摘要：筆者首先分析了地下室結(jié)構(gòu)荷載的影響因素，介紹了綜合反射系數(shù)法、不考慮壓縮波反射作用的簡化方法、一維波理論分析法三種計(jì)算方法，最后，闡述了等效靜荷載的確定，主要包括等效靜載、自振頻率、動力系數(shù)。
　　關(guān)鍵詞：人防地下室、荷載、沖擊波
　　
　　
　　1引文
　　土中壓縮波作用下，結(jié)構(gòu)動載的確定方法很復(fù)雜。目前所用方法就其采用的力學(xué)模型可歸納為兩類：一是首先確定作用于結(jié)構(gòu)周邊上的荷載，將荷載和結(jié)構(gòu)脫離開來，如同地上結(jié)構(gòu)那樣去作動力分析；一是將結(jié)構(gòu)視為巖土中孔洞的加固鑲邊，將土體和結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體統(tǒng)一考慮，然后應(yīng)用波動理論或動力理論的解析方法或應(yīng)用有限元分析的數(shù)值方法，按無限(或半無限)平面(或空間)問題求解。后一方法很復(fù)雜，設(shè)計(jì)中常采用前者。
　　土中結(jié)構(gòu)所受到的荷載和許多因素有關(guān)：1）地面空氣沖擊波壓力參數(shù)，它引起巖土壓縮波向下傳播；2）壓縮波在自由場中傳播時(shí)的參數(shù)變化；3）壓縮波遇到結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生反射，這個(gè)反射壓力取決于波與結(jié)構(gòu)的相互作用。
　　2地下室結(jié)構(gòu)荷載分析
　　2.1影響土中壓縮波荷載的因素
　　2.2.1結(jié)構(gòu)埋深
　　隨傳播距離的增加，土中壓縮波峰值壓力近似按指數(shù)規(guī)律衰減，升壓時(shí)間近似按線性比例增長，其效果是隨深度的增加結(jié)構(gòu)的動力作用逐漸降低。
　　另一方面，當(dāng)壓縮波遇到結(jié)構(gòu)頂板時(shí)，將會產(chǎn)生反射壓縮波并朝反向傳播，當(dāng)它達(dá)到自由表面時(shí)，因地表無阻擋面使土體趨向疏松，形成向下傳播的拉伸波。拉伸波所到之處壓力將迅速降低，當(dāng)拉伸波傳到頂板時(shí)，頂板壓力也將隨之減小。如果頂板埋置較深，拉伸波到達(dá)時(shí)間較晚，在此之前結(jié)構(gòu)頂板可能已，達(dá)到最大變形，因而拉伸波不能起到卸載作用；如果埋深很淺，由于拉伸波產(chǎn)生的卸載作用，將會抵消大部分入射波在頂板上形成的反射作用。根據(jù)以上多種影響因素綜合考慮，承受壓縮波作用的土中淺埋構(gòu)件，會有一個(gè)頂板不利覆土厚度。
　　2.1.2頂蓋尺寸
　　頂蓋的橫向尺寸對荷載也有影響。頂蓋的大小是有限的，它的二側(cè)是上下連續(xù)的土壤介質(zhì)。壓縮波遇到頂蓋反射，但通過二側(cè)的土壤時(shí)不存在反射。因此在頂蓋的邊緣上將產(chǎn)生壓力差。頂蓋上方的土壤因受較大的反射壓力，有向二側(cè)擠壓的趨勢，逐次向中間疏松，致使頂蓋上的反射壓力降低。頂蓋尺寸較小時(shí)，反射壓力很快疏散，結(jié)構(gòu)受到壓縮波荷載的動力作用減弱。此外，由于頂蓋上面的土壤受阻不能與二側(cè)土壤一起向下運(yùn)動，并由于土壤內(nèi)部的摩擦力和粘結(jié)力，使結(jié)構(gòu)頂蓋二側(cè)邊緣上的壓力又有所增加。由此可見，頂蓋上的反射壓力并非均勻分布，就其平均值來說，頂蓋的橫向尺寸越大，受到的平均反射壓力也越大。
　　2.1.3介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的相互作用
　　當(dāng)壓縮波作用于結(jié)構(gòu)頂蓋上時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生整體位移和變形，這些又會反過來影響原來的壓縮波荷載。這種力學(xué)現(xiàn)象稱為介質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)相互作用。對平頂結(jié)構(gòu)而言，壓縮波作用下頂蓋的變形是順著波的傳播方向的，所以結(jié)構(gòu)變形使得壓縮波荷載減小。同理，柔性地基有較大沉降，使結(jié)構(gòu)獲得較大的整體位移，所以柔性地基結(jié)構(gòu)的頂蓋荷載比剛性地基時(shí)小。
