人防工程設(shè)計(jì)與抗震的一些思考

彭曾

【摘要】隨著我國社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展以及城市化建設(shè)的強(qiáng)力推進(jìn)，人民防空工程建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量得到了極大的提升，但近年來地震頻發(fā)，對(duì)部分老舊人防工程的建筑物、構(gòu)筑物造成了巨大的破壞，本文結(jié)合現(xiàn)代人防工程抗震設(shè)計(jì)概念和力學(xué)基本原理，對(duì)災(zāi)區(qū)建筑設(shè)計(jì)中存在的部分問題進(jìn)行了一定的探討。

【關(guān)鍵詞】抗震；人防工程；抗震設(shè)計(jì)

一、前言

人民防空工程也叫人防工事，是指為保障戰(zhàn)時(shí)人員與物資掩蔽、人民防空指揮、醫(yī)療救護(hù)而單獨(dú)修建的地下防護(hù)建筑，以及結(jié)合地面建筑修建的戰(zhàn)時(shí)可用于防空的地下室。在人民財(cái)產(chǎn)與安全受到威脅的時(shí)候提供保護(hù)的保護(hù)所，在設(shè)計(jì)方面要求嚴(yán)格。而地震往往引發(fā)大量的災(zāi)害，對(duì)建構(gòu)筑物等造成各種各樣的破壞。世界上130余次大地震的統(tǒng)計(jì)表明，90～95%的人員傷亡是因建、構(gòu)筑物倒塌所致的，故學(xué)術(shù)界很多人認(rèn)為，地震災(zāi)害的主要屬性是土木工程災(zāi)害，而在以往，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為土木工程是受害者。土木工程災(zāi)害的形成機(jī)理是：“不當(dāng)?shù)倪x址，不當(dāng)?shù)闹R(shí)，不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、不當(dāng)?shù)氖┕?，不?dāng)?shù)牟牧希划?dāng)?shù)氖褂谩睂?dǎo)致土木工程不能抵御可能荷載作用而導(dǎo)致土木工程的失效乃至破壞，最終形成社會(huì)的災(zāi)害。

以汶川地震為例，部分人防建構(gòu)筑物的優(yōu)異表現(xiàn)說明：在強(qiáng)震下建造破壞程度不大甚至基本完好的建構(gòu)筑物是可能的。工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則，設(shè)計(jì)不但對(duì)工程造價(jià)起著控制性作用，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性也起著控制性作用。個(gè)人災(zāi)區(qū)考察印象表明，70%的工程震害與設(shè)計(jì)有關(guān)，這里隱含兩方面：1、大量受損破壞的建筑缺少正規(guī)的、合理的設(shè)計(jì)，特別是在廣大農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)民自建房無設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系薄弱，無基本抗震措施，破壞極其嚴(yán)重；事實(shí)上，災(zāi)區(qū)總體震害情況表明，嚴(yán)格按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑，破壞程度較輕；2、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低，由于歷史原因，89抗震規(guī)范之前，災(zāi)區(qū)很多建筑的抗震設(shè)防基本烈度僅為6度。

二、人防工程抗力設(shè)計(jì)分類

人防工程按抗力等級(jí)劃分，可分為1、2、2B、3、4、4B、5、6、6B等9個(gè)等級(jí)，工程可直接稱為某級(jí)人防工程，一般主體結(jié)構(gòu)分為砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在城市中基本已經(jīng)全部要求使用鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以往災(zāi)區(qū)情況反映，以砌體結(jié)構(gòu)為主的設(shè)計(jì)倒塌破壞嚴(yán)重，除了缺少圈梁、構(gòu)造柱等基本抗震構(gòu)造原因外，還習(xí)慣采用幾乎無任何拉結(jié)措施、缺少整體性的預(yù)應(yīng)力空心板樓、屋蓋有關(guān)，所以預(yù)制板端的構(gòu)造處理是不能滿足抗震的基本構(gòu)造要求的。底框結(jié)構(gòu)底層和過渡層的破壞較為嚴(yán)重，其破壞固然和框支層與上部各層砌體結(jié)構(gòu)剛度，存在一定突變有密切關(guān)系，但實(shí)際中也與存在一些不合理的設(shè)計(jì)和考慮有關(guān)。采用PKPM系列軟件進(jìn)行分析，需要設(shè)計(jì)人員在方案階段及施工圖中考慮和保證結(jié)構(gòu)布置及其質(zhì)量的均勻性問題。而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)總體抗震性能表現(xiàn)良好，震害焦點(diǎn)集中在很少有框架出現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制，塑性鉸往往在框架柱上出現(xiàn)，少數(shù)發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞，其原因除了箍筋設(shè)置不到位甚至漏設(shè)導(dǎo)致混凝土無約束，在強(qiáng)震荷載作用下個(gè)別框架柱因軸壓比較大、被壓潰外，還有目前的設(shè)計(jì)方法還不能確實(shí)保證“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于整澆框架結(jié)構(gòu)，板對(duì)梁剛度的影響還無法準(zhǔn)確考慮，而在梁配筋設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮板配筋帶來的抗彎強(qiáng)度增大效應(yīng)。在目前的設(shè)計(jì)規(guī)范中，僅對(duì)一級(jí)抗震等級(jí)框架要求按實(shí)際配筋來校核以滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于其它抗震等級(jí)還只是按內(nèi)力計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行系數(shù)調(diào)整予以處理，由于鋼筋直徑的不連續(xù)性，梁或多或少存在一定的鋼筋超配現(xiàn)象。在框架結(jié)構(gòu)施工中，由于長期慣性的影響，加之施工技術(shù)人員缺乏學(xué)習(xí)和鋼筋驗(yàn)收過程中缺乏認(rèn)真的監(jiān)督管理，梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋的搭接、錨固處理存在很多不合理的地方，特別是在邊柱和頂層邊柱節(jié)點(diǎn)處，梁柱縱向鋼筋之間的錨固和搭接長度不足，直接導(dǎo)致通常通過構(gòu)造措施予以保證的節(jié)點(diǎn)區(qū)斜截面抗彎強(qiáng)度不足，大大影響框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載能力。筆者認(rèn)為，這也是導(dǎo)致單跨框架抗震能力不好的重要原因之一（在單跨框架結(jié)構(gòu)中，上述不當(dāng)節(jié)點(diǎn)處理導(dǎo)致的影響更大）。

