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（佛山市顺德建筑设计院有限公司 广东 佛山 528300）
【摘 要】本文以人防地下室结构设计为目的，试图论述核爆空气冲击波对人防地下室结构的作用性质、机理、取值大小。本文做出在人防设计中将核爆引起的空气冲击波看作沿水平方向传播的一维平面压缩波这一假定，为结构设计人员正确认识核爆空气冲击波超压和反射超压作用，更好理解人防地下室设计规范，做好人防设计，提供理论参考。
【关键词】核爆 空气冲击波；超压；人防地下室；结构
On the nuclear explosion the air blast on the basement structure of the mechanism
Ning Pan-fang
(Architectural Design Institute Co., Ltd. Foshan City Shunde Foshan Guangdong 528300)
【Abstract】In this paper, basement design for the purpose of trying to discussion of the nuclear explosion the air blast on the nature of the role of basement structure, mechanism, value size. This will make the air defense design as a nuclear explosion caused by air shock wave propagation along the horizontal compression of one-dimensional plane wave assumption for a correct understanding of structural designers nuclear explosion overpressure air blast overpressure and reflection, better understand the basement design specifications, good air defense design, provide a theoretical reference.
【Key words】Nuclear explosion air shock wave;Overpressure;Basement;Structure
1. 概述
关于人防工程地下室的结构设计，主要归结为三个步骤。第一步是确定人防工程地下室的空间结构布置和构件的支承关系及构造；第二步是确定作用在人防地下室结构构件上的各种荷载，包括结构自重、土压力、水压力和空气冲击波超压等；第三步是分析人防工程结构在各种荷载作用下的内力后，做结构构件抗力设计。其中，第一步骤一般由人防使用空间功能要求决定；第三步骤，地下室结构在各种荷载作用下的内力分析和构件设计与一般结构设计大同小异，只是要注意人防地下室结构在核爆空气冲击波超压下的可靠度比一般荷载要求低，设计时，构件材料须乘综合调整系数。而第二步骤，核爆空气冲击波作用荷载，是人防工程结构上的偶然荷载，是人防地下室结构设计必须考虑的特殊荷载,是本文论述的主题。充发认识这种核爆空气冲击波超压荷载的性质和作用机理，是搞好人防地下室结构设计的关键。
2. 核爆冲击波超压荷载的性质和结构可靠性
