CN111441381B - 一种防打击结构及其确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防打击结构及其确定方法，该结构包括由下至上依次连接的防护部、消能部和加固部；防护部包括顶板和至少一个槽体，槽体连接于顶板底部，槽体周围设有第一填筑体，第一填筑体支撑顶板，槽体用于应急避难；消能部包括钢桁架、第二填筑体和若干个消能孔，第二填筑体底部连接于顶板、顶部连接于加固部底部，钢桁架和消能孔嵌于第二填筑体内，钢桁架底部连接于顶板。通过加固部、消能部和防护部竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。

Description

一种防打击结构及其确定方法
技术领域
本发明涉及应急避难领域，特别是涉及一种防打击结构及其确定方法。
背景技术
在以往城市地下空间结构体系中，对应急避难空间的规划与设计，应对城市防空能力和城市应急疏散能力远远不足，未将城市防护与防灾功能统一起来，尚未形成一个统一领导下的城市综合防空、防灾体制，实现城市防空、防灾综合化和一体化。这样一来严重影响了城市地下空间的安全性，需要找到一种有效的防打击结构。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的现有城市防空能力和城市应急疏散能力薄弱的问题，提供一种防打击结构及其确定方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种防打击结构，包括由下至上依次连接的防护部、消能部和加固部；
所述防护部包括顶板和至少一个槽体，所述槽体连接于所述顶板底部，所述槽体周围设有第一填筑体，所述第一填筑体支撑所述顶板，所述槽体用于应急避难；
所述消能部包括钢桁架、第二填筑体和若干个消能孔，所述第二填筑体底部连接于所述顶板、顶部连接于所述加固部底部，所述钢桁架和所述消能孔嵌于所述第二填筑体内，所述钢桁架底部连接于所述顶板。
采用本发明所述的一种防打击结构，通过所述加固部、所述消能部和所述防护部竖向逐段渐进式承受荷载并消耗能量，有效防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
优选地，所述消能孔位于所述钢桁架上部。
优选地，所述钢桁架形式为三角形桁架结构。
进一步优选地，所述钢桁架包括由三角形顶部向底部斜向设置的斜杆和竖向设置螺栓杆，所述斜杆上设有螺孔，所述螺孔与所述螺栓杆配合，三角形顶角为α，通过所述螺栓杆调节所述斜杆的位置能够调节α的大小。
采用本发明所述的一种防打击结构的三角形桁架结构，具有结构稳定、抗冲击耗能效果好的优点。
优选地，所述槽体为预制钢筋混凝土槽。
优选地，所述第一填筑体为钢筋混凝土结构。
优选地，所述第二填筑体为钢筋混凝土结构。
优选地，所述加固部包括由上至下依次连接设置的吸能层、钢板层、软弱垫层和钢筋混凝土层。
采用本发明所述的一种防打击结构的加固部，通过所述吸能层、所述钢板层、所述软弱垫层和所述钢筋混凝土层竖向逐段渐进式承受荷载并消耗能量(其中，吸能层作为最上层直接与打击荷载接触，在竖向第一段耗散掉大部分能量，一般采用泡沫金属，具有轻质和高强度的特点；钢板层对剩余的能量进行耗散；软弱垫层为储备作用，对钢板层耗散剩下的能量剩进行耗散，一般由土工合成材料加筋结构设计组成；钢筋混凝土层为应急避难空间顶部结构，能承担一部分能量，应急避难空间的最后防御措施，从而形成竖向逐段渐进式承受荷载的顶层结构)，从而有效加强顶层结构强度、提高顶层结构分抗荷载能力，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
本发明还提供了一种如以上任一项所述防打击结构的确定方法，包括：
确定意外打击荷载产生的能量w；
根据w确定所述加固部消耗能量w1，进而确定所述加固部的结构参数；
根据w确定所述消能部消耗能量w2，进而确定所述消能部的结构参数；
通过所述防护部消耗能量w3＝w-w1-w2，进而确定所述防护部的结构参数。
采用本发明所述的一种防打击结构的确定方法，能够有效确定所述加固部、所述消能部和所述防护部的各个参数，通过竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
优选地，通过以下公式确定所述意外打击荷载产生的能量w：
