關(guān)于人防地下結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)研究

■葉超華 ■惠州市人防工程設(shè)計院有限公司，廣東 惠州 516000

基于地下結(jié)構(gòu)所處位置特點，受圍巖包裹影響，與地面結(jié)構(gòu)相比其具有更高的抗震性能，目前在人防地下結(jié)構(gòu)工程建設(shè)要求逐漸提高的背景下，需要在原有基礎(chǔ)上對其地下結(jié)構(gòu)的抗震性能做更進一步的研究分析，降低地震災害對結(jié)構(gòu)造成的影響。在進行研究時應(yīng)提前了解地下結(jié)構(gòu)特點，建立三維分析動力有限元模型，對其可靠性進行驗證，對結(jié)構(gòu)抗震性能做更為詳細的分析，最后在此基礎(chǔ)上來進行抗震優(yōu)化。

1 人防地下結(jié)構(gòu)特點分析

1.1 自然防護能力強

地下結(jié)構(gòu)建設(shè)位置一般為具有一定厚度的巖體介質(zhì)中，與地面結(jié)構(gòu)相比具有更高的自然防護能力，除了能夠抵御地震、颶風等自然災害外，還可以承受核武器、轟炸等人為災害［1］。在對人防地下結(jié)構(gòu)進行設(shè)計施工時，可以利用此特點對其抗震性能進行分析研究，選擇合理的施工方案、技術(shù)以及材料等。

1.2 地質(zhì)條件影響大

在建設(shè)人防地下結(jié)構(gòu)時，需要提前對建設(shè)地點、層高、平面形狀以及跨度等進行綜合分析，而此類條件在很大程度上均會受到沿途地質(zhì)強度以及地下水位等因素影響，尤其是地下結(jié)構(gòu)跨度與平面布置的設(shè)計，受巖土圍巖穩(wěn)定性影響十分嚴重，隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大，也會對圍巖的穩(wěn)定性造成影響，同時也會加大結(jié)構(gòu)自身所需承受的壓力［2］。因此，為提高地下結(jié)構(gòu)抗震性能，在進行設(shè)計時，應(yīng)盡量不要選擇用大跨度、多跨或者連續(xù)成片的設(shè)計方式，而是選擇用多個單個洞室組成為佳。

1.3 降低外界條件影響

人防地下結(jié)構(gòu)建設(shè)時，利用地層具有的熱穩(wěn)定性與密閉性等特點，可以完成對口部地段內(nèi)部溫度的有效控制，最大程度的降低外界環(huán)境的影響，達到良好儲存物資的目的。另外，與地面結(jié)構(gòu)相比，人防地下結(jié)構(gòu)抗震性能與密閉性能更高，能夠有效消除地面塵土以及電磁波的干擾。

2 三維地下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.1 圍巖類別抗震影響

(1)位移比較。選擇地下結(jié)構(gòu)中與輸入地震動方向平行外側(cè)位置，以及與土體接觸并帶有剪力墻礦部分中間桁框架進行對比，當?shù)叵陆ㄖY(jié)構(gòu)處于不同圍巖情況時，向兩種結(jié)構(gòu)輸入6 條不同基巖波，則可以得到地下結(jié)構(gòu)層間位移極值情況。通過實際對比可以得出，結(jié)構(gòu)位移與圍巖彈性模量成反比，隨著圍巖硬度的增加，其彈性模量越大，而地下結(jié)構(gòu)的位移越小。當圍巖結(jié)構(gòu)比較軟時，則其對地下結(jié)構(gòu)的約束作用比較小，在地震作用力下，結(jié)構(gòu)的變形情況也就更嚴重。

(2)內(nèi)力比較。選擇不同類別圍巖對其地下結(jié)構(gòu)地震性能進行分析，向結(jié)構(gòu)中輸入6 條不同基巖波作用，并與前節(jié)內(nèi)力進行對比。對于所選地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)為外側(cè)與土體相連接剪力墻中框架部分，以及中間榀框架部分，并且基于結(jié)構(gòu)所具有的對稱性特點，還應(yīng)選擇邊柱柱端內(nèi)里與邊跨梁梁端內(nèi)力等控制截面的內(nèi)力進行對比［3］。最終通過對比可以得出，在圍巖逐漸變軟時，地下結(jié)構(gòu)外榀框架中柱剪力與內(nèi)榀框架中柱剪力為先增加后減小。當圍巖持續(xù)變軟時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會持續(xù)降低。