冲击波荷载对人防地下室结构的作用既是动力荷载，也是偶然荷载。对这种偶然荷载，结构可靠度指标比一般受恒载和活载作用的结构要求小很多。在冲击波超压荷载下，目前规范规定，钢筋混凝土延性构件可靠度指标约是1.55，失效概率为6.1%；脆性构件可靠度指标约是2.4，失效概率为0.8%。因此设计时，钢材和混凝土的强度设计值应乘以综合调整系数γd：钢材Q235设计值应乘1.5，Q345乘以1.35，砼设计值C55以下乘以1.5。核爆冲击波超压荷载引起的效应SQK的分项系数γQ取1.0 ，且考虑与恒载组合。恒载效应SGK分项系数γG取1.2，当恒载对结构有利时，γG取1.0。结构强度设计时，要求结构在核爆冲击波等效静荷载和恒荷载效应组合下，能满足结构强度要求，即符合下式：γG SGK+γQSQK≤R
3. 核爆冲击波对人防地下室结构的作用机理
核爆空气冲击波超压是核武器在空中爆炸时，爆炸中心的高温高压在空气中产生的高压波，以球形波阵面形式由爆炸中心向远处传播，波及几十公里以外，位于冲击波传播的空间中的障碍物和地面会受到冲击波的瞬时高压作用。冲击波波阵面瞬时压力很大，波阵面所到之处，空气超压大约延时1～3秒。空气冲击波超压是指波阵面内空气压缩区高压超出正常大气压以上的压力，它不具有方向性。空气冲击波动压是指波阵面内空气质点高速运动在运动方向上对障碍物产生的压力。当障碍物表面与空气冲击波传播方向平行时不产生动压，此时，障碍物表面只存在超压。反射超压是指波阵面遇到障碍物后反射，在障碍物垂直面上形成的空气超压，是空气冲击波超压与动压之和。障碍物面垂直空气冲击波传播方向时，反射超压有最大值，称正反射超压。正反射超压与入射压力的比值称正反射系数。6级人防正反射系数是2.4，5级人防正反射系数是2.75。规范中考虑地下室墙面结构尺度和位置对冲击波存在空气环流以及扩撒作用，因此，对部分临空墙正反射系数取2.0。
人防地下室结构设计时，假设核爆是在空中爆炸，且距地下室结构有几公里距离。相对地下室尺度来说，爆炸引起的空气冲击波的球形波阵面可看作一维平面压缩波，沿水平方向传播。该空气冲击波在水平地面引起的超压△Pm，6级人防定为：50KN/m2，5级人防定为：100KN/m2。
人防地下室结构顶板、外墙、背墙只受空气冲击波超压作用；而临空墙、门框墙要受空气冲击波反射超压作用。图1表示冲击波波阵面在空气和地面界面沿水平方向传播, 土中波阵面压力滞后空气中波阵面压力。图2a表示空气冲击波超压可按冲量相等原则简化成三角形超压波形, 图2b表示土中冲击波超压可简化成有升压时间的平台形超压波形。
图1 冲击波波阵面在空气和地面界面沿水平传播
图2 冲击波超压简化成三角形或有升压时间平台形3.1 无覆土顶板和临空外墙所受空气冲击波作用。无上部建筑，无覆土的地下室水平顶板，所受空气冲击波超压即同地面超压△Pm。注意地下室水平顶板与冲击波传播方向平行，而墙外边无填土的地下室外露墙体（称临空墙）与冲击波传播方向垂直。由于冲击波在临空墙上是迎面正反射，因此作用在临空墙上的反射超压值大约取水平地面超压值的2倍，即是2△Pm。对室外直通出口和单向出口, 当出口坡度小于300时，门框墙的反射超压值取正反射超压最大值：6级人防是2.4△Pm；5级人防是2.8△Pm。
3.2 有覆土的地下室顶板所受冲击波作用。 地下室顶板覆土有一最不利厚度, 在这一不利覆土厚度下，冲击波对顶板将产生最大反射超压。覆土的最不利厚度与结构顶盖圆频率有关，当覆土中压缩波遇地下室顶盖反射时，反射压缩波即向反方向传播，当反射波在土中作用时间与顶盖变位时间相等时，反射超压最大，此时的覆土厚度就是最不利覆土厚度。当覆土厚度大于最不利覆土厚度时，顶盖所受的反射超压随覆土厚度增加逐渐减小。当覆土厚度小于最不利覆土厚度时，顶盖所受的反射超压随覆土厚度减小也逐渐减小。当覆土厚度不大于0.5米时，综合反射系数可取1.0。对于非饱和土，
综合反射系数按规范［1］ 4.5.3条确定。对于饱和土，当地面超压△Pm不小于土中含气量α的20倍时，其反射超压主要由水承受，综合反射系数可取2.0。当地面超压△Pm小于土中含气量α的16倍时，其反射超压主要由土承受，综合反射系数同非饱和土。当地面超压△Pm大于土中含气量α的16倍，小于α的20倍时，综合反射系数按插值确定。
