(shí)主要出入口，應(yīng)設(shè)置在地面建筑的倒塌范圍之外。因條件限制需設(shè)在倒塌范圍以內(nèi)時(shí)，應(yīng)采用防倒塌棚架。

綜上，防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通地下室相比，有荷載作用機(jī)理復(fù)雜，構(gòu)件安全度低，構(gòu)造要求在設(shè)計(jì)成果中所占比重大等特點(diǎn)。防核武器防空地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不應(yīng)是荷載和模型的簡(jiǎn)單組合，而應(yīng)是在基本概念和機(jī)理明確清晰基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化計(jì)算與構(gòu)造要求的有機(jī)結(jié)合。