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工程结构56(2013)1620-1630
工程结构
地下结构的结构内冲击：再论实验研究
周宏元a, 白浦正一郎 b, 马国维c,uArr;, 赵志业a
a 新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院，新加坡639798
b 日本神奈川横须贺国防学院土木工程与环境工程系239-8686
c 西澳大利亚大学土木工程与资源工程学院，WA 6009，澳大利亚
文章信息
文章历史：
2012年10月19日收到
2013年7月22日修订
2013年7月26日接受
2013年8月28日在线提供
关键字:
结构内冲击
地面冲击
[医]气流吹袭负荷
地下结构
冲击响应谱
实验，试验
摘要
本文从理论和实验两方面研究了地下结构在地震动作用下的结构内冲击。在理论预测中，将地震动简化为具有上升时间的三角形脉冲。 结果表明，考虑地震动上升时间时结构的加速度时程与忽略时的加速度时程有显著差异。设计并进行了小规模试验，验证了理论预测的正确性。将实测加速度时程与预测加速度时程进行比较，表明考虑地震动上升时间的理论预测更为合理。此外，还建立了地下结构设备的冲击响应谱，并通过实例分析表明，该模型预测了装置的结构内冲击水平。 地震动上升时间高于预测值，而不影响地震动上升时间。结果表明，本文所提出的结构内冲击评估方法是合理准确的，可用于地下结构在结构内冲击的初步设计。
2013年Elsevier有限公司。版权所有。
1. 介绍
|
系统命名法 |
|||
|
A |
横截面面积 |
W |
TNT当量电荷重量 |
|
cs |
土壤声速 |
a |
换算系数 |
|
E |
杨氏混凝土模量 |
b |
英制单位制中等于160的因数 |
|
f |
爆炸能量对土壤的耦合系数 |
e |
梁跨中应变 |
|
h |
梁厚度 |
m |
混凝土泊松比 |
|
I |
梁截面转动惯量 |
q |
混凝土质量密度 |
|
l |
梁长 |
qs |
土壤质量密度 |
|
m |
应力波在土壤中的衰减系数 |
xn |
n阶圆固有频率 |
|
p |
梁均布荷载的线性强度 |
fn |
n阶模态阻尼比 |
|
P0 |
自由场峰值压力 |
rf (t) |
地震动自由场压力时程 |
|
R |
爆炸中心与地下结构的距离 |
rm |
最大应力 |
|
t |
地面冲击到达时开始的时间 |
ry |
低碳钢屈服强度 |
|
w |
梁的弯曲 |
k |
上升时间与地面冲击持续时间之比 |
一些防护结构被埋在土壤中，为人员和装备的安全提供了一个安全的环境。 然而，近年来地下结构内的环境并不像几十年前那样安全；随着侵彻武器的发展，地下爆炸的深度可以非常大，爆炸可以在周围的任何地方发生，甚至在地下，地下建筑。除了地下结构被近距离地下分离完全摧毁的情况外，如果爆炸中心和地下结构之间的距离既不太长也不太短，土壤传播的爆炸，或地面震动，可能引起临界振动并损坏所包含的设备，而地下结构的损伤较少或根本不发生。这种严重的振动，不是破坏主体结构，而是损坏包含的装置，称为结构内冲击[1]。 除了地下结构强度[2-7]的损伤和防护措施的研究外，研究地下结构的结构内冲击同样重要[8-14]，因为在任何方面的破坏，无论是强度还是适用性，都完全阻止了结构的完成它的设计任务。
随着复杂程度的增加，设备和设备越来越容易受到强烈振动引起的过高加速度的影响。虽然复杂设备的顺利运行对于地下结构的后续功能至关重要，但在进行详细的设计、施工和可能的隔震之前，振动环境是至关重要的。 在结构内应仔细审查和审慎界定。