3.3 地下室外墙所受土体冲击波作用。当地下室墙体全埋在地下时，空气冲击波对墙体的作用机理是，冲击波先作用在地面上，超压值是△Pm，引起地层土压缩，土层内竖向压力Ph产生一个水平侧向主动土压力，该侧向土压力再压到地下室外墙上。因此，地下室外墙承受的冲击波超压是土层竖向超压Ph乘土的侧压力系数ξ，即ξPh，土层内竖向超压Ph与地面超压△Pm成正比，随土层深度逐渐线性减小。如土层4米深处，土的超压Ph值约是地面超压的0.96△Pm，这样，单层地下室外墙顶和底受到土的冲击波超侧压力值可看作均布的。
3.4 地下室底板所受土体冲击波作用。空气冲击波地面超压对地下室底板的作用可从二个方面认识。一个方面是：地面超压传递作用在地下室顶板上，使整个地下室发生向下运动，地下室底板受到地基土反作用力的阻止，阻碍这种运动趋势。如果是天然地基，这种反作用力是顶板所受地面超压△pm的0.8倍左右，底板受地基土反作用力比顶板所受超压小的一个原因是地下室外墙面所受土的摩擦阻力减弱了底板所受的地基土反作用力。这个地基土反作用力是被动土压力。
另一个方面是：地下室底板也受地基土的主动作用力。它产生的机理是，地下室周边土层受空气冲击波地面超压△Pm作用，使土层竖向压缩并产生水平侧压力波，这个水平侧压力波传到地下室底板下的土层处，水平向压缩土层，从而又使土层产生竖向侧压力。该竖向压力即是作用在地下室底板下的主动土压力。这个作用在底板下的主动压力，经过了土的二次侧压力传递，因此，其值大小与侧压力系数平方成正比，并与地面绕到地下室底板下的路径长短有关。即地下室底板所受主动土压是ξ2 Ph。
对于天然地基和均布桩筏地下室底板来说，只需按地面超压引起地基土最大反作用力来确定底板荷载即可。即底板下动荷载是0.8 Ph。对于柱下独立桩基的地下室来说，由于地下室顶板的地面超压使地下室整体向下运动，运动趋势只受柱独立桩基阻止，地面超压只通过独立桩基传给了岩土，这样，地基土冲击波超压只对地下室底板有主动作用力了，即底板承受动荷载大小是ξ2 Ph。
4. 地下室结构承受的核爆冲击波动载的等效静荷载
前面论述了地下室外围结构部份所受的冲击波荷载都还只是动荷载。要把动荷载转换成作用在地下室结构上的等效静荷载，还要乘以动力系数kd。由于动荷载有冲量，会对结构作功，它引起结构上的效应比与动荷载的幅值相等的静荷载的效应要大，因此空气冲击波作用对地下室结构的动力系数kd一般会大于1.0。动力系数kd大小与结构自振圆频率ω，构件延性比［β］，冲击波升压时间t0有关。对无升压时间的冲击波超压作用，kd主要与构件延性比［β］有关：
kd=2［β］/（2［β］-1）。
地下室构件顶板、墙、底板延性比［β］一般可设计为3。构件此时受力状态会出现裂缝，裂缝宽度瞬时可达约0.5mm，这样动力系数kd约等于1.2；
对于临空墙，延性比［β］可设计为2，构件此时受力状态也会出现裂缝，裂缝宽度瞬时可达约0.4mm，这样kd约等于1.34；
对门框墙，延性比［β］可定为1.0，构件此时受力状态无裂缝，完全弹性，这样kd约等于2。
将作用在地下室结构上的动荷载乘以动力系数kd，即得到地下室结构上的冲击波超压等效静荷载。
例如：6级人防，无覆土时，顶板等效静荷载为：1.2×50=60KN/m2，5级人防顶板等效静荷载为：1.2×60=120KN/m2。
5. 总结
本文对人防地下室结构上的核爆空气冲击波超压荷载的作用机理进行了分析和论述。其观点和计算能解释人防地下室结构上的人防荷载作用和大小。核爆引起的空气冲击波可看作沿水平方向传播的一维平面压缩波是本文的主要假定，对理解核爆空气冲击波超压荷载和做好人防结构设计有重要帮助。
参考文献
［1］ GB 50038-2005《人民防空地下室设计规范》 ［S］.
［2］ ?建设部人防工程办公室编：《防空地下室设计》1998.06.
