浅探人防工程地下室的结构设计及原则

浅探人防工程地下室的结构设计及原则

李海英

关键词：人防地下室；结构设计

1、人防工程的相关概念

人民防空（civilairdefense）是国防建设的重要组成部分，是指国家根据国防需要，动员和组织群众采取防护措施，防范和减轻空袭灾害，简称“人防”。而人民防空工程（以下简称人防工程）是战时掩蔽人员、物资，保护人民生命和财产安全的重要场所，是实施人民防空最重要的物质基础。人防工程主要分为明挖工程与暗挖工程。明挖工程是指工程上部自然防护层在施工中被扰动的工程。它受地质条件影响小，使用方便，作业面大，土方量大，与地面建筑及地下管线的关系较为密切。主要适用于抗力要求不高或不宜暗挖使用的条件下使用。明挖工程中按上部有无地面建筑又可分为单建式和附建式工程。上部无大型或固定地面建筑物的称为单建式工程；上部有地面建筑的称为附建工程，也称为防空地下室。

暗挖工程是指上部自然防护层在施工中未被扰动的工程。施工中受地面建筑及地下管线的影响小，工程的抗力随防护层厚度的增加有不同程度的提高。结构断面尺寸因有岩土起承载作用而可减小，但施工受地质条件影响较大。暗挖工程按照是否在山体或平原地区的修建方式由可分为地道式和坑道式工程。人防工程的抗力等级主要用以反映人防工程能够抵御敌人核袭击以及常规武器破坏能力的强弱，其性质与地面建筑的抗震裂度有些类似，是一种国家设防能力的体现。我国人防工程的抗力等级主要按防核爆炸冲击波地面超压以及常规武器破坏作用的大小划分。因此人防工程的抗力指标往往是双重的，如某防空地下室抗常规武器级别为5级（简称常5级），抗核武器级别为6级（简称核6级）。

人防工程的抗力等级与其建筑类型之间有着一定的关系，但没有直接关系。即人防工程的使用功能与其抗力等级之间虽有某种联系，但它们之间并没有一一对应的关系。如人员掩蔽工程可以是核5级，可以是核6级，还可以是核4B级。某抗力等级的人防工程对应的防核爆冲击波地面超压值大小以及常规武器破坏的作用，是根据国家制订的《人民防空工程战术技术要求》的规定确定。目前常见的面广量大的防空地下室一般为防常规武器抗力级别5级和6级；防核武器抗力级别4级、4B级、5级、6级和6B级。

防化分级是以人防工程对化学武器的不同防护标准和防护要求划分的等级，防化等级也反映了对生物武器和放射性沾染等相应武器（或杀伤破坏因素）的防护。防化等级是依据人防工程的使用功能确定的，防化等级与其抗力等级没有直接关系。

现行《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）包括了除甲级防化以外的各防化等级有关防护标准和防护要求。

2、防空地下室的结构特点

防空地下室结构按战时工况设计的荷载，由静荷载与爆炸动荷载（用等效静载表示）组合确定。其中静荷载包括防空地下室自重、上部地面建筑物自重（全部或一部分）、土压力、水压力等。1、防空地下室结构主要承受爆炸荷载。与普通地下室相比，防空地下室结构设计的主要特点是要考虑战时规定武器爆炸动荷载的作用。常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载均属于偶然性荷载，具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。2、防空地下室结构体系必须考虑地面建筑结构体系防空地下室的墙、柱等承重结构，应尽量与地面建筑物的承重结构相互对应，以使地面建筑物的荷载通过防空地下室的承重结构直接传递到地基上。

3、可靠度偏低防空地下室防护结构的设计可靠度比民用建筑低得多。民用建筑：失效概率Pf≈10－3～10－4防空地下室：失效概率Pf4、应计入动力效应防空地下室结构战时承受的爆炸荷载是一种动荷载。在同样数值的爆炸动荷载作用与静荷载作用下，前者由于动力效应使其产生的构件变形和内力比后者要大，也就是更不利或更危险。反映这种动力效应，可用动力系数Kd表示。5、可进入塑性阶段工作民用建筑结构承受静荷载作用，构件不能进入塑性阶段工作。例如，简支梁当跨中出现塑性铰后，构件即成为可变机构，变形不断增大，以支坍塌。防空地下室结构由于承受的战时荷载是一种短时作用的瞬态荷载，当构件工作进入塑性阶段时，因动荷载会很快消失，构件变形不会不断增大，在达到最大变形后将不再增大，最后仅留下一定的残余变形。允许构件进入塑性阶段工作，能充分地利用构件材料地潜力，具有很好的紧急意义。6、要提高材料强度民用建筑设计采用的材料强度标准值，是在承受静载工况的条件下确定的。人防结构承受爆炸动荷载时，材料的加载速率（或应变速率）比静载工况时大得多。试验表明材料在快速加载条件下其强度会提高，另外，由于人防结构承受爆炸动荷载的工况，可能在工程完工后经过很长时间才会实现，故混凝土材料还可计入后期强度提高的因素。7、要重视构造要求人防工程结构虽然是用等效静载法进行设计的，但客观实际其承受的战时荷载是动荷载，因此防空地下室结构在战时荷载下的工作性状具有如下三个特点：①振动环境、②大变形、③对构件延性的要求更高，故而在构造要求上要予以重视。人防结构上述与民用建筑结构不同的主要特点，在防空地下室结构的设计、施工、监理工作中要重视贯彻相关的特殊要求。

