机场防护工程设计课件4

1、 防 护 工 程 与 结 构3 核爆下土中动载的计算分析土中压缩波与浅埋结构相互作用理论的计算模型： 刚性结构。对于土壤中的整体式钢筋混凝土结构，试验及动力有限元分析表明，结构本身的弯曲、压缩变形远小于结构整体沉陷。大多数情况下，弯曲变形只占全部变形的15-25%。因此在计算分析中，可作为刚性结构处理。这类工程在人防工程和国防工程中大量使用； 1 防 护 工 程 与 结 构土中压缩波与浅埋结构相互作用理论的计算模型： 刚性地基上的柔性结构。当结构构筑于岩石基础上，整体沉陷小，结构顶板的弯曲变形是主要表现形式。因此主要考虑结构顶板的弯曲变形，而忽视结构的整体沉陷； 柔性地基上的柔性结构。需要同时

2、考虑结构的整体沉陷，以及结构本身的弯曲变形。一般引入整体位移和顶盖变形两个独立参数，成为两个自由度的结构体系；2 防 护 工 程 与 结 构4 三系数法 虽然“土与结构相互作用理论”确定土中结构荷载的方法，理论清晰，精度高，能很好的解释爆炸波作用下土与结构的相互作用机理，但分析十分复杂，应用不方便。 在实际工程中，多采用半经验半理论的实用方法“三系数法“，分别为衰减系数、综合反射系数、动力系数。3 防 护 工 程 与 结 构三系数法的基本步骤： 引入衰减系数，考虑土中压缩波在传播过程中的衰减； 引入综合反射系数，综合考虑波与结构以及自由地表相互作用的影响，以确定结构上的动载； 引入动力系数，采

3、用等效静载法，确定作用在结构上的等效静载。4 防 护 工 程 与 结 构顶板动载与综合反射系数： 作用于结构顶板的核爆动载波形，可取与自由压缩波波形相同的荷载形式，即有升压时间的平台形荷载，动载峰值和升压时间的确定公式： 根据土与结构相互作用分析的结果，承受土中压缩波的土中构件存在一个不利覆土厚度hm。当覆土厚度小于hm时，地表产生的卸载作用会抵消大部分的入射波在结构上的反射作用；当覆土厚度大于hm时，地表无卸载作用。5 防 护 工 程 与 结 构不利的覆土厚度hm： 顶板的最不利覆土厚度主要与地面超压值，覆土类型、结构自振频率、结构允许延性比等因素有关。对于地面冲击波超压峰值不大于0.1MP

4、a，结构允许延性比为3的土中浅埋平顶结构， hm可取值如下：土的类别顶板净跨 l0（m）2.03.04.05.06.07.08.09.0粘土1.01.52.02.52.93.23.64.0砂土1.01.62.33.03.43.84.14.5双向板取短方向净跨，多跨去最大短边净跨，饱和土、碎石土按砂土取定6 防 护 工 程 与 结 构顶板动载与综合反射系数： 当覆土厚度h=0时，综合反射系数K=1.0。当h=hm时，综合反射系数取最大值K=Km。当hhm时，K趋于减小，但为便于设计，工程中仍采用Km。当0hhm时，K取1.0到Km之间的线性插值。 对于非饱和土，当地面冲击波超压不大于0.1MPa

5、，对于hhm的综合反射系数Km，可表示为：条形或独立基础的结构：箱形或筏形基础的结构：7 防 护 工 程 与 结 构外墙动载与侧压系数： 为简化计算，假定沿外墙高度的动载均匀分布。因此在计算中，埋深h取外墙高度中点位置，进行计算。 作用于结构外墙的核爆动载波形，可取与自由压缩波波形相同的荷载形式，即有升压时间的平台形荷载，动载峰值和升压时间的确定公式：8 防 护 工 程 与 结 构外墙动载与侧压系数：土的类别侧压系数碎石土0.150.25砂土地下水位以上0.250.35地下水位以下0.70.9粉土0.330.43粘性土坚硬状态0.20.4可塑状态0.40.7软塑、流塑状态0.71.0老粘性土0

