人防地下結(jié)構(gòu)的抗震問題探討

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1、http://www.paper.edu.cn人防地下結(jié)構(gòu)的抗震問題探討戴皓華，夏亮，胡建武漢理工大學土建學院，湖北武漢(430070)E-mail：enzo1083@163.com摘要：隨著地下空間開發(fā)利用規(guī)模的不斷加大和人防工程平戰(zhàn)結(jié)合的日益緊密，尤其是日本阪神地震后，人防工程在內(nèi)的各類地下結(jié)構(gòu)的抗震性能越來越受到人們的關(guān)注。本文通過簡要介紹人防工程在地震中可能受到的危害和現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)的地震分析方法來闡明開展人防工程抗震研究的意義。關(guān)鍵詞：人防工程地下結(jié)構(gòu)地震1．引言我國的人防建設(shè)從六十年代后期大規(guī)模開展，修建了以簡易工事為主的大量人防工程。隨著國際局勢的轉(zhuǎn)變，我國的人防建設(shè)從單純強調(diào)

2、戰(zhàn)備效益，向經(jīng)濟、社會、戰(zhàn)備三效益統(tǒng)一發(fā)展，強調(diào)了人防工程的平戰(zhàn)結(jié)合及人防建設(shè)與城市建設(shè)相結(jié)合，及時跟上了時代的發(fā)展，取得了較好的成績。近二十年來，地下結(jié)構(gòu)越來越被廣泛地采用。預(yù)計在21世紀.地下結(jié)構(gòu)、地下空間將得到更大的發(fā)展。在我國，地下空間、地下結(jié)構(gòu)開發(fā)利用的潛力還很大。隨著城市化水平的快速提高.城市人口、地域規(guī)模和城市生態(tài)環(huán)境而臨著巨大的壓力.因此.地下鐵[1]路、地下商場、地下車庫、地下廠房等應(yīng)運而。2．阪神地震中地下結(jié)構(gòu)的破壞1995年發(fā)生在日木的阪神大地震，給人們的生命財產(chǎn)安全造成巨大的損失，對土木建筑物帶來嚴重破壞。在以往的歷史地震中，地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一直是相當穩(wěn)固的，雖然

3、也有出現(xiàn)過裂紋的報道，但是還沒有出現(xiàn)過嚴重的破壞，所以結(jié)構(gòu)工程師和地震學家一直認為地下鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)是安全的。但在這次地震中，各種地下結(jié)構(gòu)和地下設(shè)施均遭受到嚴重的破壞，其中地鐵大開站(Daikai)和上尺站(kamisawa)遭到徹底的破壞，有一大半中柱倒塌.其它也發(fā)生不同程度的破壞。大開站情況簡介：始建于1962年.采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)斷而形式為縱向有中柱的線形框架結(jié)構(gòu)，長120m，其斷面形狀有兩種：一種是單層雙跨結(jié)構(gòu)(為站臺部分)，覆上厚度為4－5m.另一種是雙層三跨結(jié)構(gòu)，包括地下一層的檢票大廳和地下一層的站臺，覆土厚度為2m。大開站地層的主要成分為：表層為填上；第二層是淤泥質(zhì)粘土，N

4、值小于10；第三層為沙礫層及海相粘土，N值為10左右；15m以下為更新世礫層，N值大于50。大開站的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計參照當時的規(guī)范。沒有明確考慮地震因素，但非常保守，其中中柱的安全系數(shù)達到3。[2]大開站的破壞可分為三個區(qū)，A區(qū)最嚴重.大部分中柱幾乎全部壓壞，由于中柱的倒塌，其斷而形狀變成了M形，頂板的陷落還導(dǎo)致了在其上方的地面與其平行的一條地表主干道在90m的范圍內(nèi)發(fā)生塌陷，最大值達2.5m。B區(qū)破壞最輕，地下一層的中柱僅在上部有混凝土被壓壞，C區(qū)的結(jié)構(gòu)形式與A區(qū)相似，但破壞程度較輕，中柱下部發(fā)生剪切破壞，頂板的沉降僅為5m，在結(jié)構(gòu)的側(cè)壁未見裂縫和混凝土脫落。3現(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法[3

5、]3.1Shukla法美國學者Shukla等人在20世紀80年代初應(yīng)用彈性地基梁原理，采用擬靜力方法來考慮土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，建立地下結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型。地震波在長大的地下結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時，-1-http://www.paper.edu.cn會在垂直于結(jié)構(gòu)軸線的截面內(nèi)產(chǎn)生橫向應(yīng)力，在平行于地下結(jié)構(gòu)軸線力一向上產(chǎn)生軸向應(yīng)力及彎曲應(yīng)力。3.1.1地下結(jié)構(gòu)的拉伸模型土體質(zhì)點的運動方程：uAx=sinα（1）sl''式中x為結(jié)構(gòu)中點至所求點的距離，?lxl≥≥；A為P波的最大振幅，與地層最大l加速度相關(guān)；α=2/πp，P為波長,u為在與結(jié)構(gòu)x處相連的土體質(zhì)點的位移。s2du2地下結(jié)構(gòu)的位移方程為：=?β

6、()uu（2）2lsdxKl式中u為結(jié)構(gòu)載x處德位移；β=，其中K為彈簧常數(shù)，E為結(jié)構(gòu)德彈性模lllEAll'量A為結(jié)構(gòu)的橫切面積，利用結(jié)構(gòu)兩端x=±l處拉力為零的自由端邊界條件，則方程（2）l的解：u222'22'=+βααββll()sinx/()?ααcoslxsinhβαβl/{()+l/coshβlL}(3)Al將結(jié)構(gòu)端部的最大拉應(yīng)變及最大拉伸變形繪制成曲線，并以無量綱參數(shù)SR及TSR表示：結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)變(4)SR=土體最大拉應(yīng)變()Alα'xl=處結(jié)構(gòu)拉伸變形TDR=(5)''x=lL處土體結(jié)構(gòu)拉伸變形A()lsinα就可得到地下結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)變和最大拉力。3.1.2地下結(jié)構(gòu)的

7、彎曲模型一個長為2L的結(jié)構(gòu)，由一組彈簧來支承，土體變形按自由場運動，邊界處土體變形為：''YAsb=?()1cosαx，?≤≤LxL(6)式中Y為x處土體位移；A為地震波產(chǎn)生的土體最大橫向位移幅值。sb考慮土體結(jié)構(gòu)相互作用的模型，彎曲位移的方程為：4dYk=?()YY(7)4sdxEIll4K式中Y為x處土體位移；4β=，I為結(jié)構(gòu)的慣性矩。slEIll利用方程（6）中所給的土體位移，根據(jù)邊界條件的對稱性，可求得方程（7）