（固体力学专业论文）平面波作用下地下平面框架结构动力响应.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ab s t r a c t i n t h i s p a p e r ， th e t e c h n o l o g y o n r e i n f o r c e m e n t o f d e f e n c e w o r k s u n d e r g r o u n d i n n u c l e a r b l a s t w a v e i s m y m a j o r c o n t e n t i n r e s e a r c h . i t i s e m p h a s i s t o s t u d y c i v i l a i r d e f e n c e w o r k s i n t y p e o f p l ane f r a m e s t r u c t u r e w h i c h i s s h a l l o w - c o v e r e d i n s o i l . e f f e c t o f n u c l e a r w e a p o n i n a i r o r l o w e r i s m a j o r a s p e c t i n ana l y s i s . b l a s t w a v e i s c o n s i d e r e d a s p l ane w a v e ,w h i c h p r o j e c t t o t h e g r o u n d and t h r o u g h s o i l t o t h e u p p e r p l a t e o f p r o t e c t i v e e n g i n e e r i n g ,t h e n r e fl e c t e d b e t w e e n t h e g r o u n d and t h e p l a t e . r e c e n t l y , f o l l o w i n g t h e d e v e l o p i n g o f c i t y b u i l d i n g ， m a n y w o r k s ， e x a m p l e , t r ans p o rt a t i o n ,s u b w a y ,p a r k and u n d e r g r o u n d s h o p a r e m o r e t h a n b e f o r e . e s p e c i a l l y i n m any b i g o r s e c o n d a r y c i t i e s . many o f t h e s e u n d e r g r o u n d p l ane fr a m e s t r u c t u r e wo r k s h a v e n o t r e s i s t anc e o r h a v e l o we r r e s i s t a n c e . s o i t s t r a n s f o r ma t i o n f r o m p e a c e t i m e t o w a r t i m e i s n o t o n l y an i m p o rt ant c o n t e n t o f c i v i l d e f e n c e ， b u t a l s o a c o m m o n e x p e r i e n c e t o c o m b i n e c i v i l d e f e n c e w o r k s w i t h c i t y b u i l d i n g i n t h e w o r l d . r e s e a r c h i s b a s e d o n b i g s c a l e e x p l o s i v e t e s t i n t h e f i e l d . . me anw h i l e , n u m e r i c a l m e t h o d i n f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s and t h e o r e t i c ana l y s i s w e r e c a r r y o u t . . b y m e ans o f t h e o r e t i c a n a l y s i s and c o n t r a s t i v e t e s t s , a s im p l e , c l e a r b u t s a f e , d e p e n d a b l e and e c o n o m i c a l p r a c t i c a l d e s i g n and c al c u l a t e m e t h o d i s o f f e r e