人防地下结构抗震研究

关键词：人防工程；地下结构；抗震研究；抗震性能

在地下空间开发规模变大、人防工程建造数量增多、地震的不规则爆发增多的复杂背景下，对人防地下工程抗震性能的相关研究便具有了极其深远的现实意义。我国地理位置特殊，正处于三大板块交界的大陆浅源强地震区，全国多半城市处于地震区，所以，这也就意味着人防地下工程作为抗震性能最好的抗震工程，其抗震性能必然是人们关注的热点问题。为此，下面本文将具体来分析人防地下结构的抗震问题，以期能够促进地下防震工程的进一步发展。

一、 人防地下结构的发展概况

我国是一个多地震国家，且处于三大板块的交接地带，三大板块的构造运动导致了构造地震，使得地壳岩石中长期积累的变形压力在极短的时间内转化为动能，导致了地震的爆发。随着中国城市化的迅猛发展，在城市的人口压力、交通压力、用地压力、生态环境压力等多重压力之下，我国地下空间开发规模迅速增大，，地下空间的开发利用已成为众所关心的热点。我们在建设人防工程、地下民用工程与地下战备工程时，都把地下结构的抗震设计及安全性评价放在了极为突出的位置，这一点是非常值得欣慰的。

中国的地下空间开发开始的时间较早，在20世纪50年代便开始陆续修建早期的人防工程，积累了一定的经验之后，60、70年代开始发动群众构建一批简易的人防工事，但当时的建造水平非常有限，使用寿命很短。如今，经过几十年的探索，地下空间开发技术已逐渐娴熟，并成功运用到各类地下建筑中，出现了我们所熟知的地下电站、地下城市、地下储能、地下铁道及轻轨、地下超市、地下停车场、水利工程、海底隧道等等，地下结构建筑已成功开拓了广大的应用领域。1978年，厦门第三次全国人防会议确定了人防工程的建设原则，指出要坚持“长期坚持、平战结合、全面规划、重点建设”的原则。此外，自《人民防空法》颁布之后，地下人防建设的规模逐渐增大，而且出现了民用防空工程与战备防空工程界限模糊的现象，这也就意味着民用防空工程可以改建成战备防空工程。在未来的地下建筑中，我们须将遵循地下空间的开发建设与人防工程建设统筹兼顾的原则，切实贯彻“平战结合”的原则，这是人防地下结构未来发展的必由之路。

二、 人防地下结构抗震的研究方法

地下结构抗震问题的研究方法主要有三类：地震观测、实验研究和理论分析。地震观测是指在地震发生时进行实时测量，通过实测地下结构在地震时的动力特性来探究地下结构的抗震特点及抗震性能。第二类是理论分析法，目前常用的理论分析法是相互作用法和波动法。相互作用法是建立在求解结构运动方程式的基础上，将介质的作用比拟为弹簧和阻力，然后通过地面结构模型进行分析的一类研究方法；波动法主要也是以求解方程为基础，把介质和结构看作系统来加以分析的方法。前两种方法的应用范围较小，下面重点来分析模型实验法。

模型实验法是地下结构现有研究方法中最重要的研究途径，主要可分为三类：人工震源实验、振动台实验和离心机振动台实验。人工震源实验是人为模拟震源的一种实验方式，但是人工制造的模拟震源激震力一般较小，不易达到较高应力状态，且无法反应地下结构非线性性质及周围土体破坏等对地下结构动力反应的影响，应用范围比较受限；其次是振动台实验法，这类方法的应用范围较前者来说广泛了很多，相关的研究案例有很多，笔者摘选其中比较典型、有说服力的一个案例来讲解一下。徐志英、施善云采用加重乳胶铁粉材料，制成了实验对象——方形管道模型，实验者选取了3m×5m大型振动台上进行实验。模型尺寸分别是：横断面24cm×24cm，壁厚2. 5cm，模型总长120cm。实验对象准备完毕后，将实验对象埋置于大型刚性容器填砂中，箱体长360cm，宽120cm，高100cm。采用简谐波进行激振，并进行跟定测量，主要测量三类数据：地下结构的内动应力、砂土与地下结构接触面上的动土压力、加速度。在实验基础上提出了土-地下结构动力相互作用的计算模型。离心机实验法的优势最明显，它可以通过增加模型的场加速度，模拟出与原型相等或相近的真实应力水平，重现原型的物理特性。

三、 地下结构地震动特性及提升抗震性能的建议

通过对以往发生的地震动所产生的震害情况的分析，我们大致可以得出地下结构地震动普遍具有的如下特性：一是地震反应的特点。地下结构地震时的反映特点与地面结构相比有很大不同，地震结构的振动变形会受到周围地基土壤的约束作用，动力反应一般不会表现出自振特性；地下结构受震时一般不会波及周围地震，这与地上结构有明显不同；地下结构受震时的振动形态主要受地震波入射方向的影响，对于地下结构而言，地震形态的变化与入射方向存在不同步变化，即便入射方向改变不大，地下结构各点的变形和应力也可能会发生很大的变化；地下结构与地基之间存在着相互影响、相互作用的关系，这个相互关系会对地下结构的动力反应产生影响，但是影响程度是不同的，影响程度最大的因素是地基的运动特性。二是地震震害部位，地下结构的震害部位主要发生在地下与地面结构的交界处， 因为交界部位的结构稳定性是最差的，在地震时所受震害最深。例如地下隧道的进出相交口处、隧道的转弯处、两洞相交或者平动与竖井的相交部位，结构周围岩土特性发生突变的部位等等。三是影响震害的因素主要有地形、土壤条件、断面形状及大小、震源位置、结构或衬砌的尺寸及材料等等。

结合国内外地下抗震结构的分析，现将提高地下结构抗震能力的举措总结如下：一是地下结构的选址问题。选址问题是地下结构建造过程中一个极其关键的问题，为此，选址必须慎重、科学、合理。选址的通用原则是必须将地下结构建于稳定岩层和地基条件好的场地当中，避开断层、山坡坡面、山坡不稳定地段，避免选择局部地基情况变化较大的场地；二是在建造过程中，一定尽可能选埋较大的路线，建造隧洞时要加固隧道的出入口，两洞相交时要保证交角度数接近直角，因为直角角度是最安全、最稳定的角度，在地震发生时受震害最小，若三个隧洞需要相交时，一定避免三洞相交于同一位置，同时也要关注三洞交点之间的距离，这个距离不能太近。

结束语：

国内外人防地下结构的抗震性能相关数据分析，结合全球范围内多次地震震害破坏现象的相关资料，我们发现地震载荷下现有的人防地下结构并不安全，其抗震性能和安全性能有待提升。通过上述本文的探究，我们围绕人防地下结构的抗震问题，着重论述了人防地下结构的发展概况、人防地下结构抗震的研究方法、地下结构地震动特性及提升抗震性能的建议三个方面的内容，以期能够提升人防地下结构的抗震性能，促进人防工程和地下开发工程的进一步发展。

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