关于人防地下结构抗震的相关研究

■叶超华 ■惠州市人防工程设计院有限公司，广东 惠州 516000

基于地下结构所处位置特点，受围岩包裹影响，与地面结构相比其具有更高的抗震性能，目前在人防地下结构工程建设要求逐渐提高的背景下，需要在原有基础上对其地下结构的抗震性能做更进一步的研究分析，降低地震灾害对结构造成的影响。在进行研究时应提前了解地下结构特点，建立三维分析动力有限元模型，对其可靠性进行验证，对结构抗震性能做更为详细的分析，最后在此基础上来进行抗震优化。

1 人防地下结构特点分析

1.1 自然防护能力强

地下结构建设位置一般为具有一定厚度的岩体介质中，与地面结构相比具有更高的自然防护能力，除了能够抵御地震、飓风等自然灾害外，还可以承受核武器、轰炸等人为灾害［1］。在对人防地下结构进行设计施工时，可以利用此特点对其抗震性能进行分析研究，选择合理的施工方案、技术以及材料等。

1.2 地质条件影响大

在建设人防地下结构时，需要提前对建设地点、层高、平面形状以及跨度等进行综合分析，而此类条件在很大程度上均会受到沿途地质强度以及地下水位等因素影响，尤其是地下结构跨度与平面布置的设计，受岩土围岩稳定性影响十分严重，随着结构跨度的增大，也会对围岩的稳定性造成影响，同时也会加大结构自身所需承受的压力［2］。因此，为提高地下结构抗震性能，在进行设计时，应尽量不要选择用大跨度、多跨或者连续成片的设计方式，而是选择用多个单个洞室组成为佳。

1.3 降低外界条件影响

人防地下结构建设时，利用地层具有的热稳定性与密闭性等特点，可以完成对口部地段内部温度的有效控制，最大程度的降低外界环境的影响，达到良好储存物资的目的。另外，与地面结构相比，人防地下结构抗震性能与密闭性能更高，能够有效消除地面尘土以及电磁波的干扰。

2 三维地下结构抗震性能分析

2.1 围岩类别抗震影响

(1)位移比较。选择地下结构中与输入地震动方向平行外侧位置，以及与土体接触并带有剪力墙矿部分中间桁框架进行对比，当地下建筑结构处于不同围岩情况时，向两种结构输入6 条不同基岩波，则可以得到地下结构层间位移极值情况。通过实际对比可以得出，结构位移与围岩弹性模量成反比，随着围岩硬度的增加，其弹性模量越大，而地下结构的位移越小。当围岩结构比较软时，则其对地下结构的约束作用比较小，在地震作用力下，结构的变形情况也就更严重。

(2)内力比较。选择不同类别围岩对其地下结构地震性能进行分析，向结构中输入6 条不同基岩波作用，并与前节内力进行对比。对于所选地下结构，应为外侧与土体相连接剪力墙中框架部分，以及中间榀框架部分，并且基于结构所具有的对称性特点，还应选择边柱柱端内里与边跨梁梁端内力等控制截面的内力进行对比［3］。最终通过对比可以得出，在围岩逐渐变软时，地下结构外榀框架中柱剪力与内榀框架中柱剪力为先增加后减小。当围岩持续变软时，结构内力也会持续降低。

2.2 结构埋深抗震影响

(1)位移比较。选择不同埋深厚度地下结构，确定地下结构外剪力墙与内榀框架为分析对象，对其在地震作用下发生的层间位移极值进行对比。可以得出在埋深不断增加时，地下结构外剪力墙与内榀框架层间位移变化趋势是先增加后减小，并且结构层间位移不断增加。当埋深达到一定程度后，地下结构层间侧移则会出现先增加后减小的变化。其中，地下结构埋深在90～100m 之间时，结构层间位移比较小，但是在位移逐渐增大，并且由相同地震力作用时，地下结构外榀框架层间位移以将中间层最大，并存在先增加后减小的情况。

(2)内力比较。研究埋深对结构抗震性能的影响，向试验的结构中输入6 条不同基岩波作用，其中选择地下结构外榀框架与内榀框架边柱柱端内力，将其与边跨梁梁端内力等控制截面内力进行对比。通过对比可以得出随着埋深的增加，地下结构内榀框架中柱轴力与中柱剪力逐渐增大后减小，其中埋深厚度从10cm 增加到90cm 后，地下结构所受内力逐渐增加，但是达到一定限度后内力逐渐减小。并且，对于不同埋深土层，地下结构控制截面地震内力会随着土层深度的增加而增加，而结构受力则持续增加后降低。

3 人防工程地下结构等效测力法改进措施分析

3.1 惯性力计算公式改进

在应用等效侧力法对人防地下结构抗震性能进行研究时，其应用范围会受到地震加速度分布、侧墙土层之间摩擦以及土层对结构约束等因素的影响，必须要对此类情况进行改进分析。其中，等效侧力法惯性计算公式为:F=ηcKhmg，其中利用系数ηc对地下结构作用加速度在整个截面上折减为相同的大小，按照岩石与非岩石情况进行分别取值。传统计算中，对于截面尺寸较小的地下结构比较合理，但是面对截面尺寸较大的结构，随着埋深的变化，如果选择统一加速度进行计算，则计算结果不合理，会影响结构设计的抗震性能。基于此，应针对埋深对加速度影响的特点，确定了加速度幅值比拟合公式，y=a［exp(-x/b)-exp(-1/b)］。对于加速度幅值拟合公式在部分情况影响比较复杂，还可以应用倒梯形方法来对地下结构加速度进行计算，其中对于基岩面时加速度取值为地表0.5 倍。

3.2 土层摩擦力计算公式改进

为最大程度上提高地下结构与周围土体作用力计算合理性，需要做好对土层摩擦力计算的优化。如果只考虑结构顶板与上覆地层接触处由二者相互作用产生的剪切力，则计算公式为:τu=(G/πh)·Sv·Ts，其中τu表示作用于顶板表面单位面积剪切力，Sv表示作用于计算区域底部边界速度反应谱，G 表示地层动剪切模量，h 表示顶板上方地层厚度，Ts表示顶板以上地层固有周期［4］。在实际地震作用时，土体将会对结构四周均产生摩擦作用，在进行结构抗震性能分析时，应选择用地震土摩擦力计算公式:

其中，GD 表示地层动剪切模量，zu 表示结构埋深。

4 结束语

人防工程地下结构与地面结构相比，具有更明显的特点，在地震作用力下受到的影响更小，但是想要提高其抗震设计，就需要结合地下结构所具有的特点，对各影响因素进行分析，并对计算方式进行改进优化，争取不断提高结构抗震设计的效果。

［1］王文沛.浅埋地下结构地震反应分析及设计方法研究［D］.北京工业大学，2012.

［2］郑良平.地下建筑结构抗震性能分析与抗震简化计算方法探讨［D］.重庆大学，2010.

［3］高文生.城市地下空间结构设计施工关键问题探析［J］.地下空间与工程学报，2010(S1):1438 -1443.

［4］王国波，谢伟平，孙明，刘卫国.地下框架结构抗震性能评价方法的研究［J］.岩土工程学报，2011(04):593 -598.