2.2 結(jié)構(gòu)埋深抗震影響

(1)位移比較。選擇不同埋深厚度地下結(jié)構(gòu)，確定地下結(jié)構(gòu)外剪力墻與內(nèi)榀框架為分析對象，對其在地震作用下發(fā)生的層間位移極值進行對比。可以得出在埋深不斷增加時，地下結(jié)構(gòu)外剪力墻與內(nèi)榀框架層間位移變化趨勢是先增加后減小，并且結(jié)構(gòu)層間位移不斷增加。當埋深達到一定程度后，地下結(jié)構(gòu)層間側(cè)移則會出現(xiàn)先增加后減小的變化。其中，地下結(jié)構(gòu)埋深在90～100m 之間時，結(jié)構(gòu)層間位移比較小，但是在位移逐漸增大，并且由相同地震力作用時，地下結(jié)構(gòu)外榀框架層間位移以將中間層最大，并存在先增加后減小的情況。

(2)內(nèi)力比較。研究埋深對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，向試驗的結(jié)構(gòu)中輸入6 條不同基巖波作用，其中選擇地下結(jié)構(gòu)外榀框架與內(nèi)榀框架邊柱柱端內(nèi)力，將其與邊跨梁梁端內(nèi)力等控制截面內(nèi)力進行對比。通過對比可以得出隨著埋深的增加，地下結(jié)構(gòu)內(nèi)榀框架中柱軸力與中柱剪力逐漸增大后減小，其中埋深厚度從10cm 增加到90cm 后，地下結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力逐漸增加，但是達到一定限度后內(nèi)力逐漸減小。并且，對于不同埋深土層，地下結(jié)構(gòu)控制截面地震內(nèi)力會隨著土層深度的增加而增加，而結(jié)構(gòu)受力則持續(xù)增加后降低。

3 人防工程地下結(jié)構(gòu)等效測力法改進措施分析

3.1 慣性力計算公式改進

在應(yīng)用等效側(cè)力法對人防地下結(jié)構(gòu)抗震性能進行研究時，其應(yīng)用范圍會受到地震加速度分布、側(cè)墻土層之間摩擦以及土層對結(jié)構(gòu)約束等因素的影響，必須要對此類情況進行改進分析。其中，等效側(cè)力法慣性計算公式為:F=ηcKhmg，其中利用系數(shù)ηc對地下結(jié)構(gòu)作用加速度在整個截面上折減為相同的大小，按照巖石與非巖石情況進行分別取值。傳統(tǒng)計算中，對于截面尺寸較小的地下結(jié)構(gòu)比較合理，但是面對截面尺寸較大的結(jié)構(gòu)，隨著埋深的變化，如果選擇統(tǒng)一加速度進行計算，則計算結(jié)果不合理，會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能?；诖?，應(yīng)針對埋深對加速度影響的特點，確定了加速度幅值比擬合公式，y=a［exp(-x/b)-exp(-1/b)］。對于加速度幅值擬合公式在部分情況影響比較復雜，還可以應(yīng)用倒梯形方法來對地下結(jié)構(gòu)加速度進行計算，其中對于基巖面時加速度取值為地表0.5 倍。

3.2 土層摩擦力計算公式改進

為最大程度上提高地下結(jié)構(gòu)與周圍土體作用力計算合理性，需要做好對土層摩擦力計算的優(yōu)化。如果只考慮結(jié)構(gòu)頂板與上覆地層接觸處由二者相互作用產(chǎn)生的剪切力，則計算公式為:τu=(G/πh)·Sv·Ts，其中τu表示作用于頂板表面單位面積剪切力，Sv表示作用于計算區(qū)域底部邊界速度反應(yīng)譜，G 表示地層動剪切模量，h 表示頂板上方地層厚度，Ts表示頂板以上地層固有周期［4］。在實際地震作用時，土體將會對結(jié)構(gòu)四周均產(chǎn)生摩擦作用，在進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析時，應(yīng)選擇用地震土摩擦力計算公式:

其中，GD 表示地層動剪切模量，zu 表示結(jié)構(gòu)埋深。

4 結(jié)束語

人防工程地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)相比，具有更明顯的特點，在地震作用力下受到的影響更小，但是想要提高其抗震設(shè)計，就需要結(jié)合地下結(jié)構(gòu)所具有的特點，對各影響因素進行分析，并對計算方式進行改進優(yōu)化，爭取不斷提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的效果。

［1］王文沛.淺埋地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析及設(shè)計方法研究［D］.北京工業(yè)大學，2012.

［2］鄭良平.地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析與抗震簡化計算方法探討［D］.重慶大學，2010.

［3］高文生.城市地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計施工關(guān)鍵問題探析［J］.地下空間與工程學報，2010(S1):1438 -1443.

［4］王國波，謝偉平，孫明，劉衛(wèi)國.地下框架結(jié)構(gòu)抗震性能評價方法的研究［J］.巖土工程學報，2011(04):593 -598.