1、機場防護工程設計課件第1頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構常規武器分類（按照彈丸破壞效應分類）爆破彈型：依靠炸藥爆炸產生沖擊波、彈片來破壞殺傷目標，如火炮榴彈，普通航爆彈。半穿甲：又名侵徹爆破彈。靠彈丸動能侵徹目標，又靠裝藥爆炸破壞目標，如航、炮彈中的半穿甲彈。穿甲彈：依靠彈丸的動能侵徹、貫穿目標。燃料空氣彈：又名云爆彈。彈體爆炸拋灑液體燃料與空氣混合，經二次引爆產生沖擊波來殺傷目標和人員燃燒彈：靠彈體內的凝固汽油的燃燒火焰破壞目標。第2頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.2 常規武器破壞

2、效應 對防護結構，武器具有沖擊和爆炸作用。從結構響應方面，分為局部作用和整體作用。1.2.1 沖擊局部作用 無裝藥彈丸命中，結構受沖擊作用，動能彈體撞擊結構的兩種情況：一，彈體被彈回或留下一定凹坑被彈開；二，彈丸沖擊結構侵入內容，甚至發生貫穿。第3頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第4頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 單純沖擊引起的破壞，與一般工程結構破壞不同，僅發生在結構的局部范圍，產生局部破壞。局部作用與結構形式、支座條件無關，只與材料性質有關，例如炮彈沖擊鋼筋混凝土產生震塌現象，而木

3、材就不會出現類似現象。第5頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.2.2 爆炸局部作用 裝藥彈丸，在沖擊過程中或沖擊結束發生爆炸，進一步破壞結構。 爆破彈，一般不考慮侵徹鋼混等堅硬材料，但會侵入土壤等軟介質。 半穿甲、穿甲彈，考慮彈丸侵入混凝土發生爆炸。由于彈丸侵入介質內部，爆炸能量不能有效逸出空中，提高了爆炸能量在介質中的分配比例，從而破壞作用更大。承受爆炸且侵入后爆炸的破壞效應更強。第6頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 爆炸使得混凝土被壓碎、破壞、飛散而形成彈坑；構件背面，隨著爆炸能力的

4、提高，依次出現無裂縫、產生裂縫、震塌、震塌漏斗坑、最后貫穿。 爆炸和沖擊的局部破壞十分類似，都是命中點附近的材料質點獲得極高速度，介質內產生很大應力導致結構破壞，且破壞發生在彈著點及其反表面區域。第7頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.2.3 整體作用 彈丸沖擊和爆炸還對結構產生壓力，即沖擊荷載或爆炸荷載，導致整個結構產生變形和內力的作用。例如，梁板的彎曲、剪切變形與破壞、柱的壓縮、基礎的沉陷等。 整體作用下的結構破壞，是結構由于承載力不夠或出現過大的變形、裂縫、直至整個結構的倒塌。破壞點一般發生在內力最大的地方，與結構形式和支座條件密切相

5、關。 局部作用是應力波傳播的波動效應，整體作用是動載引起的振動效應第8頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構常規武器爆炸，可分為三種情況： 直接接觸結構爆炸； 侵入到結構材料爆炸； 距結構一定距離爆炸。局部作用局部作用局部作用整體作用 跨度大、構件厚，局部作用為主，反之整體作用為主。在進行防護結構設計時，若設定常規武器直接命中，需要同時考慮局部和整體兩種破壞作用，以最危險情況進行設計。若設定武器非直接命中，只需考慮整體作用。第9頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構2.1 概述 按發射方式分類，可分

