摘要：人防即人民防空，人民防空的任務(wù)是根據(jù)國防的需要，動(dòng)員和組織群眾采取防護(hù)措施，防范和減輕空襲危害。除采取人員疏散的措施之外，也是戰(zhàn)時(shí)防空的最重要的措施之一。本文結(jié)合北京市某工程從人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，人防荷載確定，荷載組合和內(nèi)力分析等幾方面來介紹人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值，人防荷載，荷載組合，平戰(zhàn)結(jié)合。
中圖分類號： TU318文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
1.工程概況：
本工程為北京市某廠職工住宅樓工程。結(jié)構(gòu)型式為地上6層磚混結(jié)構(gòu)，地下室為1層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。地下室為人防工程，人防抗力等級為5級二等人員掩蔽所。
2.人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包含兩方面：一是主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括頂板、外側(cè)墻、底板等其它構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是孔口防護(hù)設(shè)計(jì)，包括出入口的防護(hù)和消波系統(tǒng)，其中出入口的防護(hù)包含防護(hù)密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計(jì)算、出入口通道的計(jì)算等幾個(gè)方面，而消波系統(tǒng)則包含防爆波活門的選用和擴(kuò)散室的設(shè)計(jì)，這些內(nèi)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)不同:
第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性可以降低；第二，考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；第三，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可考慮進(jìn)入塑性工作狀態(tài)；第四，材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以提高（實(shí)驗(yàn)表明，在快速加載的情況下，這時(shí)材料力學(xué)性能發(fā)生比較明顯的變化，主要表現(xiàn)為強(qiáng)度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結(jié)構(gòu)工作起到有利作用，例如鋼材強(qiáng)度可提高1.2～1.5倍，對砼和砌體強(qiáng)度可提高1.5倍，這在設(shè)計(jì)中是通過考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)來完成的）；第五，重視構(gòu)造要求，人防設(shè)計(jì)的許多構(gòu)造要求是與一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的，要求更為嚴(yán)格，故不能只考慮受力計(jì)算，還要考慮規(guī)范中規(guī)定的構(gòu)造措施。
根據(jù)以上所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，我們可以確定防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則，①平戰(zhàn)結(jié)合，在民用建筑的人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般只涉及5級或6級人防設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的頂板基本上都由戰(zhàn)時(shí)控制，而側(cè)墻和底板則因地下室的結(jié)構(gòu)型式的不同而由實(shí)際情況確定。②只進(jìn)行強(qiáng)度的驗(yàn)算，由于在核爆動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形極限已用允許延性比來控制，且在確定各種構(gòu)件允許延性比時(shí)，已考慮了對變形的限制，因而在防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不必再單獨(dú)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形與裂縫開展進(jìn)行驗(yàn)算。③只考慮一次核襲擊。④注意各部件的協(xié)調(diào)，以免因設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部先行破壞，失去整個(gè)防護(hù)建筑的作用。⑤地面與地下承重結(jié)構(gòu)體系要協(xié)調(diào)，不能出現(xiàn)兩者強(qiáng)弱相差較大的情況。了解了結(jié)構(gòu)人防設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及原則之后，我們首先就必須確定計(jì)算所需的荷載值。
3.人防荷載的確定