Pc1＝KPh
Figure BDA0002434079540000031
w＝Pc1·t0h
式中，w—所述意外打击荷载产生的能量，Pc1—防空地下室结构顶部的爆炸动荷载最大压力(kN/m2)，K—顶部爆炸动荷载综合反射系数，Ph—爆炸土中压缩波的最大压力(kN/m2)，h—顶部的覆土厚度，v0—土的起始压力波速(m/s)，γc—波速比。
进一步优选地，所述加固部消耗能量w1＝(60％～70％)w。
进一步优选地，所述消能部消耗能量w2≥90％(30％～40％)w。
进一步优选地，通过以下公式确定所述消能部消耗能量w2：
w2＝(30％～40％)w＝f2·V2
式中，w2—所述消能部消耗能量，w—所述意外打击荷载产生的能量，f2—所述消能部综合强度，V2—所述消能部作用体积。
进一步优选地，所述消能部包括钢桁架和若干个消能孔，所述钢桁架的纵断面呈三角形，所述钢桁架包括由三角形顶部向底部斜向设置的斜杆和竖向设置螺栓杆，所述斜杆上设有螺孔，所述螺孔与所述螺栓杆配合，三角形顶角为α，通过所述螺栓杆调节所述斜杆的位置能够调节α的大小，可通过以下方式进行模拟计算确定所述钢桁架和所述消能孔的参数：
步骤1、采用铅球来模拟打击荷载作用产生的能量w，假设有x个不同重量的铅球，每个所述铅球每次作用高度为y，则共计x×y种打击荷载作用下的工况；
步骤2、通过计算每种工况下所述加固部消耗能量w1，求得每种工况下所述消能部需要消耗能量w2；
步骤3、当铅球作用在所述消能部上时，通过所述螺栓杆改变α的取值，所述斜杆的夹角分别有z种取值，设置n种不同所述消能孔数量，结合荷载作用类型，共计x×y×z×n种工况进行模型试验研究，以确定所有工况下最优的α和所述消能孔的数量。
进一步优选地，在所述钢桁架三角断面，以三角形中线对称设置若干个所述消能孔。
进一步优选地，通过以下公式确定所述防护部的所述顶板消耗能量w3：
w3＝(0～10％)w＝f3·V3
式中，w3—所述顶板耗散能量，w—所述意外打击荷载产生的能量，f3—所述顶板强度，V3—所述顶板作用体积。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的一种防打击结构，通过所述加固部、所述消能部和所述防护部竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全；
2、本发明所述的一种防打击结构的确定方法，能够有效确定所述加固部、所述消能部和所述防护部的各个参数，通过竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
附图说明
图1是本发明所述防打击结构的示意图；
图2是所述加固部的结构示意图；
图3是所述消能部的结构示意图；
图4是所述钢桁架的简化结构示意图；
图5是所述防护部的结构示意图。
图标：1-加固部，11-吸能层，12-钢板层，13-软弱垫层，14-钢筋混凝土层，2-消能部，21-钢桁架，211-斜杆，212-螺栓杆，22-消能孔，23-第二填筑体，3-防护部，31-顶板，32-槽体，33-第一填筑体，4-意外打击荷载。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-5所示，本发明所述的一种防打击结构，包括由下至上依次连接的防护部3、消能部2和加固部1。
如图1和5所示，所述防护部3包括顶板31和至少一个槽体32，所述槽体32连接于所述顶板31底部，所述槽体32周围设有第一填筑体33，所述第一填筑体33支撑所述顶板31，所述槽体32用于应急避难，所述槽体32为预制钢筋混凝土槽，所述顶板31为预制钢筋混凝土板，所述第一填筑体33为现浇钢筋混凝土结构。
如图1、3和4所示，所述消能部2包括钢桁架21、第二填筑体23和若干个消能孔22，所述第二填筑体23底部连接于所述顶板31、顶部连接于所述加固部1底部，所述钢桁架21和所述消能孔22嵌于所述第二填筑体23内，所述钢桁架21底部连接于所述顶板31，所述消能孔22位于所述钢桁架21上部；具体地，所述钢桁架21形式为三角形桁架结构，如图所示，所述钢桁架21的纵断面呈三角形，该层中包括多个依次排开的三角形桁架结构，通过三根垂直于它的钢管串联起来形成钢桁架组，所述钢桁架21包括由三角形顶部向底部斜向设置的斜杆211和竖向设置螺栓杆212，所述斜杆211上设有螺孔，所述螺孔与所述螺栓杆212配合，三角形顶角为α，通过所述螺栓杆212调节所述斜杆211的位置能够调节α的大小，所述第二填筑体23为现浇钢筋混凝土结构。