6、為核導彈（地地、潛地、巡航）、核航彈。 按射程分類，分為洲際、遠程、中程、近程。 按照功能，一般核彈，特殊功能的裁剪-增強核彈（電磁脈沖彈EMP、沖擊波彈ERR、增強輻射彈），無剩余輻射核彈。2 核武器及其破壞效應原子彈氫彈中子彈第10頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第11頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 核武器的威力以TNT當量來衡量。 核武器在空中爆炸時，產生強烈閃光、出現火球，上升膨脹形成蘑菇云，同時伴有早期核輻射、光輻射和強烈的空氣沖擊波。蘑菇云內的物質受強烈的早期核輻射而產生感

7、生放射現象，隨風飄落后，形成放射塵埃，導致下風方向的放射沾染。 在地面爆炸會形成彈坑，并向地下直接傳播沖擊波。第12頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構，廣島原子彈爆炸。小男孩，以鈾235為裂變材料，彈體長3.04m，彈徑0.71m，重4.09t，當量20kt TNT。爆炸造成廣島7.1萬人死亡，6.8萬人受傷，燒毀40%城市面積。，長崎原子彈爆炸。胖子，以钚239為裂變材料，彈體長3.25m，彈徑1.52m，重4.55t，當量20kt TNT。爆炸造成廣島3.6萬人死亡，4.2萬人受傷，燒毀30%城市面積。第13頁，共64頁，2022年，5月

8、20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構2.2 破壞效應2 核武器及其破壞效應 光輻射 空氣沖擊波 早期核輻射 放射性沾染 核電磁脈沖 直接地沖擊 沖擊與震動第14頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 光輻射：高溫、瞬時的閃光、低頻紫外線和可見光；形成明亮火球，接近太陽表面溫度，可見光和紅外線，1-3s，熱輻射，占總能量35%。 空氣沖擊波：幾十億大氣壓，千萬度高溫，壓縮空氣，形成沖擊波向外傳播。先后產生壓縮區和稀疏區。超壓p，動壓u。0.1-1s，占總能量50-60%，對人員和防護結構的主要殺傷因素。 第15頁，共64頁，20

9、22年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 早期核輻射：爆炸初期，幾秒十幾秒，射線，射線，射線，中子流。特點：穿透力強；引起放射性損傷；散射；中子引起其他物質感生放射。剩余輻射厚度/cm鋼鐵混凝土磚木材土壤水1/101035479050701/1002070941801001401/100030105141270150210第16頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 放射性沾染：核爆炸產生的大量放射性物質（核裂變碎片、未反應核裝料）存在于火球和煙云中，煙云中的土壤及其他材料因中子感生放射。隨風飄落在地面，形成放射性沾染

10、帶。人體皮膚和呼吸，致放射病。 核電磁脈沖：頻譜寬，覆蓋輸電、雷達系統，高空爆炸可導致大范圍的電磁破壞干擾，威脅指揮通信系統和設備。防護措施：電磁屏蔽。第17頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 直接地沖擊：爆炸沖擊傳入地內，產生的沖擊波。發生于地下、觸地、近地核爆炸。對于重要的防護工程，要求抵抗核觸地爆，對于人防工程，只要求抵抗空中核爆炸。 沖擊與震動：頻空氣、地下、水下沖擊波引起的防護結構的震動，超過人員、設備的耐受值，引起的損傷破壞。第18頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構2.3 核爆炸

11、方式2 核武器及其破壞效應 空中爆炸 地面爆炸 地下爆炸 考慮哪種破壞效應是防護結構的主要考慮對象，取決于核爆炸與地表的相對位置。 以比例爆高Hs劃分爆炸方式。H，爆炸高度，mW，TNT當量，kt第19頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 空中爆炸：火球不與地面接觸，Hs 4060，幾乎不產生彈坑效應，又分為低空、中空、高空三種爆炸方式。一次典型的空中核爆炸（120 Hs 0。空氣沖擊波和地沖擊為主要因素，因為卷起大量地面物質和塵土，放射性沾染更嚴重。對重要防護工程采用地面爆炸，觸地爆炸。 地下爆炸：鉆地爆， Hs 0。分為淺層爆炸和封閉爆炸。