　　2.1.4土含水量
　　壓縮波荷載與土壤含水量關(guān)系極大。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于地下水位較高的地區(qū)，更要考慮地下水的影響。壓縮波在飽和土層中傳播時(shí)很少衰減，同時(shí)因?yàn)轱柡屯恋膲嚎s性極小，使得結(jié)構(gòu)所受的荷載大幅度增加。
　　2.1.5土體力學(xué)特性
　　壓縮波荷載與土體力學(xué)特性密切有關(guān)。如具有抗剪強(qiáng)度的非飽和土壤，當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深較大時(shí)，一般使結(jié)構(gòu)的荷載減小，而飽和土則不能。
　　2.2土中結(jié)構(gòu)荷載的分析方法
　　2.2.1綜合反射系數(shù)法(三系數(shù)法)
　　綜合反射系數(shù)法是一種半經(jīng)驗(yàn)性實(shí)用方法。它考慮了壓縮波在傳播過程中的衰減，引入衰減系數(shù)α；在確定頂蓋上的荷載時(shí)，綜合考慮波與結(jié)構(gòu)以及自由地表之間的相互作用影響，引入綜合反射系數(shù)Kf；并在最后采用等效靜載法，引入動力系數(shù)Kd或荷載系數(shù)Kh，給出作用于結(jié)構(gòu)上的等效靜載。
　　2.2.2不考慮壓縮波反射作用的簡化方法
　　這種方法的觀點(diǎn)是，如果結(jié)構(gòu)的剛度不是很強(qiáng)、不處于飽和土中，則波的反射作用不明顯，因而不必考慮壓縮波的反射作用；如果結(jié)構(gòu)埋深不大，也不必考慮波的衰減。于是作用于頂蓋上的動載就是地面沖擊波超壓，即
　　
　　作用于側(cè)墻上的動載峰值取為地面沖擊波超壓峰值乘側(cè)壓系數(shù)，即
　　
　　作用于底板上的動載認(rèn)為與頂蓋上完全一致，即
　　
　　2.2.3一維波理論分析
　　按一維波理論分析土中結(jié)構(gòu)頂蓋的荷載時(shí)，假定結(jié)構(gòu)上方的土體為互不聯(lián)系的土柱。為了簡化，在考慮界面的反射時(shí)，認(rèn)為土壤的彈性極限應(yīng)力非常低，土壤的應(yīng)力應(yīng)變曲線在加載時(shí)可以看成為一條斜率等于E1的直線。設(shè)土中入射壓縮波的壓力峰值為，則引起土壤質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度是：
　　
　　其中為土的塑性波速，
　　2.2.4關(guān)于土中結(jié)構(gòu)荷載確定方法的幾點(diǎn)討論
　　1）綜合反射系數(shù)方法是一種半經(jīng)驗(yàn)性的實(shí)用方法，是《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50038—2005和《人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50225—2003計(jì)算核爆炸時(shí)地下結(jié)構(gòu)荷載的方法。
　　2）不考慮壓縮波反射作用來確定結(jié)構(gòu)荷載的方法最為簡單。由于不考慮反射，可能低估了加于結(jié)構(gòu)的壓力荷載峰值。但另一方面，它不考慮壓縮波在傳播中的衰減以及升壓時(shí)間增長，這卻高估了壓縮波對結(jié)構(gòu)的動力作用。最后的結(jié)果同別的方法得出的相比有時(shí)可能相差不多。
　　3）按一維波理論考慮介質(zhì)與結(jié)構(gòu)相互作用的方法，用于定性的闡明土中結(jié)構(gòu)荷載的規(guī)律是很有價(jià)值的，但用于定量分析還有不少問題，主要是計(jì)算公式中的許多參數(shù)很難準(zhǔn)確給定。
　　3等效靜荷載的確定
　　3.1等效靜載法
　　工程實(shí)際中為了便于解決問題，常把核爆動荷載變換為等效靜荷載，所采用的方法稱為等效靜載法，是一種近似的動力分析方法。在核爆動載作用下，地下室頂板、外墻、底板的均布等效靜載標(biāo)準(zhǔn)值可以按下列公式計(jì)算：