采用本发明所述的一种防打击结构的三角形桁架结构，具有结构稳定、抗冲击耗能效果好的优点。
如图1和2所示，所述加固部1包括由上至下依次连接设置的吸能层11、钢板层12、软弱垫层13和钢筋混凝土层14。其中，吸能层作为最上层直接与打击荷载接触，在竖向第一段耗散掉大部分能量，一般采用泡沫金属，具有轻质和高强度的特点；钢板层对剩余的能量进行耗散；软弱垫层为储备作用，对钢板层耗散剩下的能量剩进行耗散，一般由土工合成材料加筋结构设计组成；钢筋混凝土层为应急避难空间顶部结构，也能承担一部分能量，但一般情况用不到，为应急避难空间的最后防御措施。由各层材料的强度特性可知，泡沫金属的强度最大、钢板其次、软弱垫次之、混凝土最低。由此，该加固部1通过所述吸能层11、所述钢板层12、所述软弱垫层13和所述钢筋混凝土层14竖向逐段渐进式承受荷载并消耗能量，加强顶层结构强度、提高加固部抗荷载能力，使其能够消耗防打击结构所需消耗能量的百分之60～70。防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率。
通过高强钢筋混凝土将所述加固部1、所述消能部2和所述防护部3一体化施工。
运用本发明所述的一种防打击结构，通过所述加固部1、所述消能部2和所述防护部3竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
实施例2
如图1-5所示，本发明所述的一种防打击结构的确定方法，包括以下步骤：
步骤一，根据人民防空地下室设计规范GB 50038-2005，确定意外打击荷载4打击后产生的能量w；
防空地下室结构顶部的爆炸动荷载最大压力Pc1及升压时间t0h可按下列公式计算：
Pc1＝KPh
Figure BDA0002434079540000081
所述意外打击荷载4打击后产生的能量：
w＝Pc1·t0h
式中，w—所述意外打击荷载4产生的能量，Pc1—防空地下室结构顶部的爆炸动荷载最大压力(kN/m2)，K—顶部爆炸动荷载综合反射系数，Ph—爆炸土中压缩波的最大压力(kN/m2)，h—顶部的覆土厚度，v0—土的起始压力波速(m/s)，γc—波速比。
步骤二，如图1和2所示，根据所述意外打击荷载4打击后产生的能量w，分配所述加固部1需要消耗的能量w1，再分别计算出所述吸能层11、所述钢板层12、所述软弱垫层13和所述钢筋混凝土层14分担w1的多少；
其中，w1相对w的占比为60％～70％，能够有效保证所述防打击结构起到应急避难作用；
w1＝(60％～70％)w＝f1-1·V1-1+f1-2·V1-2+f1-3·V1-3+f1-4·V1-4
式中，w1—所述加固部1消耗能量，w—所述意外打击荷载4产生的能量，f1-1—所述吸能层11的强度，f1-2—所述钢板层12的强度，f1-3—所述软弱垫层13的强度，f1-4—所述钢筋混凝土层14的强度，V1-1—所述吸能层11的作用体积，V1-2—所述钢板层12的作用体积，V1-3—所述软弱垫层13的作用体积，V1-4—所述钢筋混凝土层14的作用体积。
步骤三，如图1、3和4所示，根据所述加固部1消耗能量w1＝(60％～70％)w，显然剩余需要消耗的能量为(30％～40％)w，让剩余需要消耗的能量的90％以上在所述消能部2被尽最大可能耗散掉，保障所述防打击结构的作用，确保所述防护部3的安全，那么，可以假设所述消能部2消耗能量为w2，且所述消能部2能够消耗掉100％的剩余需要消耗的能量，则：
w2＝(30％～40％)w＝f2·V2
式中，w2—所述消能部2消耗能量，w—所述意外打击荷载4产生的能量，f2—所述消能部2综合强度，V2—所述消能部2作用体积；
由于所述消能部2包括所述钢桁架21和若干个所述消能孔22，可通过以下方式进行模拟计算；
步骤1、采用铅球来模拟打击荷载作用产生的能量w，假设铅球重量别为G1、G2、G3，作用高度为H1、H2、H3，则共计9种打击荷载作用下的工况；
步骤2、通过所述步骤二计算每种工况下所述加固部1消耗能量w1，求得每种工况下所述消能部2需要消耗能量w2；
步骤3、当铅球作用在所述消能部2上时，通过所述螺栓杆212改变α的取值，所述斜杆211的夹角分别取值α1、α2、α3，设置n1、n2、n3种不同所述消能孔22数量，结合荷载作用类型，共计81种工况进行模型试验研究，如下表1所示(仅示出部分工况)；