d t o t h e r e i n f o r c e m e n t o f d e f e n c e w o r k s . i t i s f i r s t t i m e t o u s e t h i s t e c h n o n l o g y i n t h e f i e l d o f i n t e r a l r e s e a r c h w o r k and a l s o g a i n s o m e v a l u a b l e t e s t d a t a i n d y n a m i c l o a d , w h i c h i s u s e fu l and r e f e r e n c e d t o t h e r e l a t i v e r e s e a r c h wo r k i n f u t u r e . f r o m t h e r e s u l t o f s t a t i c and d y n a m i c t e s t , w e c an c o n c l u d e t h a t t h e s t e e l t u b e f u l l o f c o n c r e t e h a s p e r f e c t c a r r y i n g c a p a c i t y and s t a b i l i t y . t h r o u g h t h e c o n t r a s t , w e f i n d t h a t d e f e n c e e f f e c t o f t h e s t e e l t u b e f u l l o f c o n c r e t e h a s a d v ant a g e o f t h e b r i c k w a l l ， p u t t i n g t h e c o n s t r u c t i o n m e a s u r e i n t h e p a p e r t o u s e , t h e p l a t e p o s s e s s a c e rt a i n e x t e n d a b i l it y o f r e s i s t i n g d i e c u ff in g . f i n i a l l y , f r o m ana l y s i s an d c a l c u l a t i o n , t h r o u g h t h e r e i n f o r c e m e n t , g e n e r a l p l ane fr a m e s t r u c t u r e u n d e r g r o u n d w i l l h a v e r e s i s t e n c e o f g r a d e 5 o r e v e n m o r e t h an g r a d e 5 i n c i v il d e f e n c e w o r k s . t h e t h e o r y and g e n e r a l m e t h o d o f r e i n f o r c e m e n t c an b e a p p l i e d in g e n e r a l r e i n f o r c e c o n c r e t e . t h e s t u d y r e f e r s t o t a k i n g f u l l u s e o f u n d e r g r o u n d w o r k s . i t h a s i m p o rt ant a c t i o n o n i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f d e f e n c e w o r k s , and i m p r o v i n g t h e s h e l t e r r a t e o f p e o p l e i n t h e w a r t i m e . i t h a s w a r p r e p a r e d b e n e f i t and e c o n o m i c b e n e f i t o b v i o u s l y . k e y w o r d s :b l a s t wa v e ; p l ane f r a m e s t r u c t u r e ; e x p l o d i n g t e s t ; r e i n f o r c e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 防护工程在敌人攻击时，可起到保护我国军事能力以及人民生命财产的安 全，使自己能恢复过来并实施报复，以达到战胜敌人的最后目 的。因而，它是 我国战略防御在中的一个方面，是我国战略威慑力量的一个组成部分。我国的 防护工程包括直接为军队作战使用的国防工程和城市防敌人空袭的人防工程。 