【摘 要】本文以人防地下室结构设计为目的，试图论述核爆空气冲击波对人防地下室结构的作用性质、机理、取值大小。本文做出在人防设计中将核爆引起的空气冲击波看作沿水平方向传播的一维平面压缩波这一假定，为结构设计人员正确认识核爆空气冲击波超压和反射超压作用，更好理解人防地下室设计规范，做好人防设计，提供理论参考。
【关键词】核爆 空气冲击波；超压；人防地下室；结构
On the nuclear explosion the air blast on the basement structure of the mechanism
Ning Pan-fang
(Architectural Design Institute Co., Ltd. Foshan City Shunde Foshan Guangdong 528300)
【Abstract】In this paper, basement design for the purpose of trying to discussion of the nuclear explosion the air blast on the nature of the role of basement structure, mechanism, value size. This will make the air defense design as a nuclear explosion caused by air shock wave propagation along the horizontal compression of one-dimensional plane wave assumption for a correct understanding of structural designers nuclear explosion overpressure air blast overpressure and reflection, better understand the basement design specifications, good air defense design, provide a theoretical reference.
【Key words】Nuclear explosion air shock wave;Overpressure;Basement;Structure
1. 概述
关于人防工程地下室的结构设计，主要归结为三个步骤。第一步是确定人防工程地下室的空间结构布置和构件的支承关系及构造；第二步是确定作用在人防地下室结构构件上的各种荷载，包括结构自重、土压力、水压力和空气冲击波超压等；第三步是分析人防工程结构在各种荷载作用下的内力后，做结构构件抗力设计。其中，第一步骤一般由人防使用空间功能要求决定；第三步骤，地下室结构在各种荷载作用下的内力分析和构件设计与一般结构设计大同小异，只是要注意人防地下室结构在核爆空气冲击波超压下的可靠度比一般荷载要求低，设计时，构件材料须乘综合调整系数。而第二步骤，核爆空气冲击波作用荷载，是人防工程结构上的偶然荷载，是人防地下室结构设计必须考虑的特殊荷载,是本文论述的主题。充发认识这种核爆空气冲击波超压荷载的性质和作用机理，是搞好人防地下室结构设计的关键。
2. 核爆冲击波超压荷载的性质和结构可靠性
冲击波荷载对人防地下室结构的作用既是动力荷载，也是偶然荷载。对这种偶然荷载，结构可靠度指标比一般受恒载和活载作用的结构要求小很多。在冲击波超压荷载下，目前规范规定，钢筋混凝土延性构件可靠度指标约是1.55，失效概率为6.1%；脆性构件可靠度指标约是2.4，失效概率为0.8%。因此设计时，钢材和混凝土的强度设计值应乘以综合调整系数γd：钢材Q235设计值应乘1.5，Q345乘以1.35，砼设计值C55以下乘以1.5。核爆冲击波超压荷载引起的效应SQK的分项系数γQ取1.0 ，且考虑与恒载组合。恒载效应SGK分项系数γG取1.2，当恒载对结构有利时，γG取1.0。结构强度设计时，要求结构在核爆冲击波等效静荷载和恒荷载效应组合下，能满足结构强度要求，即符合下式：γG SGK+γQSQK≤R