12、隨著深度增加，空氣沖擊波和輻射效應降低，地下沖擊波作用增強，用于破壞深層的防護工程。第21頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構3.1 常規武器的防護 若按直接命中防護結構進行設計，難度較大，例如750lb爆破彈，就需要2-2.5m厚混凝土。 對于重要的防常規武器直接命中的防護結構，宜采用成層式、坑道式、深埋式結構，延長武器爆炸與結構的距離。對于一般防護工程，僅考慮非直接命中，例如防空地下室等人防工程。采用分散布置設計，最大程度降低直接命中的破壞程度。3 地下結構防護原則第22頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工

13、 程 與 結 構 為防止孔口設備的破壞，防護門、防爆活門等應盡量靠里布置。出入口分散布置，人防工程內采用防護單元隔墻等措施來提高工程的生存概率。3.2 核爆空氣沖擊波的防護 （1）工程結構和口部部件要按照空氣沖擊波和土中壓縮波的動力作用進行設計。各種結構和設備必須有足夠的抗力。此外，平時使用的出入口、通風口和其他孔洞，在臨戰前進行封堵。第23頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構3.2 核爆空氣沖擊波的防護 （2）出入口露處地面部分，做成破壞后易于清除的輕型構筑物，設置兩個以上的出入口，并不同朝向，避免同時遭破壞。直通地面的出入口和通風口，避開地

14、面建筑物的倒塌范圍，并設置防倒塌棚架，并采用在沖擊波作用下易破碎的材料構筑，以防堵塞出入口。第24頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構3.3 早期輻射的防護 對于深埋工程，可不考慮早期輻射。 為減少出口通道進來的核輻射，各道防護門、密閉門加起來要達到一定的厚度，通道也要一定的長度。3.4 生化武器、放射沾染的防護 生物、化學、放射沾染，均可從孔口進入工程內部。主要采取密閉措施，與外界隔絕。所有孔口設置密閉裝置，對外通風系統采用慮毒通風裝置。第25頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第三章 空氣沖

15、擊波1.1 基本概念 空氣中的波1 概述空氣狀態參數壓力密度溫度質點速度聲速聲波、空氣沖擊波第26頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 如果介質中的波引起介質壓力與密度的變化很微小，介質的應力-應變關系保持近似線性，稱為彈性波或弱波。 空氣中的聲波，340m/s 彈性波又名廣義聲波。第27頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 如果介質中波的壓力變化較周圍介質壓力的變化是一個有限幅度的壓力擾動，不能視為無限小，這種擾動就會形成沖擊波。 空氣沖擊波是一種局部空氣前邊界處形成壓力（密度、質點速度）的突

16、躍（強間斷）狀態的傳播過程。前邊界稱為沖擊波的波陣面。空氣沖擊波具有陡峭的波陣面，壓力陡然增加至最大。第28頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.2 爆炸空氣沖擊波的產生 炸藥點火，高溫高壓氣體，壓縮周圍空氣，推動周圍空氣運動，形成壓力突躍的波陣面，即強擾動以激波的形式在空氣中傳播。 爆轟產物膨脹，壓力、溫度、運動速度下降，與大氣壓力相近時，停止膨脹。慣性作用下，沖擊波脫離爆轟產物向前運動，在尾部形成稀疏區，低于大氣壓力，即負壓區。第29頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第30頁，共64頁，

17、2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.3 空氣沖擊波的特性 （1）超壓、負壓：沖擊波以超音速傳播，象一個雙層球體，外層壓縮區，內層稀疏區。波陣面壓縮區壓縮區后邊界稀疏區沖擊波 超過周圍大氣壓力的瞬時壓力成為超壓 ；給定位置上超壓的最大值稱為超壓峰值；低于周圍大氣壓力的瞬時壓力為負壓第31頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 壓縮區通過的時間為沖擊波的正壓作用時間 ；稀疏波通過的時間為負壓作用時間 。負壓作用時，空氣質點獲得與前進方向相反的速度。沖擊波的典型時程曲線壓力沿爆心距離的分布第32頁，共64頁，20