从工程技术角度而言，国防工程和人防工程结构设计在技术内容上是一致的。 民 防建设与 城市建设 相结合 0 ， 是世界各个国 家的共同 经验， 尤其是发达 国家的地下空间开发与利用，早己达到了很大规模。近年来，我国城市建设步 伐很快。随着城市建设的发展，地下铁路、地下过街道、地下停车场、地下娱 乐场所等设施增多，并在抗力较高的人防工程之间也出现了一些联接工程，等 等，文献 2 - 5 , 2 0 , 2 2 - 2 4 1 指出，目 前， 城市中此类地下平面框架结构工程， 数量多、 类型多、 投资多， 在大中城市建设中占 有重要地位，比 如长沙市现有 各类人防工事3 7 万平方米，而非防护面积约占2 0 % ;石家庄东方城市广场购物 中心， 基础埋置深度为一 1 6 . 4 米， 修建四层地下室， 每层面积为9 4 0 0 平方米， 只有一层是按人防工程要求设计的，其余三层均为非人防工程的普通地下室; 太原市地下非人防工程占地面工程的1 0 % ，也就是说太原市每年2 0 0 多万平方 米的建筑中，没有防护要求的地下工程约为1 5 2 0 万平方米。这些地下工程 有的抗力很低，有的就设有考虑防护要求。它们的改造与加固是不容忽视的。 对此类工程进行改造加固，可增加我国战时的人员掩蔽部数量，提高人员掩蔽 率， 充分利用城市地下空间，非常适合我国国 情， 可解决我国 城市人口 密集， 国 力、财力有限的矛盾2 7 。 它对防护工程的建设与发展有着十分重要的 意义， 是防护工程建设的重要组成部分，也是人防工程平战功能转换研究的重要内容 和工程建设管理中一个急待解决的问题p a l 。加固的重点是抗力:3e 7 s 2 ，就是解 决在爆炸荷载作用下主体结构的承载力，它对人防工程建设与发展有着十分重 要的意义，是人防工程建设的重要组成部分，是人防工程平战功能转换研究的 重要内容，也是人防工程建设管理中一个急待解决的问题。 1 . 1国内外文献综述 对核武器的 工程防护研究，国 外向 来以 抗爆结构为核心f42 5 a 。早期研究 工作着眼于专用型工程或标准型掩蔽部的结构研究，这类工程抗力较高。随着 核武器技术的不断发展，当量越来越大，钻地能力提高，这对防护工程的抗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 力、抗震、防核辐射和电 磁脉冲能力，提出了 更高的要求。以北美航空司令部 工程为代表，它以夏延山山体为依靠，可抗百万吨级核爆炸。西方国家为适应 城市高层建筑物多的特点，开展了地下室抗爆结构的研究，到7 0 年代初，考 虑经济和防护工程协调发展的需要，提出平战两用，开始了平战结合 “ 两用工 程”的防护结构研究u ，同时也出现了 简易型掩蔽部、 应急型掩蔽部等防护结 构研究。在这些方面，美国在8 0 年代就取得了令人瞩目的成果，并将武器效 应、防护要求和具体的国情相结合，制订了反映不同时期科技水平的民防工程 设计标准与规范，如5 0 年代的 “ 防原子设计规范”、6 0 年代的 “ 空军防护工 程设计手册”、7 0 年代的 “ 海军民防掩蔽部设计手册”和8 0 年代的 “ 抗核武 器结构设计手册”等。其他国家的防护工程研究也都受到政府的高度重视，在 人力、物力上进行了很大的投入，取得了很大的进展，这里就不一一评述了。 地下单跨度框架结构的主体结构防护加固方案及其研究在国内外公开发表 的文献中未见报道。因此该研究具有创新性、先进性。从己查到的与该项目 相 关的国外文献【 3 3 , 5 7 , 6 1 , 6 2 , 7 川可以看出:国 外的研究主要是关于地下隧道 响应的计算模型研究、地下硅拱型防护结构爆炸荷载响应研究、地下目 标的振 动及边界效应研究、高抗力结构分析设计和运动荷载下平板动力分析的有限元 方法及以可靠性为基础的防护结构设计方法研究等，未见有关非防护结构及防 护能力低的地下工程防护加固技术方面的研究，更未见到与此相关的大型化爆 试验研究的资料。 由文献 2 22 4 , 3 5 , 4 9 1 可知，国内 有关研究都尚处在分析和初步探索阶 段，个别开展过少量的理论分析和计算工作，但是，通过大规模的大比例尺野 外化爆试验，系统地来研究地下工程的加固改造未见报导。 1 . 2 主要研究内容 人防工程是防护工程的一个组成部分。在战时的任务是防备敌人突然袭 击， 特别是大规模的核袭击和常规武器轰炸，有效地保存有生力量和战争潜 力，以长期稳定地支持反侵略战争。 目 前，新建工程和已建工程的改造与加固已成为防护工程研究的中心内 容。该研究结合国家人防办1 9 9 5 年下达的科研任务，作为其中的一个研究组 成部分，主要研究己建工程的改造和加固方法，选择合理的加固方案，为提 高己建防护工程的抗力，以及为无防护能力的地下空间提供可供参考的加固 方案和设计方法，以提供用户使用。从而使在未来的战争中提高了我国防护 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 工 程的抗力指标(3 2 1 ， 增加防护工程、人防工程的 数量都具有重要、深远的战 略意义 ， 。 该领域内 存在的主要问题是:a 、如何提高战略国防工程坑道头部的抗力 抗震等级;b 、没有考虑防护要求的地下空间的改造与加固方法。 