如前所述，人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮抵抗空氣沖擊波。當(dāng)核武器在空中爆炸沖擊波傳播到地表時(shí)，形成反射沖擊波，因反射波是在被入射波壓密和加熱過的空氣中傳播，且壓力又高，所以反射波的傳播速度要比入射波快，當(dāng)反射波波陣面趕上入射波波陣面后，則匯合成單一的沖擊波，即合成波。防空地下室的頂板一般就直接承受地面沖擊波的超壓和負(fù)壓作用，而對于側(cè)壁和底板，因空氣沖作用于地表，壓迫土體并使其產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，上層土體受壓后連續(xù)向下傳遞壓力，這種土體的壓縮狀態(tài)由上向下逐層傳播過程稱為土中壓縮波的傳播，當(dāng)遇到側(cè)壁或底板的阻擋后，則會(huì)產(chǎn)生超壓、動(dòng)壓和負(fù)壓作用，這就是側(cè)壁和底板需考慮的問題。
本工程人防地下室防護(hù)等級為5級(級別的確定是根據(jù)國家制訂的《人民防空工程戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求》確定的，是由人防部門確定后發(fā)文予設(shè)計(jì)單位)，采用全埋式現(xiàn)澆鋼筋混凝土人防地下室，各部位等效靜荷載取值分別為：
3.1頂板：首層外墻為240mm燒結(jié)普通頁巖磚，且墻面開孔面積小于50%，故計(jì)入上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓作用的影響，頂板覆土厚度為0.8m，持力層為圓礫層，可根據(jù)規(guī)范提供的頂板等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值表確定等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe1=120KN/m2。
3.2外墻：上部建筑物為抗震設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)，故應(yīng)計(jì)入上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓值的影響，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，地下室側(cè)壁等效靜載荷標(biāo)準(zhǔn)值qe2=50KN/m2。
3.3底板：本工程采用筏板基礎(chǔ)，根據(jù)規(guī)范提供的鋼筋混凝土底板等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值表確定等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe3=100KN/m2。
3.4門框墻：所受荷載由兩部分組成，一是直接作用在門框墻上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe=380KN/m2；二是由門扇傳來的等效靜載標(biāo)準(zhǔn)值，分別按門扇的型號、大小計(jì)算確定。
3.5臨空墻：依工程實(shí)際情況和規(guī)范臨空墻的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值表取其等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為210KN/m2。
3.6隔墻：相鄰防護(hù)單元間隔墻水平等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為100KN/m2。
其它各種防護(hù)密閉門、防爆波活門、擴(kuò)散室的設(shè)計(jì)壓力均由規(guī)范中有關(guān)規(guī)定選用，當(dāng)所有構(gòu)件的等效靜荷載值確定后，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。
4.荷載組合和內(nèi)力分析
作用在防空地下室結(jié)構(gòu)上的荷載，應(yīng)包括核爆動(dòng)荷載、上部建筑物自重、土壓力、水壓力及防空地下室的自重等，規(guī)范中對防空地下室不同部位應(yīng)考慮的荷載組合給出了一個(gè)表格，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)各工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合表格確定所需進(jìn)行荷載組合的項(xiàng)目。
防空地下室結(jié)構(gòu)荷載組合
在進(jìn)行荷載組合時(shí)，需要明確兩個(gè)問題：一是上部建筑物質(zhì)自重標(biāo)準(zhǔn)值的確定，規(guī)范中已詳細(xì)說明了各種不同的上部結(jié)構(gòu)型式，在進(jìn)行荷載組合時(shí)可分為全部考慮、考慮一半和不考慮三種情況。二是頂板的組合中是否考慮上部建筑物的倒塌荷載值，因?yàn)榈顾奢d的作用時(shí)間滯后于沖擊波峰值作用時(shí)間，且規(guī)范規(guī)定的倒塌荷載產(chǎn)生的靜荷載值為50KN/m2，小于沖擊波對頂板的等效靜荷載值，因此在頂板荷載組合中不必計(jì)入倒塌荷載值。
