人防地下結(jié)構(gòu)抗震研究

胡志耀

摘要：隨著地下空間開發(fā)規(guī)模的與日俱增，包括人防工程在內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)的抗震性能越來越受到人們的廣泛關(guān)注，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究已逐漸成為當(dāng)今地震工程界研究的重要方向。在此背景下，本文將圍繞人防地下結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究，主要論述人防地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況、人防地下結(jié)構(gòu)抗震的研究方法、地下結(jié)構(gòu)地震動特性及提升抗震性能的建議三個方面的內(nèi)容，以期能深入闡明人防地下結(jié)構(gòu)的抗震性能，提升地下結(jié)構(gòu)的抗震性能水平。

關(guān)鍵詞：人防工程；地下結(jié)構(gòu)；抗震研究；抗震性能

在地下空間開發(fā)規(guī)模變大、人防工程建造數(shù)量增多、地震的不規(guī)則爆發(fā)增多的復(fù)雜背景下，對人防地下工程抗震性能的相關(guān)研究便具有了極其深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。我國地理位置特殊，正處于三大板塊交界的大陸淺源強(qiáng)地震區(qū)，全國多半城市處于地震區(qū)，所以，這也就意味著人防地下工程作為抗震性能最好的抗震工程，其抗震性能必然是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為此，下面本文將具體來分析人防地下結(jié)構(gòu)的抗震問題，以期能夠促進(jìn)地下防震工程的進(jìn)一步發(fā)展。

一、 人防地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

我國是一個多地震國家，且處于三大板塊的交接地帶，三大板塊的構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致了構(gòu)造地震，使得地殼巖石中長期積累的變形壓力在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致了地震的爆發(fā)。隨著中國城市化的迅猛發(fā)展，在城市的人口壓力、交通壓力、用地壓力、生態(tài)環(huán)境壓力等多重壓力之下，我國地下空間開發(fā)規(guī)模迅速增大，，地下空間的開發(fā)利用已成為眾所關(guān)心的熱點(diǎn)。我們在建設(shè)人防工程、地下民用工程與地下戰(zhàn)備工程時，都把地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及安全性評價放在了極為突出的位置，這一點(diǎn)是非常值得欣慰的。

中國的地下空間開發(fā)開始的時間較早，在20世紀(jì)50年代便開始陸續(xù)修建早期的人防工程，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)之后，60、70年代開始發(fā)動群眾構(gòu)建一批簡易的人防工事，但當(dāng)時的建造水平非常有限，使用壽命很短。如今，經(jīng)過幾十年的探索，地下空間開發(fā)技術(shù)已逐漸嫻熟，并成功運(yùn)用到各類地下建筑中，出現(xiàn)了我們所熟知的地下電站、地下城市、地下儲能、地下鐵道及輕軌、地下超市、地下停車場、水利工程、海底隧道等等，地下結(jié)構(gòu)建筑已成功開拓了廣大的應(yīng)用領(lǐng)域。1978年，廈門第三次全國人防會議確定了人防工程的建設(shè)原則，指出要堅持“長期堅持、平戰(zhàn)結(jié)合、全面規(guī)劃、重點(diǎn)建設(shè)”的原則。此外，自《人民防空法》頒布之后，地下人防建設(shè)的規(guī)模逐漸增大，而且出現(xiàn)了民用防空工程與戰(zhàn)備防空工程界限模糊的現(xiàn)象，這也就意味著民用防空工程可以改建成戰(zhàn)備防空工程。在未來的地下建筑中，我們須將遵循地下空間的開發(fā)建設(shè)與人防工程建設(shè)統(tǒng)籌兼顧的原則，切實(shí)貫徹“平戰(zhàn)結(jié)合”的原則，這是人防地下結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的必由之路。

二、 人防地下結(jié)構(gòu)抗震的研究方法

地下結(jié)構(gòu)抗震問題的研究方法主要有三類：地震觀測、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。地震觀測是指在地震發(fā)生時進(jìn)行實(shí)時測量，通過實(shí)測地下結(jié)構(gòu)在地震時的動力特性來探究地下結(jié)構(gòu)的抗震特點(diǎn)及抗震性能。第二類是理論分析法，目前常用的理論分析法是相互作用法和波動法。相互作用法是建立在求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程式的基礎(chǔ)上，將介質(zhì)的作用比擬為彈簧和阻力，然后通過地面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析的一類研究方法；波動法主要也是以求解方程為基礎(chǔ)，把介質(zhì)和結(jié)構(gòu)看作系統(tǒng)來加以分析的方法。前兩種方法的應(yīng)用范圍較小，下面重點(diǎn)來分析模型實(shí)驗(yàn)法。

