可折叠正四面体地震避难所设计研究

郝正睿 王成

摘  要：为研究地震避难所结构设计及力学特性，本文开发一种可折叠正四面体结构地震避难所，采用新型动态支点铰链结构设计，结合有限元分析，获取空间正四面体内部应力分布。结果表明：顶部承压时，正四面结构中上部区域应力较大，可适当增加此部分结构厚度保证安全;楼板冲击荷载作用楼层越多，正四面体所受应力越大，但其超过4层作用后结构所承受应力值增长幅度有限，进而从侧面体现正四面结构对超荷载作用缓冲能力强，结构安全稳定。

关键词：地震;折叠;正四面体;应力

中图分类号：P315              文献标志码：A

0 引言

近年来，地震灾害频发给人类社会造成巨大的生命和财产损失，如何在地震中降低人员伤亡率，减少财产损失是研究学者关注的重点。地震避难所因其建立在密闭空间，具备良好的防护性能，能够抵御一定的外力冲击，当灾变发生时，遇险人员可迅速躲进避难所等待外部救援，是降低遇险人员伤亡率最有效途径。现阶段有关地震避难仓设计成果颇为丰富，王建霞等研究正放四角锥钢网架结构避难所设计，通过结构自振分析研究网架结构在地震下的动力学响应，结果表明该结构刚度大，属高次超静变，安全度高，稳定性好;李海旺等研究大跨径钢网架结构地震避难所设计，根据现行抗震规范判定结构失效承载力，结果表明其竖向最大变形代表值满足避难与救灾建筑非结构构件对主体结构变形的要求;王卓等研究网状结构抗震设计方法发现现行的抗震规范设计不能满足抗震避难所要求，需要对截面进行加强和添加隔震橡胶支座，以达到提高抗震承载力的目的。

现有的地震避难所多针对网状结构避难所进行设计，对非网状结构避难所的力学特性很少进行研究。为此，作者据空心正四面体避难所舱体结构设计要求，建立空心正四面体避难所舱型结构模型，根据有限元分析结果探讨空心正四面体避难所的抗震性和结构稳定性，以期为类似工程提供借鉴与指导。

1 地震避难所结构设计

1.1 避难所几何形状选择

地震中环境情况复杂，地面凹凸不平，避难所容易发生相对滑动导致废墟建筑物应力平衡重新分布对人员造成二次伤害，避难所几何形状应尽可能稳定。正四面体由于无论如何放置，始终有一个面平行于接触面，在不平稳表面上稳定性满足要求。三角形在所有形状中稳定性最好，空心正四面体结构四面均为三角形，是最符合设计要求的形状。

1.2 避难所结构设计

本文首次提出可折叠避难仓理念，设计一种如图1所示可折叠正四面体避难结构，由正三角主板、直角三角主板及动态支点铰链组成。该地震避难仓具备良好的防护性能，能够抵御一定的外力冲击，结构简洁，操作快速简单，质量轻、体积小、成本低。

在边界连接方式设计方面，为使相邻两界面之间能够自由转动并达到可折叠目的，作者设计一种如图2所示新型动态支点铰链。该结构立体空间自由度F为4，表明铰链可绕轴旋转，当铰链完全展开时，两板夹角为180°，铰链达到死点位置。

结构展开时，占地面积约为：

结构折叠时，占地面积约为：

结构的折叠比P为：

新型铰链可以使主板在折叠时紧密贴合，在完全展开时侧面紧密贴合，从而达到符合预期设计的折叠效果。高折叠比表明在平时存放时极大地节省了空间。

2 数值模拟模型

为真实模拟地震情况中避难所遭受楼板冲击荷载作用的动力学行为，本文基于AUTODYN软件，通过数值模拟模型分析避难所的应力分布，从而得到避难所不同部位的压强变化及结构承载极限。利用三维CAD软件PRO/E建立空心正四面体几何模型，空心正四面体的4个面是边长为120cm正三角形，厚度为3cm。建模完成后进行有限元网格划分，单元类型为四面体，单元边长为6cm，在相应位置建立应力应变观测点及坐标轴。金属材料选用Johnson-Cook本構模型及Linear状态方程，混凝土材料选用RHT模型本构模型及P-Alpha状态方程。

3 结果分析讨论

3.1 空心正四面体受到六层钢材楼板冲击压强分布

为分析空心正四面体结构受六层楼板（3m×3m×0.12m 4340合金钢材）冲击的压强分布，选取同一高度处观测点（46，49，52，55）及中轴位置处观测点（10，22，55）监测压强随时间的分布规律，结果如图3所示。

由图3可知：

同一高度处压强与|x|成反比，压强与1成正比，越靠近中轴及顶点压强越大。46观测点压强峰值约为55观测点压强峰值的3.1倍。在优化结构时可以在靠近中轴偏上区域增加板厚度。

3.2 空心正四面体受不同层数混凝土楼板冲击压强分布

为分析空心正四面体结构受不同层数35MPa混凝土楼板（3m×3m×0.12m）的冲击压强，分别设置2层、4层、6层混凝土楼板冲击荷载并在观测点1，3，处监测压强随时间分布规律，其结果如图4所示。

由图4可知：

（1）在不同数量楼层的作用下，冲击作用的楼层越多，正四面体受到的应力越大。楼层数量达到4层后，随着楼层数量的增加，正四面体受到的应力增大较慢。这说明正四面体可以承受多层楼板的冲击作用。

（2）空心正四面体结构对超荷载作用缓冲能力强，结构安全可靠。在1观测点中，正四面体顶端的应力超过材料的破坏强度，正四面体顶端发生塑性变形吸收一部分能量，楼板材料发生变形和部分破坏，楼板材料大变形能够吸收较大的冲击能量。图4中曲线波动是由正四面体和楼板材料的变形吸能造成。

结语

地震避难仓可在地震灾害发生时有效降低人员伤亡概率，其结构安全稳定与否至关重要。本文开发一种可折叠正四面体结构地震避难所，采用新型动态支点铰链结构设计，结合有限元分析，获取空间正四面体内部应力分布。结果表明：

（1）顶部承压时，正四面结构中上部区域应力较大，可适当增加此部分结构厚度保证安全。

（2）超过四层楼板荷载作用后正四面体结构应力增长幅度有限，进而从侧面体现正四面结构对超荷载作用缓冲能力强，结构安全稳定。

参考文献

[1]王建霞.灾难地震避难所功能设计与抗震性能评定研究[D]. 太原理工大学，2013.

[2]李海旺.大跨钢网格结构地震避难所抗震设计方法研究[D]. 太原理工大学，2013.

[3]王卓.灾难地震下网架结构体系基于破坏形态的抗震性能设计研究[D].太原理工大学， 2015.