表1工况设置
Figure BDA0002434079540000091
Figure BDA0002434079540000101
步骤4、为了保障所述消能部2中所述钢桁架21和所述消能孔22消耗能量的充分性，可在所述钢桁架21三角断面，以三角形中线对称设置若干个所述消能孔22，以此释放能量。
步骤四，如图1和5所示，所述加固部1消耗能量w1，所述消能部2消耗能量w2，那么剩余需要消耗的能量为w3，且w3为(0～10％)w，应由所述防护部3的所述顶板31来消耗，为所述防打击结构的最后屏障，完成地下空间的安全保护，根据能量守恒定律有：
w＝w1+w2+w3
所述顶板31需要消耗能量：
w3＝(0～10％)w＝f3·V3
式中，w3—所述顶板31耗散能量，w—所述意外打击荷载4产生的能量，f3—所述顶板31强度，V3—所述顶板31作用体积。
步骤五，根据上述步骤二确定的所述吸能层11强度、所述钢板层12强度、所述软弱垫层13强度、所述钢筋混凝土层14强度、所述吸能层11作用体积、所述钢板层12作用体积、所述软弱垫层13作用体积、所述钢筋混凝土层14作用体积，上述步骤三确定的所述消能部2综合强度、所述消能部2作用体积、所述钢桁架21顶角α设置角度大小，所述消能孔22设置数量，和上述步骤四确定的所述顶板31强度、所述顶板31作用体积，用高强钢筋混凝土将所述加固部1、所述消能部2和所述防护部3一体化施工，其中所述槽体32为预制矩形钢筋混凝土槽，所述第一填筑体33和所述第二填筑体23均为钢筋混凝土结构。
运用本发明所述的一种防打击结构的确定方法，能够有效确定所述加固部1、所述消能部2和所述防护部3的各个参数，通过竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
实施例3
在本发明进一步的实施例中，我们通过一个计算实例来验证上述顶层结构能够消耗的大能量及其设计方法的可行性，在本实施例中采用国标公式计算能量：能量(J)＝(平均强度×厚度×宽度(mm))/1002。单位：kg-cm/cm2含义：试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。1002的来历：因1焦耳＝10.2kg.cm，需将能量单位由kg.m转换为kg.cm，即10.2kg.cm因厚度与宽度单位为mm，需将单位转换为cm，因计算时除以面积，需扩大100倍，因此10.2kg.cm×100＝1002。
假设地下空间防打击结构每层厚度为2.0m，共计厚度6.0m。长度均为5m、宽度均为3m，即每层体积为2×5×3＝30m3。加固部耗散能量为：11-吸能层平均强度取泡沫金属强度取500N/mm2，厚度取0.5m；12-钢板层取地下常用镀锌钢板300N/mm2厚度取0.5m；13-软弱垫层取50N/mm2，厚度取0.5m；14-钢筋混凝土层取C40钢筋混凝土结构26.8N/mm2，厚度取0.5m。通过上述加固部能量消耗计算公式可以计算得到每层结构分别能够消耗的能量为：w11＝3742514970(J)、w12＝2245508982(J)、w13＝374251497(J)、w14＝200598802(J)相加等于w1＝13125748503(J)，由于根据1.0kgTNT装药爆炸所放出的爆破能量为4230kJ/kg～4836kJ/kg，一般取平均爆破为4500kJ/kg，因此相当于加固部结构一共能够抵抗1458kg的TNT当量。消能部耗散能量为：钢桁架2和消能孔取结构强度为80N/mm2，厚度取2.0m，体积为2×5×3＝30m3。w2＝2395209581(J)，相当于防护部结构一共能抵抗532kg的TNT当量。防护部耗散能量：钢筋混凝土层3取C50钢筋混凝土结构32.4N/mm2，厚度取2.0m，体积为2×5×3＝30m3。w3＝970059880(J)，相当于防护部结构一共能抵抗216kg的TNT当量。