18、22年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1.3 空氣沖擊波的特性 （2）動壓：沖擊波波陣面內的空氣質點具有速度，當運動受阻時，其動能以壓力形式釋放，這種壓力被成為動壓q。動壓與空氣質點速度的平方成正比，表現為一種強力風。沖擊波沿地面傳播時，只有超壓，碰到障礙物，才產生動壓。 （3）入射、反射、繞射：孔口發生入射，障礙拐角發生繞射，障礙發生反射。第33頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構2.1 爆炸相似率2 基本原理 當裝藥模型與原型為同一種裝藥，在相同的初始大氣條件下，當裝藥幾何相似時，在幾何相似的距離上爆炸壓力相等

19、。比例參數CL 。第34頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第35頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 裝藥半徑R（直徑d）與裝藥料W之間關系有根據爆炸相似率，裝藥料分別為W1和W2的兩次爆炸中，滿足：則在相應距離上滿足：第36頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 根據爆炸相似率，可得超壓參數表示為： 爆炸相似率意味著峰值壓力、比例作用時間等在比例距離上保持不變。裝藥重要從幾克至上百噸的爆炸試驗證實了該規律。第37頁，共64頁，2022年，5月2

20、0日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構2.2 沖擊絕熱方程波陣面波陣面質量守恒動量守恒能量守恒第38頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構其中質量守恒動量守恒能量守恒單元質量空氣內能絕熱指數,取1.4第39頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構求解得到沖擊絕熱方程第40頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第41頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構3.1 正反射3 空氣沖擊波的反射第42

21、頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第43頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構第44頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構3.2 規則反射和馬赫反射爆心規則反射區不規則反射區入射沖擊波反射沖擊波馬赫反射沖擊波地面第45頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構4.1 自由大氣中核爆空氣沖擊波參數4 核爆空氣沖擊波 主要參數：超壓，動壓，正壓作用時間，超壓隨時間的變化規律（時程曲線）。 爆炸相似率，計算相關

22、參數。 超壓可計算為：第46頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1kt當量核爆空氣沖擊波，波陣面超壓 p/MPa第47頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1kt當量核爆空氣沖擊波，波陣面動壓 q/MPa第48頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構1kt當量核爆空氣沖擊波，超壓持續時間 t+ /ms第49頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構4.2 核爆地面空氣沖擊波參數地面加強沖擊波爆心掩蔽結構地面第

23、50頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構4.2 核爆地面空氣沖擊波參數 爆炸接近地面時，空氣沖擊波初始就得到加強，以半球形式向外傳播，地面空氣沖擊波的方向可認為與地面平行。 地爆的能量密度可視為同當量核彈頭的空中爆炸的兩倍，即當量W替換為2W。 地面沖擊波的分布規律，由比例爆高（ ）和比例距離（ ）確定。第51頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構核爆地面沖擊波，超壓峰值等值線圖 第52頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構核爆地面沖擊波，超壓峰值等

24、值線圖 第53頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構 地面沖擊波動壓：入射的地面沖擊波遇到障礙物，由于空氣質點速度滯止轉化來的壓力。沖擊波陣面密度沖擊波陣面質點速度第54頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構5 空氣沖擊波在通道中的傳播 通道外或通道內的空氣沖擊波在遇到孔洞時要向通道內傳播。 主要包括：通道外向通道內傳播、在通道內傳播、沖擊波遇到轉彎與分支、遇到通道內不同位置上的防護設備或設施。對于防護工程出入口、通風口、隧道等工程設計十分重要。第55頁，共64頁，2022年，5月20日，20點55分，星期四 防 護 工 程 與 結 構5.1 通道外向通道內傳播 （1）傳播方向與出入口軸線平行 （2）傳