模型實(shí)驗(yàn)法是地下結(jié)構(gòu)現(xiàn)有研究方法中最重要的研究途徑，主要可分為三類：人工震源實(shí)驗(yàn)、振動臺實(shí)驗(yàn)和離心機(jī)振動臺實(shí)驗(yàn)。人工震源實(shí)驗(yàn)是人為模擬震源的一種實(shí)驗(yàn)方式，但是人工制造的模擬震源激震力一般較小，不易達(dá)到較高應(yīng)力狀態(tài)，且無法反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)非線性性質(zhì)及周圍土體破壞等對地下結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響，應(yīng)用范圍比較受限；其次是振動臺實(shí)驗(yàn)法，這類方法的應(yīng)用范圍較前者來說廣泛了很多，相關(guān)的研究案例有很多，筆者摘選其中比較典型、有說服力的一個案例來講解一下。徐志英、施善云采用加重乳膠鐵粉材料，制成了實(shí)驗(yàn)對象——方形管道模型，實(shí)驗(yàn)者選取了3m×5m大型振動臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模型尺寸分別是：橫斷面24cm×24cm，壁厚2. 5cm，模型總長120cm。實(shí)驗(yàn)對象準(zhǔn)備完畢后，將實(shí)驗(yàn)對象埋置于大型剛性容器填砂中，箱體長360cm，寬120cm，高100cm。采用簡諧波進(jìn)行激振，并進(jìn)行跟定測量，主要測量三類數(shù)據(jù)：地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)動應(yīng)力、砂土與地下結(jié)構(gòu)接觸面上的動土壓力、加速度。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了土-地下結(jié)構(gòu)動力相互作用的計算模型。離心機(jī)實(shí)驗(yàn)法的優(yōu)勢最明顯，它可以通過增加模型的場加速度，模擬出與原型相等或相近的真實(shí)應(yīng)力水平，重現(xiàn)原型的物理特性。

三、 地下結(jié)構(gòu)地震動特性及提升抗震性能的建議

通過對以往發(fā)生的地震動所產(chǎn)生的震害情況的分析，我們大致可以得出地下結(jié)構(gòu)地震動普遍具有的如下特性：一是地震反應(yīng)的特點(diǎn)。地下結(jié)構(gòu)地震時的反映特點(diǎn)與地面結(jié)構(gòu)相比有很大不同，地震結(jié)構(gòu)的振動變形會受到周圍地基土壤的約束作用，動力反應(yīng)一般不會表現(xiàn)出自振特性；地下結(jié)構(gòu)受震時一般不會波及周圍地震，這與地上結(jié)構(gòu)有明顯不同；地下結(jié)構(gòu)受震時的振動形態(tài)主要受地震波入射方向的影響，對于地下結(jié)構(gòu)而言，地震形態(tài)的變化與入射方向存在不同步變化，即便入射方向改變不大，地下結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的變形和應(yīng)力也可能會發(fā)生很大的變化；地下結(jié)構(gòu)與地基之間存在著相互影響、相互作用的關(guān)系，這個相互關(guān)系會對地下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)產(chǎn)生影響，但是影響程度是不同的，影響程度最大的因素是地基的運(yùn)動特性。二是地震震害部位，地下結(jié)構(gòu)的震害部位主要發(fā)生在地下與地面結(jié)構(gòu)的交界處， 因?yàn)榻唤绮课坏慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是最差的，在地震時所受震害最深。例如地下隧道的進(jìn)出相交口處、隧道的轉(zhuǎn)彎處、兩洞相交或者平動與豎井的相交部位，結(jié)構(gòu)周圍巖土特性發(fā)生突變的部位等等。三是影響震害的因素主要有地形、土壤條件、斷面形狀及大小、震源位置、結(jié)構(gòu)或襯砌的尺寸及材料等等。

結(jié)合國內(nèi)外地下抗震結(jié)構(gòu)的分析，現(xiàn)將提高地下結(jié)構(gòu)抗震能力的舉措總結(jié)如下：一是地下結(jié)構(gòu)的選址問題。選址問題是地下結(jié)構(gòu)建造過程中一個極其關(guān)鍵的問題，為此，選址必須慎重、科學(xué)、合理。選址的通用原則是必須將地下結(jié)構(gòu)建于穩(wěn)定巖層和地基條件好的場地當(dāng)中，避開斷層、山坡坡面、山坡不穩(wěn)定地段，避免選擇局部地基情況變化較大的場地；二是在建造過程中，一定盡可能選埋較大的路線，建造隧洞時要加固隧道的出入口，兩洞相交時要保證交角度數(shù)接近直角，因?yàn)橹苯墙嵌仁亲畎踩?、最穩(wěn)定的角度，在地震發(fā)生時受震害最小，若三個隧洞需要相交時，一定避免三洞相交于同一位置，同時也要關(guān)注三洞交點(diǎn)之間的距離，這個距離不能太近。

結(jié)束語：

國內(nèi)外人防地下結(jié)構(gòu)的抗震性能相關(guān)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合全球范圍內(nèi)多次地震震害破壞現(xiàn)象的相關(guān)資料，我們發(fā)現(xiàn)地震載荷下現(xiàn)有的人防地下結(jié)構(gòu)并不安全，其抗震性能和安全性能有待提升。通過上述本文的探究，我們圍繞人防地下結(jié)構(gòu)的抗震問題，著重論述了人防地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況、人防地下結(jié)構(gòu)抗震的研究方法、地下結(jié)構(gòu)地震動特性及提升抗震性能的建議三個方面的內(nèi)容，以期能夠提升人防地下結(jié)構(gòu)的抗震性能，促進(jìn)人防工程和地下開發(fā)工程的進(jìn)一步發(fā)展。

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