通过以上能量计算分析可得，防打击结构体系总共耗散能量为：w＝w1+w2+w3＝13125748503(J)+2395209581(J)+970059880(J)＝9928143713(J)，相当于防护部结构一共能抵抗2206kg的TNT当量。由此可见本发明的。防打击结构，通过所述加固部、所述消能部和所述防护部竖向逐段渐进式承受荷载、消耗能量，防止地下结构上部地段抗荷载时变形过大，可以有效加强地下结构安全屏障，节省结构体系施做时间，方便安装与拆除，提升施工效率，能够有效地保障地下空间的应急避难问题，增加地下空间的安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防打击结构，其特征在于，包括由下至上依次连接的防护部(3)、消能部(2)和加固部(1)；
所述防护部(3)包括顶板(31)和至少一个槽体(32)，所述槽体(32)连接于所述顶板(31)底部，所述槽体(32)周围设有第一填筑体(33)，所述第一填筑体(33)支撑所述顶板(31)，所述槽体(32)用于应急避难；
所述消能部(2)包括钢桁架(21)、第二填筑体(23)和若干个消能孔(22)，所述第二填筑体(23)底部连接于所述顶板(31)、顶部连接于所述加固部(1)底部，所述钢桁架(21)和所述消能孔(22)嵌于所述第二填筑体(23)内，所述钢桁架(21)底部连接于所述顶板(31)；
其中，所述防打击结构的确定方法，包括：
确定意外打击荷载(4)产生的能量w；
根据w确定所述加固部(1)消耗能量w1，进而确定所述加固部(1)的结构参数；
根据w确定所述消能部(2)消耗能量w2，进而确定所述消能部(2)的结构参数；
通过所述防护部(3)消耗能量w3＝w-w1-w2，进而确定所述防护部(3)的结构参数；
其中，所述加固部(1)消耗能量w1＝(60％～70％)w。
2.根据权利要求1所述的防打击结构，其特征在于，所述钢桁架(21)形式为三角形桁架结构。
3.根据权利要求2所述的防打击结构，其特征在于，所述钢桁架(21)包括由三角形顶部向底部斜向设置的斜杆(211)和竖向设置螺栓杆(212)，所述斜杆(211)上设有螺孔，所述螺孔与所述螺栓杆(212)配合，三角形顶角为α，通过所述螺栓杆(212)调节所述斜杆(211)的位置能够调节α的大小。
4.根据权利要求1所述的防打击结构，其特征在于，通过以下公式确定所述意外打击荷载(4)产生的能量w：
Pc1＝KPh
Figure FDA0003247612870000021
w＝Pc1·t0h
式中，w—所述意外打击荷载(4)产生的能量，Pc1—防空地下室结构顶部的爆炸动荷载最大压力(kN/m2)，K—顶部爆炸动荷载综合反射系数，Ph—爆炸土中压缩波的最大压力(kN/m2)，h—顶部的覆土厚度，v0—土的起始压力波速(m/s)，γc—波速比。
5.根据权利要求4所述的防打击结构，其特征在于，所述消能部(2)消耗能量w2≥90％(30％～40％)w。
6.根据权利要求5所述的防打击结构，其特征在于，通过以下公式确定所述消能部(2)消耗能量w2：
w2＝(30％～40％)w＝f2·V2
式中，w2—所述消能部(2)消耗能量，w—所述意外打击荷载(4)产生的能量，f2—所述消能部(2)综合强度，V2—所述消能部(2)作用体积。
7.根据权利要求1-6任一项所述的防打击结构，其特征在于，所述消能部(2)包括钢桁架(21)和若干个消能孔(22)，所述钢桁架(21)的纵断面呈三角形，所述钢桁架(21)包括由三角形顶部向底部斜向设置的斜杆(211)和竖向设置螺栓杆(212)，所述斜杆(211)上设有螺孔，所述螺孔与所述螺栓杆(212)配合，三角形顶角为α，通过所述螺栓杆(212)调节所述斜杆(211)的位置能够调节α的大小，可通过以下方式进行模拟计算确定所述钢桁架(21)和所述消能孔(22)的参数：
步骤1、采用铅球来模拟打击荷载作用产生的能量w，假设有x个不同重量的铅球，每个所述铅球每次作用高度为y，则共计x×y种打击荷载作用下的工况；
步骤2、通过计算每种工况下所述加固部(1)消耗能量w1，求得每种工况下所述消能部(2)需要消耗能量w2；
步骤3、当铅球作用在所述消能部(2)上时，通过所述螺栓杆(212)改变α的取值，所述斜杆(211)的夹角分别有z种取值，设置n种不同所述消能孔(22)数量，结合荷载作用类型，共计x×y×z×n种工况进行模型试验研究，以确定所有工况下最优的α和所述消能孔(22)的数量。
8.根据权利要求7所述的防打击结构，其特征在于，在所述钢桁架(21)三角断面，以三角形中线对称设置若干个所述消能孔(22)。
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