地下结构在地下爆炸作用下的结构内冲击评估中，考虑了土-结构动力相互作用，研究了结构构件的响应[11,15,16]。在这些模型中，地面冲击被描述为具有零上升时间的短时三角形荷载，这被认为是对实际冲击载荷的合理理想化。
在主要的设计条款中，例如TM5-855-1，根据已知的土壤参数、等效的TNT装药量和水平，对地面震动的自由场峰值压力和持续时间进行了经验估算。此外，地面冲击上升时间假定为到达时间的1/10。 回想一下爆炸持续时间是到达时间的两倍[12,16]，因此假定上升时间等于爆炸持续时间的1/20。事实上，虽然地面激波的强度随着距离的推移而减弱，但其持续时间延长，上升时间与总持续时间之比增加[17,18]。
当分析典型地下结构在地震动作用下某一特定结构构件的最大挠度时，上升时间的影响是可以忽略的，因为无论是否考虑上升时间，比脉冲(单位面积的脉冲)都是相同的，当地震动持续时间明显短于有关结构构件[19-21]的原始自然周期时，冲击控制结构的行为，在工程实践中总是如此。
然而，当涉及到地下结构的内部冲击时，情况就不同了.。作为位移时程相对时间的二阶导数，加速度时程依赖于时间。 关于位移的时程，而不是最大挠度。因此，要预测结构内激波对所含器件的影响，需要详细的激励时间历史，而不是峰值(事实上，该设备所附的地下结构构件的加速度时程)。地震动上升时间对地下结构内部冲击的影响至今尚未得到研究。以结构响应时间为零进行分析，在零上升时间下，所关注的结构构件的初始加速度为非零；在非零上升时间下，构件的初始加速度为零。在上述两种情况下，结构构件的加速度时程，实际上在主结构[22]内的二级结构的激励可能有很大的差别，并导致结构内的冲击水平显著不同。
在分析中，假设地震动零上升时间的一个主要考虑因素是，高初始峰值的加速度时程被认为比来自类似地面的加速度时间历史更为严重。 冲击具有非零上升时间，导致对内部设备施加更强的冲击水平，在此基础上设计是保守的。 然而，这种看似合理的考虑并不一定正确，因为内部设备的冲击水平不仅取决于激励，而且取决于设备的性能。因此，重新研究地下结构在非零上升时间地震动作用下的结构内冲击是非常有意义和必要的。
本文在考虑非零上升时间的情况下，对地下结构在地震动作用下的结构构件响应进行了理论预测。由于相对较大的距离，结构响应假定是弹性的，结构内的震动是最主要的问题。设计并进行了小规模试验，验证了理论预测的正确性。利用试验参数，进行了理论预测的实例研究，并与试验数据进行了比较。最后，讨论了地震动上升时间对地下结构内部冲击的影响，然后对工程实践中的冲击水平评估提出建议。
对设备和地下结构的最大威胁是地下爆炸。本研究拟模拟这种严重的情况：爆炸在结构下，并加载地板。事实上，地面底部的爆炸加载和侧壁爆炸加载之间没有本质上的区别。为了方便起见，在试验中，采用水平设置来模拟爆轰来自结构下方并加载地板的场景。
2.非零上升时间地震动作用下埋地结构构件的响应
典型的地下结构受到地下爆炸引起的地面冲击，如图所示.1。在可能的爆轰位置中，位置1在相同的距离下最为关键，因为通常设备和人员都在地面上，因此本研究对其进行了分析。本研究的目的是为预测地下结构的结构内冲击提供一种通用的方法，重点研究地震动上升时间对结构内部冲击的影响。由于模型中没有具体说明材料，因此模型可以用于各种材料的结构，例如经常用于地下建筑的钢筋混凝土。
图1.不同位置进行地下爆炸的地下结构。 图2.自由场地面冲击的理想化轮廓。
考虑到上升时间，地面冲击被简化为一个三角形荷载，并有一个相对剧烈的上升，如图2所示，简化的自由场载荷是分段形式的：