防空地下室结构的材料选用，应在满足防护要求的前提下，做到因地制宜、就地取材。地下水位以下或有盐碱腐蚀时，外墙不宜采用砖砌体。当有侵蚀性地下水时，各种材料均应采取防侵蚀措施。防空地下室钢筋混凝土结构构件，不得采用冷轧带肋钢筋、冷拉钢筋等经冷加工处理的钢筋。

3、防空地下室主体结构

防空地下室防常规武器作用应按非直接命中的地面爆炸计算，且按常规武器地面爆炸的整体破坏效应进行设计。等效静荷载计算按国家有关规定计算。核爆炸等效静荷载防空地下室防护等级确定后，工程所在位置处的核爆炸地面冲击波超压即已知。由于冲击波荷载传递到结构顶板、侧墙、底板的状况及构件的动力响应不同，各构件的核爆炸动荷载的等效静载是不同的，需要分别确定等效静荷载并进行截面设计。

当战时荷载要考虑上部地面建筑物影响时，顶、底板荷载略有减小，外侧墙荷载略有增大。构件截面设计人防截面设计方法，原则上与民用建筑结构相同，即采用可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法，但在一些有关防护内容的分项系数取值方面考虑了人防结构的特点以及截面计算中材料强度的调整提高、剪力修正以及强柱弱梁、强剪弱弯的原则。

4、人防地下室结构设计原则

建筑的防空地下结构是整个建筑设计的一部分，结构需要满足两种不同状态下的使用情况，既能满足平时日常生活的使用要求，又能在战需的情况下投入战备运营，甚至可以经受住各种级别的防护要求，也就是说设计要求满足平时使用和战时不同情况下的荷载要求，所以，防空地下室的设计要根据其自身的控制条件来设计，符合多重承载条件。人防地下室结构要强度验算。在核爆动荷载作用下结构构件变形达到极限，使用延性比来控制，确定各种构件允许延性比时，充分考虑变形的限制和防护密闭要求，那样就没必要对结构变形和裂缝进行单独的验算了。无论防空设施面对常规武器，还是核武器的摧毁，设计时要求只考虑收到一次作用力的后果，受常规武器袭击可暂不考虑直接命中。对于一级防空地下室结构，以可能受到最强烈的情况进行设计计算。防空地下室的结构设计，应根据防护要求着重加强设计要求，另外对受力情况分析，并对各个部位抗力相协调，避免设计控制标准不一导致内部建构自毁式降低建筑寿命，使其丧失防空地下室的防护作用。地上与地下承重结构体系应当相互兼容和协调，避免出现强弱相差极大的情况，相互协调结构的内应力。

人防地下室结构设计要点为了提升设计科学性，应对人防地下室结构设计进行要点拆分，并分别研究其设计要求和设计方法。人防口部设计：人防口部设计包括出入口通道内临空墙和门框的设计，防护密闭门和消波系统的设计，风井、开敞式通道等、隔墙等孔口其他构件的设计。一）临空墙应结合人防地下室特点按一般墙体计算模型算出内力、钢筋，相邻单元之间的隔墙也是如此。门框的设计应按悬臂梁计算，应注意在保证使用功能的前提下，结合需要加设梁、柱来改善门框受力模式，提升设计效果；二）国家对于人防地下室防护密闭门已经进行了系列化的规定和处理，以便设计人员选择，应结合人防工程设计压力选择合适的防护密闭门种类。消波系统包括扩散室和防爆波活门组成，应依照《人民防空地下室设计规范（gb50038—2005）》中的相应公式表格确定扩散室和防爆波活门各部件的尺寸；三）风井设计中只考虑土中压缩波的压力，而不考虑空气冲击波的作用，因为两者不会同时产生作用。开敞式通道设计中则只考虑静土侧的压力。

平站转换设计：人防地下室结构的设计要坚持“平站转换”的原则，战时可作为掩护和疏散群众的场所，这要求人防地下室结构要具有很强的荷载能力，很高的密闭性，因而在人防地下室结构设计中要缩小结构跨度、减少各种孔口。但和平时期人防地下室也要具有交通、商业等服务功能，上述设计原则不利于人防工程的平时使用。对此，应参考《人防工程防护功能平战转换设计图集》，本着转换简便、迅速、灵活，平展用途相近，一次设计两步社工，保证兼容性的原则进行结构设计。

5、总结

人防地下室结构设计是一项考虑因素比较多的工程项目，其影响因素广泛，涉及范围之大。人防地下室不仅要考虑战时要求，而且还要考虑非战争时期的功能，这无疑增加了其结构设计的难度，在设计工作中应参考相关规范和指导，结合人防地下室具体施工条件和施工环境，选择最合适的设计方法。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．

[2]李晓良.关于人防地下室结构设计的几个问题.[j].浙江建筑.2009（9）：22

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[4]雷木报.人防地下室结构设计的问题分析与总结.[j].中华民居.2011（6）：89