地下室人防结构设计探讨.docx

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地下室人防结构设计探讨

地下室人防结构设计探讨

　　［摘要］文章阐述了人防地下室结构设计的特点及设计原则，并从荷载的确定、荷载组合和内力分析、孔口防护和平战兼顾等几方面探讨地下室结构设计。

　　［关键词］人防地下室；地下室人防；结构设计；人防荷载；孔口防护

　　［作者简介］黄晓霞，南宁市建筑科学研究设计院，广西南宁，530001

　　［中图分类号］TU113.5＋417［文献标识码］A［文章编号］1007-7723（2006）09-0147-03

　　在科学技术迅猛发展的当今社会，采用全新的技术设计理念，先进的设备设施，现代化的施工工艺水平来对原有的老、旧人防地下工程进行改造，让老工事焕发新青春，再创辉煌，更好地实现“三个效益”是摆在我们面前的新课题。

目前的人防工程主要是地下室工程，可以充分利用现有的地下车库作为防护体，提供掩蔽条件，达到有效的防护目的。

地下室人防改造设计涉及到一个平战结合的问题，即既要考虑平常使用时荷载较小，满足建筑使用上大空间的问题；又要考虑人防时荷载较大，结构上很难满足大空间的问题。

　　一、地下室人防结构设计的特点

　　地下室人防结构设计的主要内容包含两方面：

一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计；二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统（防护设备），其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙及临空墙的计算、出入口通道（包括风井）的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计。

因此地下室人防结构设计具有以下特点：

　　1.结构设计的可靠性可以降低，一般建筑结构pf≈10，而人防结构pf≈6%。

　　2.考虑结构的动力响应。

　　3.结构构件可考虑进入塑性工作状态。

　　4.材料设计强度可以提高。

实验表明，在快速加载的情况下，这时材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高，但变形性能包括塑性性能等基本不变，这对结构工作起到有利作用，例如钢材强度可提高1.15～1.5倍，对砼强度可提高1.5倍，这是在设计中考虑材料强度综合调整系数来完成的。

　　5.重视构造要求。

人防设计的许多构造要求与一般的建筑设计不同，要求更为严格，故仅仅只考虑受力计算、不考虑构造措施是不合理的。

　　二、地下室人防结构设计的原则

　　1.平战结合，取控制条件。

在民用建筑的人防地下室的结构设计中，一般只涉及5级或6级人防设计，结构的顶板基本上都由战时控制，而侧墙和底板则因地下室的结构型式的不同而由实际情况确定。

　　2.只进行强度的验算。

由于在核爆动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比的控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在地下室人防结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝展开进行验算。

　　3.只考虑一次核袭击。

　　4.注意各部件的协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用。

　　5.地面与地下承重结构体系要协调，不能出现两者强弱相差较大的情况。

　　了解结构人防设计的特点及原则之后，必须确定计算所需的荷载值。

　　三、地下室人防改造设计的具体技术

（一）人防荷载的确定

　　地下室人防改造结构设计的主要内容包含两方面：

一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计；二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统（防护设备），其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道（包括风井）的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计。

人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。

当核武器在空中爆炸，冲击波传播到地表时，形成反射冲击波。

因反射波是在被入射波压密和加热过的空气中传播，且压力又高，所以反射波的传播速度要比入射波快，当反射波波阵面终于赶上入射波波阵面后，则汇合成为单一的冲击波，即合成波。

合成波波阵面靠近地面部分是垂直于地面的，即合成波是水平方向传播的，对抗力等级较低的防空地下室来说，所受的冲击波即为这种合成波（即地面冲击波）。

防空地下室的顶板一般就直接承受地面冲击波的超压和负压作用；而对于侧壁和底板，因空气冲作用于地表，压迫土体并使其产生运动，上层土体受压后连续向下传递压力（这种土体的压缩状态由上向下逐层传播过程称为土中压缩波的传播），当遇到侧壁或底板的阻挡后，则会产生超压、动压和负压作用，这就是侧壁和底板需考虑的问题。