本文以防护工程，特别是人防工程研究、地下空间开发中比较常见的地下 浅埋平面框架结构的防护加固为研究对象，以大比例尺化爆试验为基础，研究 在平面波作用下平面框架结构动力响应。根据对一些大中城市非人防工程地下 空间现状的调 研及资料分 析 1 4 1 ( 2 4 1 ， 确定 研究的范围是跨度在8 m 到1 2 m 、高度 为3 m 到4 m 的单跨度框架结构，属地下土中浅埋结构。主要研究结构的防护加 固及其设计计算方法，解决结构防护加固的设计问题;重点进行了: 1 、地下平面框架结构的有限元计算; 2 、砖墙加固与圆钢管混凝土柱加固的对比试验及分析; 3 、圆钢管混凝土柱静力试验; 4 、圆钢管混凝土柱加固方案及设计计算方法。 该研究符合现行的 人民防空设计规范，对于己建和拟建的防护工程加 固设计，以及提高己建人防工程的防护等级等具有重要的参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章地下抗爆结构动力分析 结构在动荷载作用下，其位移和内力也随着时间发生变化。结构动力分析 的主要目的，就是研究动力作用下结构的运动规律，并确定其最大位移和内力 ，以便进行结构设计。 防护结构在不同工作条件下，可能受到各种的动力作用，包括承受武器直 接接触的冲击爆炸作用和爆炸空气冲击波及其引起的岩土压缩波荷载。而地下 抗爆结构动力分析，主要针对上面第二种动荷载作 用情况 川 ， 其特点是作用于 结构上的动载不仅与厚施加于其上的自由场动应力有关，还与结构的变形速率 有关。 这类问 题在分析中，要将结构周围一定范围内岩土 介质也一起看作结构 的一部份一起分析。就地下抗爆结构的动力分析而言，在核武器作用下，由 于 核爆炸应力波与岩土介质以及地下结构相互作用的复杂性，只对具有理想几何 形状和材料性态，并承受简单动载形式和边界条件的线弹性体系 ( 或简单的弹 塑性体系)才能得到较精确的解析解。 文献 1 8 , 4 2 , 5 0 指出 有限元法也是解决这类问题比 较有效的方法之一。 用有限元计算波传播问题和有限元在岩土力学与工程抗爆研究方面的应用是最 近二十多年来发展起来的。近年来国内外陆续编制了一系列的有关线弹性、材 料非线性弹性、弹塑性和几何非线性的二维和三维静、动力问题的有限元法计 算通用原程序。国内一些学者和有关部门在上述主要方面各领域的研究工作中 也作出了积极的贡献。 所有这些，都大大推动了抗爆结构有限元数值计算技术 的 进 展 。 它 将 土 与 精 构 视 为 一 个 整 体 ， 力 边 界 为 地 面 。 其 计 算 精 度 主 要 严 决 于 岩土介质及结构材料力学参数的选取。目 前尚只用在一些重要的工程。 设h 为顶盖上部复土的深度，l 为平顶及拱形结构的跨度 ( 圆形结构为直径 )。根据国外资料，认为当 h / l = o . 2 -1 . 5 时，叫浅埋结构;当 h am 2 时叫齐 地表结构;h / l 1 . 5 时叫做深埋结构。国内一般认为当不满足静载条件下岩土 中 地下结构成拱条件时叫浅埋结构 i a 浅 埋结构由 于上部复土中的 压缩波和结 构存在动力相互作用，故结构上荷载的确定比 较复杂。我国多年来广泛使用的 是土中浅埋结构的动力分析及计算的“ 三系数”法 幻.911 该法是一种半经验 半理论的公式，对于整体式中等跨度的平顶钢筋硅结构，确定结构动载精度较 高，它在土中 抗爆结构动力分析中，理论比 较严谨，比 较好地揭示了 动载的发 生、发展机理。同时，对作用于结构上的动载确定后，再按自由结构进行动力 响应分析，并将结构简化为单自由度动力等效体系。因此，本章首先介绍了单 西 南 交 通 大 学 9 全 研 宝 里 学 丁丝盆一一里睡 自由度体系的弹塑性动力分析。 在工程设计s 中，为简化计算，常 通过上面的 半解析半经验的办法， 将相 互作用影响用一些系数、表格或便于使用的简单公式来表达，以便将自由场压 力转化为作用于结构上的与结构变形速率不再有关的动荷载。这样一来，就可 以 用普通结构动力分析的办法求解了。本章中， 对土中抗爆结构动力分析计算 及土中浅埋结构设计计算方法符合 人民防空工程设计规范。 在防护结构的动力计算中，考虑构件在塑性阶段内的工作是允许的，而且 有很大的经济意义5 0 。 这样可以 充分 利用材料的潜在能力。 例如受弯构件， 在 达到屈服状态后还要经历很大的变形才会完全坍塌，如果考虑塑性工作阶段则 可以比一般的静力作用更多地吸收荷载能量。对于动荷载而台 ，表明结构可以 承受更大的设计荷载。在动力分析中，只考虑弹性工作阶段的结构称为弹性体 系;既考虑弹性工作阶段，又考虑塑性工作阶段的结构称为弹塑性体系。对于 非常重要的防护结构，仍应限制在弹性阶段工作，并按弹性体系进行动力分析 . 1 单自由度体系的弹塑性动力分析 抗爆结构的动力响应分析属于一般的结构动力学范畴，基本的计算原理 在许多著作中己 有较详尽的论述。但是爆炸荷载的作用通常是一次性的、持续 时间非常短暂但荷载强度很高，而且荷载本身的一些特征参数往往是根据历次 试验综合确定的， 精确度不很高，因此其结构动力分析有一些特点4 2 ) : ( 1 )由于荷载的不确定性等因素，通常采用具有合理精确度的近似动力分 析方法， 将结构和荷载在某种程度上理想化，甚至简化为单自由 度动力体系。 ( 2 ) 由 于 荷 载 的 一 次 性 和 短 时 性 ， 设 计 计 算 时 ， 允 许 a 构 在 荷 载 作 用 消 失 后存在残余变形，而不影响以后的正常使用。尤其是因为爆炸荷载瞬时强度很 大，如按弹性体系设计是很不经济的， 应该进行弹塑性体系的动力分析。 ( 3 )作用于抗爆结构上的荷载通常与结构的变形和运动有关，因为动力分 析时要考虑荷载一结构的相互作用。 在防护工程的设计计算中，经常将各类构件简化为单自由度体系进行弹塑 性动力分析。文献 4 2 对此进行了介绍。 m白 山 麻 仕 下 品 :二 ， 士 扣韦_ d z y . 。 _ 、。 / 、 州 卜曰 r 口i 又 . 平刁飞 口 u ， 吧 之 州 /j 月 生/ ， :i-十八 j /=f . 1 d l ( 2 - 1 ) 其中r ( y ) 为体系的抗力函数。 以下根据不同的r 阴 列出方程 ( 2 - 1 )的解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) r 阴为线性体系时 r ( y ) = k y ( 2 - 2 ) 由方程 ( 2 - 1 )的解为 ， ( ) = a c o s cu t + 。 、 ，。 。 ， + 土l p ( 2 ) s in co ( ， 一 : ) *( 2 - 3 ) 其 中 的 0， 2 一 kco = - 是 体 系 的 自 振 圆 频 率 时，则 。常数a , b 由初始确定，当初始条件为零 y ( t ) =牛 c p ( ) s in 。 ( ， 一 : ) d t 刀于 吸 目， 则上式变为 ( 2 - 4 ) 如设no = p f ( t ) 夕 。 ， 二 m 2 - j;f (t 少 一 。 一 )d t = y t ( t) t ( t ) 的 最大 值 称为 动 力 系 数k d ， 即k d = t ( i m ) k d 是位移动 力系 数， 它表示动载 作 用下最 大 动 位移与相 应数 值的 静 载作 用 下的位移之比，即动力作用效果的放大倍数。 在实际计算中， 通常先将动载最大值乘以动力系数k d ， 得出9 d . 然后由q d 作为静载计算位移与内 力，q d 称为等效静载， 此方法称为等效静载法。 4 d = k d p ( 2 - 5 ) ( 2 ) r 阴为理想弹塑性体系时 ( 见图2 - 1 )，r ( y ) 的表达式为: r ( y ) = k y r ( y ) = r o y !- 万= y or ( v 二口 口 s月 s t 将上式代入式( 2 - 1 ) 少 y a 则得到两个 ylz 厂-d d- 线性微分方程: 弹性阶段: m + 仰t = p ( t ) 塑 性 阶 段 : 功 d zy 2dtz ( 2 - 6 ) + 凡 = p ( t ) 0 y 图2 - 1理想弹塑性体系抗力函数 ( 2 - 7 ) 式 ( 2 - 6 )的 解同 式 ( 2 - 3 )， 该式适用于弹性阶段终了 时刻t 。 以 前。t 。 可 按下列条件确定。 r yi l ， 。 /= y= - 二 犷 人 西南交通大学硕士研究生学位论文 当ot ,需要利用塑性阶段的方程 ( 2 - 7 )。 其解为 第7 页 y 2 (t) 一 m l f, p (t, d t 一 r “ 一 ) + v , (t) y 2 ( t) 一 1 f f p (t)d td t ml . ” r ( t 一 t ) 2 2 + y , ( t ) ( t 一 t j+ y ( 2 - 8 ) 当w t . ) 二 0 时， 体系 达到最大 值: y m = y 2 ( t m ) 设荷 载为突 加定 常 载p ( t ) = p = c o n s t , 由式 ( 2 - 3 )得: 尸 ， _ y,(,)=- ( i k 弹性阶段结束的时间t 。 可由 下式确定 且y , ( 0 ) = a ( 0 ) 二 0 则 c o s c u t ) k y , ( t o ) 即 。 t = p ( 1 一 c o s c u t ) = r = c o s - ( 1一 r 0 ) 尸 由此可知， 在 t = t 。 时 ， r _。二 * 1 _ 、 一一 ， . _ : ，l ， * 如朱 . 于2，则仕 体 示 甲广 王 m1 71 义 序 。 尸 尸 。二w 乙n乙门nb.任 1且1100n nu卜llnn00 目兔d q八uq 00卜u 00-0 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 p r e s s u r e - t i m e c u r v e ( 1 p 4 1 ) t ( s ) 图4 - 2 0 典型压力波形 - 1 0- 1 2 g 卜ucn曰n八 r6)月in乙 曰八ucuc曰 -2-4-6-8 (兰)ut。尸5 s t r a i n - t i m e 图 4 - 2 1 c u r v e ( l e s t )t ( s ) 典型应变波形 一 一 卫丝鱼兰竺丝翌丝鱼丝二一一一9 3 9 结构处在强迫振动中， 所以， 结构出现最大应变的时间略迟后于压力出现峰值 的时间，对比实测的压力波形与应变波形，二者峰值的对应关系是正确的。