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的參數(shù)變化；3）壓縮波遇到結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生反射，這個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，將會產(chǎn)生反射壓縮波并朝反向傳播，當(dāng)它達到自由表面時，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，頂板壓力也將隨之減小。如果頂板埋置較深，拉伸波到達時間較晚，在此之前結(jié)構(gòu)頂板可能已，達到最大變形，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，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，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很少衰減，同時因為飽和土的壓縮性極小，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)。如具有抗剪強度的非飽和土壤，當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深較大時，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)驗性實用方法。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，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
　　這種方法的觀點是，如果結(jié)構(gòu)的剛度不是很強、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，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，認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)點的運動速度是：
　　
　　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討論
　　1）綜合反射系數(shù)方法是一種半經(jīng)驗性的實用方法，是《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》GB50038—2005和《人民防空工程設(shè)計規(guī)范》GB50225—2003計算核爆炸時地下結(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)律是很有價值的，但用于定量分析還有不少問題，主要是計算公式中的許多參數(shù)很難準確給定。
　　3等效靜荷載的確定
　　3.1等效靜載法
　　工程實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)準值可以按下列公式計算：
　　
　　
　　
　　、、分別是頂板、外墻、底板的動力系數(shù)。
　　等效靜載法的優(yōu)點在于計算簡單，并能沿用靜力計算的公式和圖表，因此為廣大人防工程設(shè)計人員所采用。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。按等效靜載法計算的誤差為以下情況：
　　（1）撓度的計算誤差最小，彎矩次之，剪力及軸向力最大；
　　（2）梁、板體系的計算誤差較拱結(jié)構(gòu)小；
　　（3）受分布荷載作用的結(jié)構(gòu)計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）假定荷載同時作用在整個結(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算方法。通常確定等效靜載時宜采用彈塑性階段，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)認為與同樣自振頻率的簡單彈簧質(zhì)點體系完全相同。
　　為了確定動力系數(shù)和荷載系數(shù)，需要計算結(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自振頻率的計算方法
　　在強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，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：
　　[1]楊林德，馬險峰.沖擊波荷載下大樓地下室的三維動力分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2003，26(5)：488-491.
　　[2]張曉漪.人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的等價等效靜載法[J].地下空間，2004，12(2)：105-109.