郝正睿 王成

摘? 要：為研究地震避難所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)特性，本文開發(fā)一種可折疊正四面體結(jié)構(gòu)地震避難所，采用新型動(dòng)態(tài)支點(diǎn)鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元分析，獲取空間正四面體內(nèi)部應(yīng)力分布。結(jié)果表明：頂部承壓時(shí)，正四面結(jié)構(gòu)中上部區(qū)域應(yīng)力較大，可適當(dāng)增加此部分結(jié)構(gòu)厚度保證安全;樓板沖擊荷載作用樓層越多，正四面體所受應(yīng)力越大，但其超過4層作用后結(jié)構(gòu)所承受應(yīng)力值增長幅度有限，進(jìn)而從側(cè)面體現(xiàn)正四面結(jié)構(gòu)對(duì)超荷載作用緩沖能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：地震;折疊;正四面體;應(yīng)力

中圖分類號(hào)：P315? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，地震災(zāi)害頻發(fā)給人類社會(huì)造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，如何在地震中降低人員傷亡率，減少財(cái)產(chǎn)損失是研究學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。地震避難所因其建立在密閉空間，具備良好的防護(hù)性能，能夠抵御一定的外力沖擊，當(dāng)災(zāi)變發(fā)生時(shí)，遇險(xiǎn)人員可迅速躲進(jìn)避難所等待外部救援，是降低遇險(xiǎn)人員傷亡率最有效途徑。現(xiàn)階段有關(guān)地震避難倉設(shè)計(jì)成果頗為豐富，王建霞等研究正放四角錐鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)避難所設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)自振分析研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)剛度大，屬高次超靜變，安全度高，穩(wěn)定性好;李海旺等研究大跨徑鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)地震避難所設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范判定結(jié)構(gòu)失效承載力，結(jié)果表明其豎向最大變形代表值滿足避難與救災(zāi)建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)變形的要求;王卓等研究網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)不能滿足抗震避難所要求，需要對(duì)截面進(jìn)行加強(qiáng)和添加隔震橡膠支座，以達(dá)到提高抗震承載力的目的。

現(xiàn)有的地震避難所多針對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)避難所進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)避難所的力學(xué)特性很少進(jìn)行研究。為此，作者據(jù)空心正四面體避難所艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，建立空心正四面體避難所艙型結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果探討空心正四面體避難所的抗震性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以期為類似工程提供借鑒與指導(dǎo)。

1 地震避難所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 避難所幾何形狀選擇

地震中環(huán)境情況復(fù)雜，地面凹凸不平，避難所容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致廢墟建筑物應(yīng)力平衡重新分布對(duì)人員造成二次傷害，避難所幾何形狀應(yīng)盡可能穩(wěn)定。正四面體由于無論如何放置，始終有一個(gè)面平行于接觸面，在不平穩(wěn)表面上穩(wěn)定性滿足要求。三角形在所有形狀中穩(wěn)定性最好，空心正四面體結(jié)構(gòu)四面均為三角形，是最符合設(shè)計(jì)要求的形狀。

1.2 避難所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文首次提出可折疊避難倉理念，設(shè)計(jì)一種如圖1所示可折疊正四面體避難結(jié)構(gòu)，由正三角主板、直角三角主板及動(dòng)態(tài)支點(diǎn)鉸鏈組成。該地震避難倉具備良好的防護(hù)性能，能夠抵御一定的外力沖擊，結(jié)構(gòu)簡潔，操作快速簡單，質(zhì)量輕、體積小、成本低。

在邊界連接方式設(shè)計(jì)方面，為使相鄰兩界面之間能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)并達(dá)到可折疊目的，作者設(shè)計(jì)一種如圖2所示新型動(dòng)態(tài)支點(diǎn)鉸鏈。該結(jié)構(gòu)立體空間自由度F為4，表明鉸鏈可繞軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉸鏈完全展開時(shí)，兩板夾角為180°，鉸鏈達(dá)到死點(diǎn)位置。