典 型的压力波形见图4 - 2 0 ， 典型的 应变波形见图4 - 2 1 ; 加速度峰值为3 g . 0 . 6 0 0 . 5 0 0 . 4 0 0 . 3 0 0 . 2 0 0 . 1 0 0 . 0 0 - 0 . 1 0 门d邑氏 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 p r e s s u r e - t i m e c u r v e ( 2 p 4 1 ) 图4 - 2 2 典型压力波形 1 0 t ( s ) 1 00 5 0 0 一 5 0 芝一 1 0 0 石一 1 5 0 留 - 2 0 0 台 - 2 5 0 n 一 3 0 0 一3 5 0 - 4 0 0 - 4 5 0 ( 】0 0 0 . 0 l 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 ( )0 7 0 . 0 8 s t r a i n 一 t i m e c u r v e ( 2 e s 3 ) t ( s ) 图4 - 2 3 典型应变波形 1 5 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 5 0 . 0 0 0 . 0 0 - 5 0 . 0 0 - 1 0 0 . 0 0 一1 5 0 . 0 0 - 2 0 0 . 0 0 (。的/已)。口 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 a c c -t i mc c u r v e 0 . 0 6 0. 0 8 ( 2 a 2 )t 几 )is 图4 - 2 4加速度波形 西南 交通大学硕士研究 生学位论文第4 0 页 第2 次加载的实测压力值为0 . 4 5 m p a ，典型的压力波形见图4 - 2 2 ，典型的 应变波形见图4 - 2 3 ，结构仍处在弹性阶段。加速度波形见图4 - 2 4 ，加速度峰 值为 1 5 g . 0 . 7 0 0 . 6 0 0 . 5 0 匀0 . 4 0 兔 0 . 3 0 山0 . 2 0 0 . 1 0 0 . 0 0 - 0 . 1 0 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 p r e s s u r e - t i m e c u r v e ( 3 p 4 1 )0. 10t (s) 图4 - 2 5 典型压力波形 第3 次加载的实测压力值为0 . 5 8 m p a ，典型压力波见图4 - 2 5 :典型应变波 形见图4 - 2 6 ;加速度波形见图4 - 2 7 ，加速度峰值为3 6 g ，但作用时间很短，很 快为零;顶、底板的相对位移波形见图4 - 2 8 ，相对位移值为4 . 5 m m a 1 0 0 e . 一一月 - 户 一.- 向 - 一-一 一 - ， 0 - 1 0 0 w - 2 0 0 、 三 ， - 3 0 0 .三- 4 0 0 巴- 5 0 0 拐 - 6 0 0 - 7 0 0 - 8 0 0 - 9 0 0 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 s t r a i n - t i m e 图 4 - 2 6 c u r v e ( 3 e s 3 ) 0 . 1 0 t ( s ) 典型应变波形 此次加载后，在顶板的内表面发现两条规则的纵向裂缝，裂缝宽度约 0 . 5 m m ;两条裂缝均发生在距两侧墙的距离为1 / 4 跨度处，即在圆钢管混凝土 柱与侧墙的跨中，见图4 - 2 9 。 宏观现象充分说明，在单跨度框架结构的跨中沿 轴线方向增设一排园钢管混凝土柱后，使单跨度框架结构成为双跨度结构，圆 钢管混凝土柱使跨度减半的整体效果是十分明显的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 - 5 0 一 1 0 0 - 1 5 0 - 2 0 0 - 2 5 0 - 3 0 0 一 3 5 0 n的弓。门 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 a c c - t i m e c u r v e ( 3 a 1 ) 0 . 1 0 t ( s ) 图4 - 2 7加速度波形 9，lollq自马j4尸0h -1-一 口色p 0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . d i s p l a c e m e n t - t i m ecurve 0 8 ( 3 d l ) 0 . 1 0 t ( s ) 图4 - 2 8 结构边线 位移波形 爆腔边线 ll .lll m i 丰 一 19过一一 8 3 0 v 广 一 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - i 一 7 图4 - 2 9 a 段结构顶板内侧裂缝开展 西南交通大学硕士研究 生学位论文第 4 2 页 4 . 