可折疊正四面體地震避難所設計研究

郝正睿 王成

摘? 要：為研究地震避難所結構設計及力學特性，本文開發一種可折疊正四面體結構地震避難所，采用新型動態支點鉸鏈結構設計，結合有限元分析，獲取空間正四面體內部應力分布。結果表明：頂部承壓時，正四面結構中上部區域應力較大，可適當增加此部分結構厚度保證安全;樓板沖擊荷載作用樓層越多，正四面體所受應力越大，但其超過4層作用后結構所承受應力值增長幅度有限，進而從側面體現正四面結構對超荷載作用緩沖能力強，結構安全穩定。

關鍵詞：地震;折疊;正四面體;應力

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，地震災害頻發給人類社會造成巨大的生命和財產損失，如何在地震中降低人員傷亡率，減少財產損失是研究學者關注的重點。地震避難所因其建立在密閉空間，具備良好的防護性能，能夠抵御一定的外力沖擊，當災變發生時，遇險人員可迅速躲進避難所等待外部救援，是降低遇險人員傷亡率最有效途徑。現階段有關地震避難倉設計成果頗為豐富，王建霞等研究正放四角錐鋼網架結構避難所設計，通過結構自振分析研究網架結構在地震下的動力學響應，結果表明該結構剛度大，屬高次超靜變，安全度高，穩定性好;李海旺等研究大跨徑鋼網架結構地震避難所設計，根據現行抗震規范判定結構失效承載力，結果表明其豎向最大變形代表值滿足避難與救災建筑非結構構件對主體結構變形的要求;王卓等研究網狀結構抗震設計方法發現現行的抗震規范設計不能滿足抗震避難所要求，需要對截面進行加強和添加隔震橡膠支座，以達到提高抗震承載力的目的。

現有的地震避難所多針對網狀結構避難所進行設計，對非網狀結構避難所的力學特性很少進行研究。為此，作者據空心正四面體避難所艙體結構設計要求，建立空心正四面體避難所艙型結構模型，根據有限元分析結果探討空心正四面體避難所的抗震性和結構穩定性，以期為類似工程提供借鑒與指導。

1 地震避難所結構設計

1.1 避難所幾何形狀選擇

地震中環境情況復雜，地面凹凸不平，避難所容易發生相對滑動導致廢墟建筑物應力平衡重新分布對人員造成二次傷害，避難所幾何形狀應盡可能穩定。正四面體由于無論如何放置，始終有一個面平行于接觸面，在不平穩表面上穩定性滿足要求。三角形在所有形狀中穩定性最好，空心正四面體結構四面均為三角形，是最符合設計要求的形狀。

1.2 避難所結構設計

本文首次提出可折疊避難倉理念，設計一種如圖1所示可折疊正四面體避難結構，由正三角主板、直角三角主板及動態支點鉸鏈組成。該地震避難倉具備良好的防護性能，能夠抵御一定的外力沖擊，結構簡潔，操作快速簡單，質量輕、體積小、成本低。

在邊界連接方式設計方面，為使相鄰兩界面之間能夠自由轉動并達到可折疊目的，作者設計一種如圖2所示新型動態支點鉸鏈。該結構立體空間自由度F為4，表明鉸鏈可繞軸旋轉，當鉸鏈完全展開時，兩板夾角為180°，鉸鏈達到死點位置。

結構展開時，占地面積約為：

結構折疊時，占地面積約為：

結構的折疊比P為：

新型鉸鏈可以使主板在折疊時緊密貼合，在完全展開時側面緊密貼合，從而達到符合預期設計的折疊效果。高折疊比表明在平時存放時極大地節省了空間。

2 數值模擬模型

為真實模擬地震情況中避難所遭受樓板沖擊荷載作用的動力學行為，本文基于AUTODYN軟件，通過數值模擬模型分析避難所的應力分布，從而得到避難所不同部位的壓強變化及結構承載極限。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個面是邊長為120cm正三角形，厚度為3cm。建模完成后進行有限元網格劃分，單元類型為四面體，單元邊長為6cm，在相應位置建立應力應變觀測點及坐標軸。金屬材料選用Johnson-Cook本構模型及Linear狀態方程，混凝土材料選用RHT模型本構模型及P-Alpha狀態方程。

3 結果分析討論

3.1 空心正四面體受到六層鋼材樓板沖擊壓強分布

為分析空心正四面體結構受六層樓板（3m×3m×0.12m 4340合金鋼材）沖擊的壓強分布，選取同一高度處觀測點（46，49，52，55）及中軸位置處觀測點（10，22，55）監測壓強隨時間的分布規律，結果如圖3所示。

由圖3可知：

同一高度處壓強與|x|成反比，壓強與1成正比，越靠近中軸及頂點壓強越大。46觀測點壓強峰值約為55觀測點壓強峰值的3.1倍。在優化結構時可以在靠近中軸偏上區域增加板厚度。

3.2 空心正四面體受不同層數混凝土樓板沖擊壓強分布

為分析空心正四面體結構受不同層數35MPa混凝土樓板（3m×3m×0.12m）的沖擊壓強，分別設置2層、4層、6層混凝土樓板沖擊荷載并在觀測點1，3，處監測壓強隨時間分布規律，其結果如圖4所示。

由圖4可知：

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

（2）空心正四面體結構對超荷載作用緩沖能力強，結構安全可靠。在1觀測點中，正四面體頂端的應力超過材料的破壞強度，正四面體頂端發生塑性變形吸收一部分能量，樓板材料發生變形和部分破壞，樓板材料大變形能夠吸收較大的沖擊能量。圖4中曲線波動是由正四面體和樓板材料的變形吸能造成。

結語

地震避難倉可在地震災害發生時有效降低人員傷亡概率，其結構安全穩定與否至關重要。本文開發一種可折疊正四面體結構地震避難所，采用新型動態支點鉸鏈結構設計，結合有限元分析，獲取空間正四面體內部應力分布。結果表明：

（1）頂部承壓時，正四面結構中上部區域應力較大，可適當增加此部分結構厚度保證安全。

（2）超過四層樓板荷載作用后正四面體結構應力增長幅度有限，進而從側面體現正四面結構對超荷載作用緩沖能力強，結構安全穩定。

參考文獻

[1]王建霞.災難地震避難所功能設計與抗震性能評定研究[D]. 太原理工大學，2013.

[2]李海旺.大跨鋼網格結構地震避難所抗震設計方法研究[D]. 太原理工大學，2013.

[3]王卓.災難地震下網架結構體系基于破壞形態的抗震性能設計研究[D].太原理工大學， 2015.