国家地震紧急救援训练基地地震废墟结构设计与爆炸成型研究

　　严重的地震灾害,一般都会造成一定的甚至重大的人员伤亡和巨大的财产损失。大量地震灾害表明,在灾害伤亡中有50% ~60%的人是震后得不到及时救助而死亡的[1]。通过震后的各种紧急救援,对伤者进行及时救助,可以极大地降低地震造成的人员伤亡。除了震后最初的群众自救和互救外,许多难以扒救的群众有待部队和专业化救援队伍的救援。而且随着建筑物越来越庞大,系统越来越复杂,地震灾害的潜在危险越来越多,地震中人员的被困情况也越来越复杂,在缺乏一定专业手段的情况下进行救援是极端困难的,因此专业化的地震救援就显得尤其重要。国家地震紧急救援基地就是为了满足实战要求,为救援人员提供真实的救援训练环境而建立的。目前,世界上只有美国、日本、瑞士、德国、法国、新加坡等少数几个经济发达的国家拥有专业的地震救援训练基地。与经济发达国家相比,我国的地震紧急救援训练方面还处在起步阶段,受到专业训练的专业救援人员也很少[2]。为了满足紧急救援队伍和人员的专业训练,我国在2005年开始建设了第一个国家级地震紧急救援训练基地,并在2008年7月,完成了国家地震灾害紧急救援队的首期培训。

　　地震训练废墟是国家地震紧急救援训练基地的主要组成部分,由破坏严重甚至完全倒塌的构筑物及连接管道组成,用来模拟地震作用下结构的各种破坏型态,并进行相应功能的训练。本文给出地震废墟构筑物A段的爆炸成型设计流程,简要介绍A段废墟型态和训练科目设计,并对废墟构筑物A段进行爆炸成型设计及三维有限元爆炸倒塌成型过程的数值模拟,探讨在地震废墟设计中计算机三维数值仿真的意义。

　　1　设计流程

　　地震废墟构筑物A段是中国地震局建设的国家地震紧急救援训练基地地震训练废墟的重要组成部分,位于北京市海淀区凤凰岭。完好结构为三层板柱结构,建成后通过爆炸成型来形成板柱结构的地震废墟,用于地震紧急救援的实战训练。图1给出了废墟A段爆炸成型设计的流程图。

　　从图1中可以看出,废墟型态设计和训练科目设计是相互影响的,需要选择一个合适的废墟型态,能够提供尽可能多的训练科目。在合理设计废墟形态和训练科目设置的基础上,首先进行原型结构设计,之后根据原型结构和废墟型态设计进行爆炸方案设计。最终能否实现预期的废墟形态,还需要采用数值仿真方法来检验,此时有限元数值仿真成为解决问题的关键,通过数值仿真,能够不断地对爆炸成型设计进行优化调整以达到预期的倒塌型态。

　　2　废墟型态及训练科目设计

　　因废墟型态和科目的设计不是本文的重点,下面只给出简要的介绍,具体可参照文献[3, 4]。爆炸成型的最终倒塌型态是用来模拟板柱结构的震害型态,在参照了大量板柱结构震害形态的基础上,对废墟的震害型态进行了预期设计。因需要在结构倒塌后形成多种废墟空间,以满足废墟环境中的各种搜索救援训练。该结构的震害型态基本上为中间高,四周低,且沿结构长度方向,有一侧的倒塌程度最严重。其中,首层废墟空间稍高,二、三层的废墟高度稍低;楼板出现断裂,但保持整体坍塌;柱子折断,周围维护结构严重倒塌、散落、内部隔墙倒塌。