峰值压力
其中sigma;f(t)是自由场地面激波时程；P0是自由场的峰值压力；f是爆炸能量对土壤的无量纲耦合因子；alpha;是一个折减因子，定义为结构墙体或楼板上等效均布压力与实际荷载分布的最大压力之比； pscs 是土壤的声阻抗；m是一个衰减系数，无量纲； W是TNT当量电荷重量，以磅为单位；R是从爆炸中心到结构的距离，以英尺为单位；beta;是帝国单位系统中的一个等于160的因子，是无量纲的；lambda;是无量纲的，表示上升时间与爆炸持续时间之比。应该注意的是，psi中计算的压力在pa中被转换成si单位系统，然后再用于进一步的使用。
典型地下结构在地下爆炸时，加速度时程的初始阶段对设备的冲击起主要作用。 其他部分的贡献微不足道[12]。因此，在本研究中，结构构件在爆炸持续时间内的响应是足够的，而忽略了爆炸后的阶段。此外，整个结构的整体刚体运动对构件响应的影响是微不足道的，因此没有考虑。
在工程实践中，一个尺寸大于另一个尺寸两倍的结构构件，或仅在相对边缘支撑的结构构件，即单向板，通常采用修正的平面应变梁模型进行简化和分析[12]。代表构件的理想梁的边界既不固定，也不简单。本文采用简支边界条件进行保守预测。此外，在小型试验中，具有两个相对边约束和其他两个边自由约束的方构构件可以被理想化为修正梁进行分析。此外，在地下结构分析中，结构内的震动是主要关注的问题， 一般情况下，爆炸中心到结构的对峙距离相对较远。因此，可以忽略典型球形埋装药引起的自由场地面冲击的曲率，并将结构构件上的荷载简化为平面波。
推导了考虑土-结构动力相互作用的非零上升时间地震动作用下结构构件的响应。梁在动力作用下的控制方程负载:
为方便起见，将三角形自由场荷载分为增部和减部两部分。
2.1.第一阶段: 0 lt; t lt; lambda;Td
在荷载线性增加的阶段，控制方程是：
初始条件为零位移和速度。假定流离失所为
其中Wn(x)是第n模形状，qn(t)是第n个一般坐标。
解由无限项组成，与第n模对应的位移为：
Wn(x，t)=Wn(x)qn(t)。第n阶固有频率：
根据模态的正交性，广义空间中的控制方程：
其中
Eq(9)改写为
到目前为止，有了控制方程和初始条件，结构响应可以确定。界面阻尼，用方程定义Eq(10)描述土与结构反应的相互作用和影响。一般情况下，由结构构件和周围土体组成的体系可能有三种阻尼比，即过阻尼、欠阻尼和临界阻尼，在这三种阻尼比下，结构的响应都是不同的。 如下：
过度阻尼：
在广义空间中，n阶模态的位移贡献是：
其中
速度和加速度的贡献是：
欠阻尼：
广义空间中的第n阶模态位移时程是：
其中
速度和加速度的贡献是：
由于物理和数学性质相似，临界阻尼的情况可分为过阻尼情况。结构单元的位移、速度和加速度应该是不同模态贡献的总和，即
窗体顶端
2.2第二阶段：
实际上，这个阶段的初始条件是前一个阶段的结束条件。为了方便起见，用新的时间轴t1 = t－ lambda;Td偏移时间轴。
在新的时间轴上，负荷时间的下降历史是：
控制方程是：
这个阶段的初始条件：
引入界面阻尼，广义空间中的控制方程为：
同样，结构成员的反应是：
过阻尼：
广义空间中的第n阶模态位移贡献:
其中：
速度和加速度的贡献是：
欠阻尼：
广义空间中的n阶位移贡献是：
其中：
速度和加速度的贡献是：
结构构件在此阶段的位移速度和加速度:
值得注意的是，在整个分析过程中，通过引入界面阻尼将土-结构动力相互作用结合起来，
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