結(jié)構(gòu)展開時(shí)，占地面積約為：

結(jié)構(gòu)折疊時(shí)，占地面積約為：

結(jié)構(gòu)的折疊比P為：

新型鉸鏈可以使主板在折疊時(shí)緊密貼合，在完全展開時(shí)側(cè)面緊密貼合，從而達(dá)到符合預(yù)期設(shè)計(jì)的折疊效果。高折疊比表明在平時(shí)存放時(shí)極大地節(jié)省了空間。

2 數(shù)值模擬模型

為真實(shí)模擬地震情況中避難所遭受樓板沖擊荷載作用的動(dòng)力學(xué)行為，本文基于AUTODYN軟件，通過數(shù)值模擬模型分析避難所的應(yīng)力分布，從而得到避難所不同部位的壓強(qiáng)變化及結(jié)構(gòu)承載極限。利用三維CAD軟件PRO/E建立空心正四面體幾何模型，空心正四面體的4個(gè)面是邊長為120cm正三角形，厚度為3cm。建模完成后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元類型為四面體，單元邊長為6cm，在相應(yīng)位置建立應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)及坐標(biāo)軸。金屬材料選用Johnson-Cook本構(gòu)模型及Linear狀態(tài)方程，混凝土材料選用RHT模型本構(gòu)模型及P-Alpha狀態(tài)方程。

3 結(jié)果分析討論

3.1 空心正四面體受到六層鋼材樓板沖擊壓強(qiáng)分布

為分析空心正四面體結(jié)構(gòu)受六層樓板（3m×3m×0.12m 4340合金鋼材）沖擊的壓強(qiáng)分布，選取同一高度處觀測(cè)點(diǎn)（46，49，52，55）及中軸位置處觀測(cè)點(diǎn)（10，22，55）監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)隨時(shí)間的分布規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：

同一高度處壓強(qiáng)與|x|成反比，壓強(qiáng)與1成正比，越靠近中軸及頂點(diǎn)壓強(qiáng)越大。46觀測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)峰值約為55觀測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)峰值的3.1倍。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)可以在靠近中軸偏上區(qū)域增加板厚度。

3.2 空心正四面體受不同層數(shù)混凝土樓板沖擊壓強(qiáng)分布

為分析空心正四面體結(jié)構(gòu)受不同層數(shù)35MPa混凝土樓板（3m×3m×0.12m）的沖擊壓強(qiáng)，分別設(shè)置2層、4層、6層混凝土樓板沖擊荷載并在觀測(cè)點(diǎn)1，3，處監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)隨時(shí)間分布規(guī)律，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：

（1）在不同數(shù)量樓層的作用下，沖擊作用的樓層越多，正四面體受到的應(yīng)力越大。樓層數(shù)量達(dá)到4層后，隨著樓層數(shù)量的增加，正四面體受到的應(yīng)力增大較慢。這說明正四面體可以承受多層樓板的沖擊作用。

（2）空心正四面體結(jié)構(gòu)對(duì)超荷載作用緩沖能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)安全可靠。在1觀測(cè)點(diǎn)中，正四面體頂端的應(yīng)力超過材料的破壞強(qiáng)度，正四面體頂端發(fā)生塑性變形吸收一部分能量，樓板材料發(fā)生變形和部分破壞，樓板材料大變形能夠吸收較大的沖擊能量。圖4中曲線波動(dòng)是由正四面體和樓板材料的變形吸能造成。

結(jié)語

地震避難倉可在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)有效降低人員傷亡概率，其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定與否至關(guān)重要。本文開發(fā)一種可折疊正四面體結(jié)構(gòu)地震避難所，采用新型動(dòng)態(tài)支點(diǎn)鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元分析，獲取空間正四面體內(nèi)部應(yīng)力分布。結(jié)果表明：

（1）頂部承壓時(shí)，正四面結(jié)構(gòu)中上部區(qū)域應(yīng)力較大，可適當(dāng)增加此部分結(jié)構(gòu)厚度保證安全。

（2）超過四層樓板荷載作用后正四面體結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長幅度有限，進(jìn)而從側(cè)面體現(xiàn)正四面結(jié)構(gòu)對(duì)超荷載作用緩沖能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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