　　
　　
　　
　　、、分別是頂板、外墻、底板的動力系數(shù)。
　　等效靜載法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡單，并能沿用靜力計(jì)算的公式和圖表，因此為廣大人防工程設(shè)計(jì)人員所采用。但它有一定的局限性，一般對于掘開式淺埋結(jié)構(gòu)是適用的，對于大跨度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，宜采用有限自由度法求其動力解。按等效靜載法計(jì)算的誤差為以下情況：
　　（1）撓度的計(jì)算誤差最小，彎矩次之，剪力及軸向力最大；
　　（2）梁、板體系的計(jì)算誤差較拱結(jié)構(gòu)小；
　　（3）受分布荷載作用的結(jié)構(gòu)計(jì)算誤差較受集中荷載作用的結(jié)構(gòu)要小。采用等效靜載法的基本假定和原則為：
　　1）假定荷載同時(shí)作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)上；
　　2）假定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為單自由度體系，并按照某一假定的振型振動，不論在彈性或彈塑性階段，認(rèn)為振型的形狀不變；
　　3）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在動載作用下的最大內(nèi)力和反力是等效靜載作用下的內(nèi)力和反力。等效靜載的數(shù)值按結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可分為彈性階段和彈塑性階段兩種動力計(jì)算方法。通常確定等效靜載時(shí)宜采用彈塑性階段，即等效靜載的數(shù)值是動載最大值與動力系數(shù)或荷載系數(shù)的乘積。
　　4）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的動力系數(shù)與荷載系數(shù)認(rèn)為與同樣自振頻率的簡單彈簧質(zhì)點(diǎn)體系完全相同。
　　為了確定動力系數(shù)和荷載系數(shù)，需要計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自振頻率。首先選擇合適的振型，然后用能量法求得自振頻率，最后考慮覆土附加質(zhì)量和附加剛度對自振頻率的影響。
　　3.2自振頻率的計(jì)算方法
　　在強(qiáng)迫振動下哪一種主振型占主要成分與動載的分布形式有很大關(guān)系。一般來說與以動載作為靜力作用時(shí)的撓曲線相接近的主振型起著主導(dǎo)作用，因此宜取將動載視為靜力所產(chǎn)生的靜撓曲線形狀作為基本振型。
　　3.3動力系數(shù)
　　計(jì)算等效靜載所涉及的動力系數(shù)，需要根據(jù)構(gòu)件的延性比來確定。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性比[]是構(gòu)件出現(xiàn)最大變位與彈性極限變位的比值。
　　結(jié)構(gòu)在彈性工作階段，在荷載作用下構(gòu)件產(chǎn)生的變形和位移隨作用力增大而增大。力和位移的比值為常數(shù)，并且當(dāng)作用力消失由作用力所產(chǎn)生的變位也隨之消失，構(gòu)件恢復(fù)到原來的位置，沒有任何殘余變形存在；而構(gòu)件在彈塑性工作階段所產(chǎn)生的變位，在荷載停止作用和并不完全消除掉時(shí)，有殘余變形存在，然而正是這種變位使得構(gòu)件在彈塑性階段比彈性工作階段吸收更多的核爆炸的能量，這對結(jié)構(gòu)抵抗核爆動荷載是十分有利的。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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　　[2]張曉漪.人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的等價(jià)等效靜載法[J].地下空間，2004，12(2)：105-109.