以防护等级为6级、全埋式现浇钢筋混凝土人防地下室的工程为例，其各部位等效静荷载取值分别参考如下：

　　1.顶板：

首层外墙为180mm实心砖填充墙，且墙面开孔面积大于50%，故不计上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响，等效静荷载标准值q=60KN/mM2。

　　2.侧墙：

上部建筑物为抗震设防的框架―剪力墙结构，故应放入上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响。

根据本工程地质条件，人防地下室侧壁范围内分别有非饱和土和饱和土，取其加权平均值，并考虑周围基坑支护的阻隔作用，故地下室侧壁等效静载荷标准值q=40KN/m2。

　　3.底板：

本工程采用桩基础，当核爆荷载q作用于顶板时，荷载随板、梁、柱传至桩上，因人防设计时不考虑地基承载力和地基变形，由q产生的q由桩与底板共同承受，故小于规范中按箱形地下室底板的等效静荷载值40～50KN/m2，与平时荷载作用下因桩不均匀沉降而产生的底板受力相比，不起控制作用，故不予考虑。

　　4.门框墙：

所受荷载由两部分组成，一是直接作用在墙上的荷载qe=200KN/m2；二是由门扇传来的等效静载标准值，分别按门扇的型号、大小计算确定。

　　5.临空墙：

依工程实际情况和规范表4.5.7取其等效静荷载标准值为130KN/m2。

　　6.隔墙：

隔墙分两种，一是相邻防护单元间隔墙的设计压力值为50KN/m2；二是6级人防地下室与普通地下室相邻间的隔墙，其普通地下室一侧的设计压力选用值为90KN/m2。

　　其他各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均从规范中有关规定选用，当所有构件的等效静荷载值确定后，即可进行结构计算。

（二）荷载组合和内力分析

　　作用在防空地下室结构上的荷载，应包括核爆动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等，规范中对防空地下室不同部位应考虑的荷载组合给出了一个表格，进行结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目。

本工程实例的各个部位参与组合的荷载分别为：

　　1.顶板：

顶板核爆动荷载标准值，顶板静荷载标准值。

　　2.侧墙：

　　竖向：

顶板传来的核爆动荷载标准值、静荷载标准值，上部建筑物自重标准值（仅有局部剪力墙部位），外墙自重标准值。

　　横向：

核爆动荷载产生的水平动荷载标准值、土压力、水压力。

　　3.内承重墙（柱）：

将平时和战时的荷载值进行对比不难发现，战时所增加的顶板核爆动荷载标准值小于平时各楼层的活荷载标准值之和，故此部位构件不由战时条件控制。

　　在进行荷载组合时，需要明确两个问题：

一是上部建筑物自重标准值的确定，规范的条文说明中第4.3.14条已详细说明了各种不同的上部结构型式，在进行荷载组合时可分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况，设计时应认真分析确定。

二是顶板的组合中是否考虑上部建筑物的倒塌荷载值。

因为倒塌荷载的作用时间滞后于冲击波峰值作用时间，且规范规定的倒塌荷载产生的静荷载值为50KN/m2，小于冲击波对顶板的等效静荷载值，因此在顶板荷载组合中不必计入倒塌荷载值。

　　在防空地下室结构的设计中，其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式：

γ0（γGS+γQS）≤R（f，f，αk，……）（见规范第4.6.2条）。

需要指出的是几个系数的定义：

γ0―结构重要性系数，取10；γQ―等效静荷载分项系数，取1.0；f―混凝土动力强度设计值（参规范表4.6.3）；f―钢筋动力强度设计值（参规范表4.6.3）。

　　由上式可明显看出人防设计的特点。

这样与平时状态下的内力情况进行比较，本工程中，顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力由战时控制，底板、基础由平时控制。

　　求出构件的内力和配筋后，剩下需注意的问题就只有一些构造要求了。

《规范》第4.7节中已作了很详细的规定，结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围，结合工程实际情况就可顺利地完成人防地下室各主要构件的设计。