3. 核爆冲击波对人防地下室结构的作用机理
核爆空气冲击波超压是核武器在空中爆炸时，爆炸中心的高温高压在空气中产生的高压波，以球形波阵面形式由爆炸中心向远处传播，波及几十公里以外，位于冲击波传播的空间中的障碍物和地面会受到冲击波的瞬时高压作用。冲击波波阵面瞬时压力很大，波阵面所到之处，空气超压大约延时1～3秒。空气冲击波超压是指波阵面内空气压缩区高压超出正常大气压以上的压力，它不具有方向性。空气冲击波动压是指波阵面内空气质点高速运动在运动方向上对障碍物产生的压力。当障碍物表面与空气冲击波传播方向平行时不产生动压，此时，障碍物表面只存在超压。反射超压是指波阵面遇到障碍物后反射，在障碍物垂直面上形成的空气超压，是空气冲击波超压与动压之和。障碍物面垂直空气冲击波传播方向时，反射超压有最大值，称正反射超压。正反射超压与入射压力的比值称正反射系数。6级人防正反射系数是2.4，5级人防正反射系数是2.75。规范中考虑地下室墙面结构尺度和位置对冲击波存在空气环流以及扩撒作用，因此，对部分临空墙正反射系数取2.0。
人防地下室结构设计时，假设核爆是在空中爆炸，且距地下室结构有几公里距离。相对地下室尺度来说，爆炸引起的空气冲击波的球形波阵面可看作一维平面压缩波，沿水平方向传播。该空气冲击波在水平地面引起的超压△Pm，6级人防定为：50KN/m2，5级人防定为：100KN/m2。
人防地下室结构顶板、外墙、背墙只受空气冲击波超压作用；而临空墙、门框墙要受空气冲击波反射超压作用。图1表示冲击波波阵面在空气和地面界面沿水平方向传播, 土中波阵面压力滞后空气中波阵面压力。图2a表示空气冲击波超压可按冲量相等原则简化成三角形超压波形, 图2b表示土中冲击波超压可简化成有升压时间的平台形超压波形。
图1 冲击波波阵面在空气和地面界面沿水平传播
图2 冲击波超压简化成三角形或有升压时间平台形3.1 无覆土顶板和临空外墙所受空气冲击波作用。无上部建筑，无覆土的地下室水平顶板，所受空气冲击波超压即同地面超压△Pm。注意地下室水平顶板与冲击波传播方向平行，而墙外边无填土的地下室外露墙体（称临空墙）与冲击波传播方向垂直。由于冲击波在临空墙上是迎面正反射，因此作用在临空墙上的反射超压值大约取水平地面超压值的2倍，即是2△Pm。对室外直通出口和单向出口, 当出口坡度小于300时，门框墙的反射超压值取正反射超压最大值：6级人防是2.4△Pm；5级人防是2.8△Pm。
3.2 有覆土的地下室顶板所受冲击波作用。 地下室顶板覆土有一最不利厚度, 在这一不利覆土厚度下，冲击波对顶板将产生最大反射超压。覆土的最不利厚度与结构顶盖圆频率有关，当覆土中压缩波遇地下室顶盖反射时，反射压缩波即向反方向传播，当反射波在土中作用时间与顶盖变位时间相等时，反射超压最大，此时的覆土厚度就是最不利覆土厚度。当覆土厚度大于最不利覆土厚度时，顶盖所受的反射超压随覆土厚度增加逐渐减小。当覆土厚度小于最不利覆土厚度时，顶盖所受的反射超压随覆土厚度减小也逐渐减小。当覆土厚度不大于0.5米时，综合反射系数可取1.0。对于非饱和土，
综合反射系数按规范［1］ 4.5.3条确定。对于饱和土，当地面超压△Pm不小于土中含气量α的20倍时，其反射超压主要由水承受，综合反射系数可取2.0。当地面超压△Pm小于土中含气量α的16倍时，其反射超压主要由土承受，综合反射系数同非饱和土。当地面超压△Pm大于土中含气量α的16倍，小于α的20倍时，综合反射系数按插值确定。