6 . 2 b 段结构承载力分析 b 段结构是在框架结构跨中采用砖墙进行防护加固的结构段。 在该段进行 了1 次0 . 4 m p a 的加载，在顶板的内表面发现两条纵向裂缝，与a 段出现裂缝 的位置相似，详见图4 - 3 0 。与a 段相比，两段防护加固的效果相差较大，主要 是由砖墙支承接触面不密实及破碎使刚度减小造成的;由于砖墙的刚度小，产 生的压缩变形大，使砖墙与顶板的接触处产生较大的垂直变位，起不到预期的 加固支承作用。实测压力波形见图4 - 3 1 ，应变波型见图4 - 3 2 0 6 = 0 . 3 m m未贯通5 = 0 . 5 m m贯通 裂缝长 1 9 5 0 图4 - 3 0 b 段结构顶板内侧裂缝开展 0 . 5 0 0 . 4 0 0 . 3 0 0 . 2 0 0 . 1 0 0 . 0 0 - 0 . 1 0 记兔d 0 . 0 00 . 0 20 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 p r e s s u r e - t i m ec u r v e ( 4 p 4 8 )0 . 10t (s) 图4 - 3 1 典型压力波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 1 0 0 0 一 1 0 0 - 2 0 0 - 3 0 0 - 4 0 0 - 5 0 0 丝u洲川衬的 0 . 0 0 0 . 0 20 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 s t r ai n - t i me 图 4 - 3 2 c u r v e ( 4 e s 2 ) 典型应变波形 0. 10t (s) 4 . 6 . 3不采取防护加固措施时结构承载能力分析 b 段在采用砖墙支承的试验结束后， 将砖墙拆除，进行一次0 . 3 1 m p a 的平 面加载试验，试验的宏观现象表明，结构己完全失去承载能力，宏观破坏结果 见图4 - 3 3 . a l竺 = 5 性 卫4 d = 旦d = 1 . 55 根 裂 缝 均 贯 通 6 7三 诬 5穷1 】 矛 沪一一一 2 9 0 1 5 0 1 h 5 0!7 1 0 图4 - 3 3 没进行防护加固段破坏状态 4 . 6 . 4试验值与计算值比 较 根据这次试验的实测值， 按照人防规范的要求进行了计算分析 。分析对 比是以第2 炮中园钢管硅柱加固段的实测数据进行的， 该炮结构表面的实测压 力峰值为0 . 4 5 m p a ， 受拉钢筋最大应变值己 达到2 8 0 0 p e , 钢筋处于 塑性 阶段， 钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 筋的工作状态处 “ 强化段”; 也就是说在该阶段， 钢筋的强度可一直达到极限抗 拉强度， 该阶段的钢筋硷结构也将要 达到极限破坏阶段。 在短期动荷载作用下， 受拉钢筋的实测应变值达到2 0 0 0 - 3 0 0 0 p 6 是常见的， 钢筋来不及变细产生“ 颈 缩现象”荷载己消失。 4 . 6 . 4 . 1主体结构弯矩比较 在园钢管混凝土加固段， 园钢管混凝土柱的设置间距a 与加固后的计算跨 度l 之比等于或小于0 . 7 5 时， 即a -_ 1 .5 8 . 底板与钢管混凝土支柱的连接同顶板。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 第s 章结论与建议 5 .1 结论 本文提出的单跨度矩形框架结构的加固和设计方法，在战时增加防护工程 和人防工程数量和提高人员掩蔽率上可广泛应用，具有重要的战备意义和巨大 的实用价值。通过试验和理论研究可以得到以下一些结论: 1 、通过试验实测波形分析、数值分析及宏观现象分析，充分说明试验结 果是可靠的，所测的各种数据是真实的。 2 、从a 段结构和b 段结构宏观裂缝的位置及走向 可以看出，在单跨度矩 形框架跨中沿轴向增设一排支承 ( 有间距的园钢管混凝土柱，或是连续的砖 墙)，从整体效果上看，可使单跨度框架结构成为双跨度结构，通过圆钢管混 凝土柱和砖墙加固段的试验对比，两种类型的加固效果相差很大。砖墙是脆性 材料，在爆炸动荷载作用下破坏时，会产生破片飞散，易造成人员伤亡;同时 砖墙的刚度小，压缩变形大，起不到预期的加固效果，所以，砖墙在防护加固 中不宜采用。 3 、园钢管混凝土柱由于支承刚度大，使防护加固整体效果十分突出。试 验及计算分析表明:这种一般性的工程经过圆钢管混凝土柱防护加固 后，可达 到5 级或4 b 级人防工程的抗力等级。 4 、 试 验中 模型的 几何 相似系数c , = u 4 ， 所模拟的实 际 工程为 跨 度8 m 、 高 度3 m的单跨度框架结构，这是城市地下过街人行横道等单跨度结构常用的近 似几何尺寸;经过本项目 提出的防护加固方法加固后，其承受动荷载能力达到 0 . 4 5 m p a 以 上， 可 见防 护 加固 效 果 是 十 分 理 想的 。 