在防空地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其承載力設(shè)計(jì)應(yīng)采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：γ0 (γGSGK+γQSQK)≤R(fcd，fsd，αk，……)，需要指出的是幾個(gè)系數(shù)的定義：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；γQ—等效靜荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；fcd—混凝土動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsd—鋼筋動(dòng) 力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由上式可明顯看出人防設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。
求出構(gòu)件的內(nèi)力代入理正人防計(jì)算軟件即可分別計(jì)算出各構(gòu)件的配筋，剩下需注意的問題還有一些構(gòu)造要求，《規(guī)范》中已作了很詳細(xì)的規(guī)定在此不一一敘述。
5.孔口防護(hù)和平戰(zhàn)兼顧
孔口防護(hù)包含三部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容：一是防護(hù)密閉門與消波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二是出入口通道內(nèi)臨空墻、門框墻的設(shè)計(jì)，三是孔口其它構(gòu)件，如風(fēng)井、防倒塌棚架、開敞式通道、相鄰單元之間的隔墻等的設(shè)計(jì)。其中第二、三條中的臨空墻、相鄰單元之間的隔墻已在上面已經(jīng)談到了荷載的確定，而門框墻的設(shè)計(jì)一般是按懸臂梁計(jì)算，但需注意的就是因平時(shí)使用時(shí)需要的出入口通道均較寬，而戰(zhàn)時(shí)又相應(yīng)較窄，這樣有可能會(huì)使門框墻的懸臂長度過長，而使水平筋過大，這種情況下，可考慮在不影響功能使用的前提下，加設(shè)柱、梁改變門框墻的受力型式，得到較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)效果。下面主要談?wù)劦谝粭l的設(shè)計(jì)內(nèi)容，當(dāng)空氣沖擊波到達(dá)出入口通道時(shí)，雖然有通道出入口的擴(kuò)散作用，但遇墻體和門的反射作用使作用在門上的總效應(yīng)大于空氣沖擊波的壓力，約為2.0～3.5倍 。為方便工程設(shè)計(jì)人員，國家將防密門進(jìn)行系列化處理，依據(jù)設(shè)計(jì)壓力和門洞尺寸就可直接選擇定型的防密門。而消波系統(tǒng)的產(chǎn)生是因?yàn)闉V毒通風(fēng)設(shè)備所能承受的允許壓力遠(yuǎn)小于空氣沖擊波，若其防護(hù)措施不能與主體抗力相適應(yīng)，將直接影響整體工程防護(hù)能力。消波系統(tǒng)的基本思想是以堵為主，堵消結(jié)合，堵就是采用防爆波活門將沖擊波的大部分阻擋在室外，消就是使從活門孔進(jìn)入的少量沖擊波通過擴(kuò)散室的擴(kuò)散膨脹作用削弱其壓力，使其進(jìn)入內(nèi)部的壓力不超過設(shè)備的允許壓力。
平戰(zhàn)兼顧設(shè)計(jì)是深入貫徹“平戰(zhàn)結(jié)合”建設(shè)方針一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于人防工程是戰(zhàn)時(shí)遭受敵襲擊時(shí)作為保障城市居民生命安全和堅(jiān)持工作的一種具有特殊功能要求的建筑物，因此它需要承受的荷載較一般結(jié)構(gòu)大幾十倍至數(shù)百倍，而且密閉要求很高，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)跨度，減少并縮小直通大氣的各種孔口，而這種處理原則，恰為平時(shí)使用造成諸多困難，《規(guī)范》中對此點(diǎn)也作了指導(dǎo)性的規(guī)定，本工程人防地下室在平時(shí)主要作為自行車庫使用。
6.結(jié)語
2005年底建設(shè)部頒發(fā)了新版《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》，新規(guī)范自2006年3月1日起實(shí)施，同時(shí)宣布原規(guī)范作廢。由于本工程人防部分審批時(shí)在2005年7月，所以還是按照老規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。新老規(guī)范的區(qū)別主要是新規(guī)范中將人防地下室分為甲乙兩類，甲類人防地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受常規(guī)武器和核武器爆炸動(dòng)荷載的分別作用；乙類人防地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的作用。按照新規(guī)范的劃分，本工程應(yīng)屬乙類人防地下室，防常規(guī)武器抗力等級為5級。經(jīng)對比新老規(guī)范發(fā)現(xiàn)，按老規(guī)范五級二等人員掩蔽所選取的各構(gòu)件等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值均大于新規(guī)范乙類防常規(guī)武器抗力五級人防地下室各構(gòu)件的靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值，故本工程的荷載取值相對新規(guī)范的要求是偏于保守的，是安全可靠完全滿足設(shè)計(jì)要求的。
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