6、.20.33红粘土0.30.45湿陷性黄土0.250.4淤泥质土0.70.99 防 护 工 程 与 结 构底板动载与底压系数： 底板上的动载主要由结构往下运动产生的地基反力、核爆炸波的绕射等构成，其升压时间较长，在计算中，将其视为静载计算。 作用于结构底板上的动载峰值的确定公式： 为底压系数，当底板位于地下水位以上，取0.7-0.8，位于地下水位以下，取0.8-1.0。10 防 护 工 程 与 结 构第六章 地下防护结构动力分析 如果荷载的作用力的大小、方向或位置随时间较快变化，作用于结构的这种荷载为动力荷载。 在防护结构动力分析中，如果不允许出现不可恢复的残余变形，将结构视为弹性体系。如果设

7、计时可利用结构的塑性变形性能，为弹塑性体系。1 概述11 防 护 工 程 与 结 构 动载的作用下，结构产生振动。结构随时间变化的位移有振动加速度决定。 动力问题的基本特性：必须考虑结构质量运动加速度的影响，即振动加速度引起的惯性力。在能量守恒中，考虑结构动能的影响。12 防 护 工 程 与 结 构惯性力静载作用动载作用弯矩；剪力；挠度曲线弯矩；剪力；挠度曲线；惯性力13 防 护 工 程 与 结 构钢混梁核爆炸化学爆炸受迫振动自由振动14 防 护 工 程 与 结 构 自由振动和受迫振动，振动周期均为T。 不同时刻的结构形状与静挠度曲线相似，即只需要一个参数，就可标定全部质点的位移。这样的体系成

8、为单自由度体系。 最大动位移ym发生在时程曲线的第一个峰值上。要使得结构能够安全度过此峰值。静载设计中多关注结构的强度和抗力。动力设计中，还要关注最大变形或位移，不能超过极限值或设计值。15 防 护 工 程 与 结 构 对于质量连续分布的实际结构，要确定全部的惯性力，需要确定每个质点的位移和加速度。各质点的位置和时间均为独立变量，分析就需要建立偏微分方程。 若简化为单自由度体系，运动方程为常微分方程。两种方法：直接平衡法和能量法。2 动力分析的基本原理16 防 护 工 程 与 结 构 直接平衡法P为外力，R为结构抗力令惯性力：单自由度系统达朗贝尔原理17 防 护 工 程 与 结 构 能量法 在

9、任一时刻，外力截止此时刻做功为W,则等于该时刻的结构应变能U与动能V之和。 还可应用虚位移原理，拉格朗日方程，汉密尔顿原理来建立方程。 结构在外力作用下，变形而积蓄能量，质量因获得速度而具有动能。外力因作用点移动而做功。 与静力问题比较，能量方程中多了动能，如果有阻力，还需要减去阻力消耗能量。18 防 护 工 程 与 结 构 无阻尼弹性体系的自振频率与振型 若式中，P=0，可得： 其中 结构体系振动时，能保持固定的振动形式，称为主振型。对于弹性结构，体系有多少自由度，就有多少主振型。最低的自振频率为第一自振频率或者基频19 防 护 工 程 与 结 构 在动载条件下，只有当动载的分布形式与惯性力

10、的分布始终一致，或者等效静载的挠度曲线与动载分布完全一致，才可视为单自由度体系，并仅有一个主振型。 一般情况下，动载作用下的构件挠度曲线的几何形状随时间变化，任意两点的位移比值随时间改变。合理简化后，可取动载作为静力时的挠度曲线作为主振型。3 结构构件的等效单自由度分析方法20 防 护 工 程 与 结 构 若构件进入塑性阶段，变形主要集中在塑性铰处，塑性铰之外的部分，可近似视为不再变形的刚体，结构的运动成为刚体组成的机构运动。 承受动载，只考虑弹性工作的体系，简化为等效单自由度弹性体系；进入塑性阶段的结构体系，可简化为等效单自由度弹塑性体系。21 防 护 工 程 与 结 构简支梁的挠度曲线方程