5 、动力试验和静力试验的结果都表明:圆钢管混凝土柱具有非常好的承 载能力和稳定性，在轴向 压力作用下，柱中混凝土向外膨胀受到周围钢管的约 束，处于三向应力状况，从而大大提高了混凝土的极限抗压强度。当柱的设置 间距小于或等于0 . 7 5 倍加固后的跨度时， 其整体加固效果与采用钢筋混凝土 墙作中间支承的效果相同。 6 、在圆钢管混凝土柱与主体结构的联结部位，采用钢板、锚栓及肋板进 行加强，有效地改善了联接部位的受力状态，局部加强构造设置合理、安全可 靠，显著提高了结构的抗冲切性能。 7 、研究给出的设计计算方法符合人防工程设计规范，操作性很强。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 5 . 2 存在的不足及展望 研究中仍然存在一些问题，有待今后进一步完善。 i 、由于时间、经费等原因，仅对一种跨间距加固的情况进行了试验，即 加固柱间距为0 . 7 5 倍的加固后跨度， 不同柱间距下的加固效果对比还 有待今后进一步研究; 2 、加固柱与顶板连接部位的抗冲切性能研究的不够，由于加固的圆钢管 混凝土柱刚度较大，而结构顶底板相对较弱，抗冲切问题不容忽视， 这也有待进一步研究; 3 、对结构在冲击波荷载作用下的隔震问题没有进行研究。 威慑战略是各国战略的一个重要组成部分，先进的、威力巨大的武器系统 是主要的威慑手段，而强大的、完善的防护工程、人防工程系统也对侵略战争 具有重要的慑止作用。几十年来，我国进行了大规模的国防工程、人防工程建 设，它已经产生的和仍将继续发挥的威慑作用是不容忽视的。 在高技术战争条件下，由于武器命中精度、侦察手段等技术的飞快发展， 防护工程、人防工程面临着新的挑战，当前，许多国家都在加大这方面研究、 开发的力度。 在仍然面临核威慑的情况下，加强抗精确制导武器的防护研究; 研究抗高强冲击波、抗震和防电 磁脉冲等防护技术， 提高综合防护能力;加强 工程防护新材料、新结构、新技术的开发研究:这些都是防护工程、人防工程 建设中长期面临的重大课题。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 5 页 致谢 本文是在导师陈蛇教授、赵玉祥研究员的指导下完成的。两位导师德高望 重、学识渊博、学风严谨，都是相应研究领域内的著名学者，取得的成绩有目 共睹。今能有此机会拜两位导师为师，聆听教诲，深感非常幸运，受益非浅。 所在研究室吴祥云主任、杨仁华副主任对本人的研究生论文工作给予了大 力支持和时间上的充分保证。试验工作中得到项目 组的同志，特别是甘长新高 级工程师的热心帮助，圆满完成了野外试验。在论文撰写过程中，李砚召副研 究员牺牲了自己的宝贵时间，对本人进行了耐心的指导。再此，谨向他们表示 忠心的感谢。 研究生学习过程中，还曾得到任辉启副所长 ( 兼总工程师)、李占田高级 工程师的关心帮助，借此机会，向他们致以深深的谢意。 最后，还要感谢家人对笔者学习、工作的理解支持和在生活上的关心照 顾。 曹海 2 0 0 1 . 3 于西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 参 考 文 献 1 钱七虎，民防学，国防工业出版社，1 9 9 6 2 1 冯仲文， 王建高，关于人防工程中 “ 非防护部分”的几点思考，长沙市 人防办，1 9 9 7 3 1 董银山，关于对非防护部分的探索，石家庄市人防办，1 9 9 7 4 1 粟国志，地下非人防工程建设初探，山西省人防办，1 9 9 7 5 1 高汉民，普通地下室平战功能转换的初步分析，防护工程学会第六次 学术年会论文集，1 9 9 8 . 1 1 6 ) 人民防空工程设计规范，中华人民共和国建设部，1 9 9 6 . 5 ; 7 l 人民防空工程设计规范条文说明，总参工程兵第四设计研究院，1 9 9 5 8 1 人民防空工程防护功能平战转换设计标准，国家人民防空办公室， 1 9 9 8 9 ) 人民防空工程设计资料，全国人民防空领导小组办公室，1 9 7 4 . 7 1 0 常用结构静力计算资料，中国人民解放军工程兵司令部，1 9 7 0 . 5 1 1 1 防护结构试验基础，工程兵工程学院，1 9 8 2 . 1 1 2 1 左东启，模型试验的理论和方法，1 9 8 4 . 8 1 3 防护结构设计，工程兵工程学院，1 9 8 2 1 引全国人防工程科研成果选编，总参工程兵人防工程办公室，1 9 9 2 1 5 1 美国空军防护结构设计与分析手册，中国人民解放军空军后勤部设计 局 1 6 早期核辐射工程防护，总参工程兵防护工程研究所，1 9 8 5 1 7 抗偶然爆炸结构设计手册，中国人民解放军总参工程兵科研三所 仁 1 8 俞儒一，人防工程防护结构计算原理，工程兵工程学院，1 9 8 9 . 4 1 9 朱伯龙，混凝上结构设计原理，同济大学出版社，1 9 9 2 . 3 2 川郑耀华，人防工程中非防护部分存在的必要性，衡阳市人防办，1 9 9 7 2 1 王建强，人防工程中的非防护部分及建设中的问题，河北省人防工程 设计研究院，1 9 9 7 2 2 1 袁绍鹏，人防工程中非防护部分问题探讨