　　（三）孔口防护和平战兼顾

　　孔口防护包含三部分的设计内容：

一是防护密闭门与消波系统的设计；二是出入口通道内临空墙、门框墙的设计；三是孔口其他构件，如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。

其中第二、三条中的临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模式，考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋。

而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，但需注意的就是因平时使用时需要的出入口通道均较宽，而战时又相应较窄，有可能会使门框墙的悬臂长度过长，水平筋过大。

这种情况下，可考虑在不影响功能使用的前提下，加设柱、梁改变门框墙的受力型式，得到较为经济的设计效果。

风井的设计中只计算土中压缩波的压力，对空气冲击波则不予考虑，因两者不会同时作用。

开敞式通道更不考虑核爆动荷载，只考虑静土侧压力，而防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项。

竖向力即为倒塌荷载50KN/m2，属静载，横向力即动压设计值q，由《规范》第4.5.10条确定。

这两项受力作用时间存在间隔，故不考虑同时作用。

下面主要谈谈防护密闭门与消波系统的设计。

　　当空气冲击波到达出入口通道时，虽然有通道出入口的扩散作用，但遇墙体和门的反射作用使作用在门上的总效应大于空气冲击波的压力，约为2.0～3.5倍。

为方便工程设计人员，国家将防密门进行系列化处理，依据设计压力和门洞尺寸就可轻松地选择定型的防密门。

　　而消波系统的产生是因为滤毒通风设备所能承受的允许压力远小于空气冲击波，若其防护措施不能与主体抗力相适应，将直接影响整体工程防护能力。

消波系统的基本思想是以堵为主，堵消结合：

堵就是采用防爆波活门将冲击波的大部分阻挡在室外；消就是使从活门孔进入的少量冲击波通过扩散室的扩散膨胀作用削弱其压力，使其进入内部的压力不超过设备的允许压力。

规范表4.9.1给出了消波系统选择表，可按抗力等级与允许余压值予以确定，一般由防爆波活门及扩散室组成，防爆波活门的选用和扩散室各部分尺寸的确定均可在《规范》中找到相应的表格和公式得到落实。

这项工作在设计过程中既可由结构专业完成，也可由建筑、通风专业完成。

　　扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙，墙面本身受的荷载及活门传来荷载均按临空墙荷载取值，扩散室与土相邻的顶底板及外墙按土中压缩波压力确定荷载。

　　平战兼顾设计是深入贯彻“平战结合”建设方针一个重要环节，由于人防工程是战时遭受敌袭击时作为保障城市居民生命安全和坚持工作的一种具有特殊功能要求的建筑物，因此它需要承受的荷载较一般结构大几十倍至数百倍，而且密闭要求很高。

所以在设计中应尽量减小结构跨度，减少并缩小直通大气的各种孔口，而这种处理原则，给平时使用造成诸多困难。

《规范》第4.8条中对此点作了指导性的规定，所以具体做法应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件综合研究确定。

　　四、结语

　　总之，在城市地下空间开发利用进程中，结合城市建设积极推进人防工程建设进程，大力提高战备效益、社会效益、经济效益和环境效益，适应市场经济发展要求，实现高技术局部战争对现代人防的要求。

合理利用地下空间，可以在旧城改造方面拓展思维，打破旧的拆、迁模式及拆迁与文物保护方面矛盾，能合理解决新老建筑结合和功能拓展，并为地面创造了开敞空间，符合现代城市建设紧凑化及人文关怀的新理念。

同时发展地下工程技术和各项保障技术，提高建设、规划改造和管理的科技含量，提高城市地下空间开发利用的现代化水平。

加强地下工程的改造设计和施工技术的研究，加强防水、防火、防护等防灾技术的研究，并创造条件，加以改造，提高地下空间的生活质量。

　　［参考文献］

　　［1］张乃仁.设计辞典［m］.北京：

北京理工大学出版社，2002.