11、：跨中挠度：均布荷载下的振型：单自由度，质量均布体系22 防 护 工 程 与 结 构等效体系单自由度，质量均布体系质点弹簧体系实际体系（1）等效体系的质点位移与构件代表点位移相同y（t）（2）等效体系的自振频率与构件的自振频率相同等效动载Pe(t)等效质量Me等效刚度Ke等效抗力Re23 防 护 工 程 与 结 构 等效动载与荷载系数 实际构件的动载为p（x）f（t），其中p（x）为峰值，f（t）为时间变化规律。构件振型X(x)，t时刻的位移为X（x）y（t）。 到t时刻，等效体系的荷载pe（t）作功为 实际体系的荷载作功为均布荷载24 防 护 工 程 与 结 构 等效动载与荷载系数 定义构件

12、的均布荷载的等效荷载系数KL为 其物理意义是将作用于真实体系上的总荷载乘以荷载系数后，等于等效体系中的集中荷载Pe（t） 塑性阶段：25 防 护 工 程 与 结 构 等效质量与质量系数 设单位长度质量m，跨中速度dy/dt，X(x)为振型函数，则真实体系动能： 等效体系的动能=真实体系的动能 等效体系动能： 质量系数：26 防 护 工 程 与 结 构 等效质量与质量系数 均布荷载简支梁弹性阶段：塑性阶段：27 防 护 工 程 与 结 构 等效抗力与抗力系数 振型假定为静载作用下的挠度曲线，体系的应变能必然等于产生该变形的外力所做的功，所以抗力的等效关系与荷载的等效关系相同。用Re表示等效抗力，

13、R表示真实抗力，KR表示抗力系数，则有： 构件抗力是变形引起的内力，用产生这一变形的外加静荷载来表示等效抗力。28 防 护 工 程 与 结 构 荷载系数、质量系数与抗力系数 均布荷载简支梁 均布荷载板：29 防 护 工 程 与 结 构 等效体系的运动方程等效体系单自由度，质量均布体系质点弹簧体系实际体系30 防 护 工 程 与 结 构 等效体系的运动方程质量荷载系数对均布荷载的等截面简支梁的计算精度较高等效体系精确结果：31 防 护 工 程 与 结 构 塑性阶段的等效体系与质量荷载系数 进入塑性阶段后，体系按等效体系进行动力分析的精度较弹性阶段高。 在塑性阶段，塑性铰的塑性变形元大于构件区段的

14、弹性变形，因此塑性铰和刚体组成机构的振动形式与实际振动形式非常接近，可视为塑性阶段的唯一振型。32 防 护 工 程 与 结 构 体系的抗力由变形而引起，因此抗力R只与变形有关，两者之间的关系R(y)为抗力函数。 结构的最大抗力在数值上等于所能承受的最大静荷载。 抗力的量纲与外荷载一致。4 结构抗力33 防 护 工 程 与 结 构理想弹塑性模型刚塑性模型线弹性模型线性软化模型34 防 护 工 程 与 结 构突加平台形荷载瞬时冲量荷载 典型动载下的最大抗力Rm设动载下的最大位移ym，且ym yu动载做功： 对理想弹塑性体系。位移最大时，体系速度为零，动能为零，体系应变能等于抗力曲线与横坐标围成的面

15、积。35 防 护 工 程 与 结 构突加平台形荷载 典型动载下的最大抗力Rm 如果按弹性设计，则=1，得到Rm=2Pm，即突加平台荷载作用在弹性体系上需要的最大抗力为静力作用的2倍。延性比，体系最大动位移与弹性极限位移之比36 防 护 工 程 与 结 构突加平台形荷载 典型动载下的最大抗力Rm 如果按弹塑性体系设计，则允许最大动位移ym处于塑性阶段，当=1.5、3,、5、10时，可得到最大抗力Rm分别为Pm，的1.5、1.2、1.11、1.05倍，即为弹性设计的75%、60%、56%和53%。37 防 护 工 程 与 结 构 典型动载下的最大抗力Rm 瞬时冲量荷载的作用时间很短，给体系一个冲量，使其获得初速度开始自由振动。体系动能：瞬时冲量荷载设冲量为S，则初速度为体系应变能：最大位移时应变能：最大位移时动能：38 防 护 工 程 与 结 构 典型动载下的最大抗力Rm又：瞬时冲量荷载39 防 护 工 程 与 结 构 典型动载下的最大抗力Rm瞬时冲量荷载 如按弹