3.3 地下室外墙所受土体冲击波作用。当地下室墙体全埋在地下时，空气冲击波对墙体的作用机理是，冲击波先作用在地面上，超压值是△Pm，引起地层土压缩，土层内竖向压力Ph产生一个水平侧向主动土压力，该侧向土压力再压到地下室外墙上。因此，地下室外墙承受的冲击波超压是土层竖向超压Ph乘土的侧压力系数ξ，即ξPh，土层内竖向超压Ph与地面超压△Pm成正比，随土层深度逐渐线性减小。如土层4米深处，土的超压Ph值约是地面超压的0.96△Pm，这样，单层地下室外墙顶和底受到土的冲击波超侧压力值可看作均布的。
3.4 地下室底板所受土体冲击波作用。空气冲击波地面超压对地下室底板的作用可从二个方面认识。一个方面是：地面超压传递作用在地下室顶板上，使整个地下室发生向下运动，地下室底板受到地基土反作用力的阻止，阻碍这种运动趋势。如果是天然地基，这种反作用力是顶板所受地面超压△pm的0.8倍左右，底板受地基土反作用力比顶板所受超压小的一个原因是地下室外墙面所受土的摩擦阻力减弱了底板所受的地基土反作用力。这个地基土反作用力是被动土压力。
另一个方面是：地下室底板也受地基土的主动作用力。它产生的机理是，地下室周边土层受空气冲击波地面超压△Pm作用，使土层竖向压缩并产生水平侧压力波，这个水平侧压力波传到地下室底板下的土层处，水平向压缩土层，从而又使土层产生竖向侧压力。该竖向压力即是作用在地下室底板下的主动土压力。这个作用在底板下的主动压力，经过了土的二次侧压力传递，因此，其值大小与侧压力系数平方成正比，并与地面绕到地下室底板下的路径长短有关。即地下室底板所受主动土压是ξ2 Ph。
对于天然地基和均布桩筏地下室底板来说，只需按地面超压引起地基土最大反作用力来确定底板荷载即可。即底板下动荷载是0.8 Ph。对于柱下独立桩基的地下室来说，由于地下室顶板的地面超压使地下室整体向下运动，运动趋势只受柱独立桩基阻止，地面超压只通过独立桩基传给了岩土，这样，地基土冲击波超压只对地下室底板有主动作用力了，即底板承受动荷载大小是ξ2 Ph。
4. 地下室结构承受的核爆冲击波动载的等效静荷载
前面论述了地下室外围结构部份所受的冲击波荷载都还只是动荷载。要把动荷载转换成作用在地下室结构上的等效静荷载，还要乘以动力系数kd。由于动荷载有冲量，会对结构作功，它引起结构上的效应比与动荷载的幅值相等的静荷载的效应要大，因此空气冲击波作用对地下室结构的动力系数kd一般会大于1.0。动力系数kd大小与结构自振圆频率ω，构件延性比［β］，冲击波升压时间t0有关。对无升压时间的冲击波超压作用，kd主要与构件延性比［β］有关：
kd=2［β］/（2［β］-1）。
地下室构件顶板、墙、底板延性比［β］一般可设计为3。构件此时受力状态会出现裂缝，裂缝宽度瞬时可达约0.5mm，这样动力系数kd约等于1.2；
对于临空墙，延性比［β］可设计为2，构件此时受力状态也会出现裂缝，裂缝宽度瞬时可达约0.4mm，这样kd约等于1.34；
对门框墙，延性比［β］可定为1.0，构件此时受力状态无裂缝，完全弹性，这样kd约等于2。
将作用在地下室结构上的动荷载乘以动力系数kd，即得到地下室结构上的冲击波超压等效静荷载。
例如：6级人防，无覆土时，顶板等效静荷载为：1.2×50=60KN/m2，5级人防顶板等效静荷载为：1.2×60=120KN/m2。
5. 总结
本文对人防地下室结构上的核爆空气冲击波超压荷载的作用机理进行了分析和论述。其观点和计算能解释人防地下室结构上的人防荷载作用和大小。核爆引起的空气冲击波可看作沿水平方向传播的一维平面压缩波是本文的主要假定，对理解核爆空气冲击波超压荷载和做好人防结构设计有重要帮助。
参考文献
［1］ GB 50038-2005《人民防空地下室设计规范》 ［S］.
［2］ ?建设部人防工程办公室编：《防空地下室设计》1998.06.