人防地下结构的抗震问题探讨

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1、http://www.paper.edu.cn人防地下结构的抗震问题探讨戴皓华，夏亮，胡建武汉理工大学土建学院，湖北武汉(430070)E-mail：enzo1083@163.com摘要：随着地下空间开发利用规模的不断加大和人防工程平战结合的日益紧密，尤其是日本阪神地震后，人防工程在内的各类地下结构的抗震性能越来越受到人们的关注。本文通过简要介绍人防工程在地震中可能受到的危害和现有地下结构的地震分析方法来阐明开展人防工程抗震研究的意义。关键词：人防工程地下结构地震1．引言我国的人防建设从六十年代后期大规模开展，修建了以简易工事为主的大量人防工程。随着国际局势的转变，我国的人防建设从单纯强调

2、战备效益，向经济、社会、战备三效益统一发展，强调了人防工程的平战结合及人防建设与城市建设相结合，及时跟上了时代的发展，取得了较好的成绩。近二十年来，地下结构越来越被广泛地采用。预计在21世纪.地下结构、地下空间将得到更大的发展。在我国，地下空间、地下结构开发利用的潜力还很大。随着城市化水平的快速提高.城市人口、地域规模和城市生态环境而临着巨大的压力.因此.地下铁[1]路、地下商场、地下车库、地下厂房等应运而。2．阪神地震中地下结构的破坏1995年发生在日木的阪神大地震，给人们的生命财产安全造成巨大的损失，对土木建筑物带来严重破坏。在以往的历史地震中，地下钢筋混凝土结构一直是相当稳固的，虽然

3、也有出现过裂纹的报道，但是还没有出现过严重的破坏，所以结构工程师和地震学家一直认为地下钢筋混凝上结构是安全的。但在这次地震中，各种地下结构和地下设施均遭受到严重的破坏，其中地铁大开站(Daikai)和上尺站(kamisawa)遭到彻底的破坏，有一大半中柱倒塌.其它也发生不同程度的破坏。大开站情况简介：始建于1962年.采用明挖法施工，结构断而形式为纵向有中柱的线形框架结构，长120m，其断面形状有两种：一种是单层双跨结构(为站台部分)，覆上厚度为4－5m.另一种是双层三跨结构，包括地下一层的检票大厅和地下一层的站台，覆土厚度为2m。大开站地层的主要成分为：表层为填上；第二层是淤泥质粘土，N

4、值小于10；第三层为沙砾层及海相粘土，N值为10左右；15m以下为更新世砾层，N值大于50。大开站的原有结构设计参照当时的规范。没有明确考虑地震因素，但非常保守，其中中柱的安全系数达到3。[2]大开站的破坏可分为三个区，A区最严重.大部分中柱几乎全部压坏，由于中柱的倒塌，其断而形状变成了M形，顶板的陷落还导致了在其上方的地面与其平行的一条地表主干道在90m的范围内发生塌陷，最大值达2.5m。B区破坏最轻，地下一层的中柱仅在上部有混凝土被压坏，C区的结构形式与A区相似，但破坏程度较轻，中柱下部发生剪切破坏，顶板的沉降仅为5m，在结构的侧壁未见裂缝和混凝土脱落。3现有的地下结构抗震分析方法[3

5、]3.1Shukla法美国学者Shukla等人在20世纪80年代初应用弹性地基梁原理，采用拟静力方法来考虑土体与结构的相互作用，建立地下结构的数学模型。地震波在长大的地下结构内传播时，-1-http://www.paper.edu.cn会在垂直于结构轴线的截面内产生横向应力，在平行于地下结构轴线力一向上产生轴向应力及弯曲应力。3.1.1地下结构的拉伸模型土体质点的运动方程：uAx=sinα（1）sl''式中x为结构中点至所求点的距离，−lxl≥≥；A为P波的最大振幅，与地层最大l加速度相关；α=2/πp，P为波长,u为在与结构x处相连的土体质点的位移。s2du2地下结构的位移方程为：=−β

6、()uu（2）2lsdxKl式中u为结构载x处德位移；β=，其中K为弹簧常数，E为结构德弹性模lllEAll'量A为结构的横切面积，利用结构两端x=±l处拉力为零的自由端边界条件，则方程（2）l的解：u222'22'=+βααββll()sinx/()−ααcoslxsinhβαβl/{()+l/coshβlL}(3)Al将结构端部的最大拉应变及最大拉伸变形绘制成曲线，并以无量纲参数SR及TSR表示：结构最大拉应变(4)SR=土体最大拉应变()Alα'xl=处结构拉伸变形TDR=(5)''x=lL处土体结构拉伸变形A()lsinα就可得到地下结构的最大拉应变和最大拉力。3.1.2地下结构的

7、弯曲模型一个长为2L的结构，由一组弹簧来支承，土体变形按自由场运动，边界处土体变形为：''YAsb=−()1cosαx，−≤≤LxL(6)式中Y为x处土体位移；A为地震波产生的土体最大横向位移幅值。sb考虑土体结构相互作用的模型，弯曲位移的方程为：4dYk=−()YY(7)4sdxEIll4K式中Y为x处土体位移；4β=，I为结构的惯性矩。slEIll利用方程（6）中所给的土体位移，根据边界条件的对称性，可求得方程（7）