三、人防工程內(nèi)值得探討的幾個(gè)設(shè)計(jì)問題

1、人防工程中樓梯設(shè)計(jì)的影響

樓梯在結(jié)構(gòu)中實(shí)際存在一定程度的支撐作用，導(dǎo)致梯板拉斷，據(jù)此，很多專家認(rèn)為：在人防結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)入樓梯實(shí)際存在的支撐效應(yīng)影響，該精神業(yè)已反映在了修訂后的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2008年版）內(nèi)。個(gè)人以為，在目前情況下，將樓梯構(gòu)件直接輸入結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)樓梯進(jìn)行配筋，是缺乏操作性和不必要的。原因?yàn)椋海?）在現(xiàn)行PKPM系列軟件中，輸入樓梯構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析有困難；（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置的樓梯板配筋數(shù)量大，其配筋往往是超筋的；（3）梯板裂而不斷時(shí)，震后是可供人員暫時(shí)疏散使用的，而且樓梯構(gòu)件損壞一般并不會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)坍塌；（4）工程中樓梯間布置往往是非對(duì)稱的，其設(shè)計(jì)剛度或支撐效應(yīng)太強(qiáng)，必然引起結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛度中心的嚴(yán)重偏離；（5）將樓梯構(gòu)件作為支撐構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，若不對(duì)其它抗側(cè)力構(gòu)件采取必要的內(nèi)力調(diào)整措施，必然大幅削弱其它構(gòu)件的抗側(cè)力承擔(dān)的地震荷載，可能降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力或安全儲(chǔ)備，目前對(duì)與此相關(guān)的調(diào)整措施還缺少研究。

個(gè)人建議采用下述方法予以考慮：（1）將樓梯構(gòu)件作為耗能構(gòu)件考慮，在強(qiáng)震作用下，允許較早進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，構(gòu)件本身不直接輸入結(jié)構(gòu)模型參與計(jì)算； （2）梯板配筋采用延性較好、屈服強(qiáng)度較低的一級(jí)鋼筋，提高其變形能力，確保地震作用下裂而不斷，一般情況下，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生特別巨大的變形時(shí)，達(dá)到此目的是容易的；（3）按充分利用強(qiáng)度要求增加板底鋼筋在支座處的錨固長度，以控制受拉屈服位置位于梯板跨中區(qū)段。

2、樓板的作用

抗震設(shè)計(jì)對(duì)樓板的要求，一般是由構(gòu)造規(guī)定的。事實(shí)上，通過樓板的聯(lián)系和支撐作用，縱、橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件形成相互支撐關(guān)系。一般地，抗側(cè)力構(gòu)件在平面外的剛度和抗側(cè)及抗彎能力一般很小，有時(shí)往往可以忽略不計(jì)，縱橫方向的抗側(cè)力構(gòu)件，通過樓板提供的鏈桿作用對(duì)與其垂直方向的抗側(cè)力構(gòu)件提供支撐作用，確?？箓?cè)力構(gòu)件的平面外穩(wěn)定。災(zāi)區(qū)有很多采用橫墻承重方案的磚混結(jié)構(gòu)，橫墻為240墻，而非承重縱墻采用120墻。此種做法違背了上述相互依存原則，地震作用首先輕而易舉地將抗側(cè)能力極差的120墻（高厚比大，荷載作用下容易失穩(wěn)）擊潰，縱墻破壞后，橫墻失去僅有的平面外支撐，繼而失穩(wěn)最終導(dǎo)致建筑整體脆性倒塌。

四、地震帶給地震工程設(shè)計(jì)的啟示和思考

（1）在世界上130次巨大的地震災(zāi)害中，90%～95%的傷亡是由于建筑物倒塌造成的。因此，建、構(gòu)筑物能否抗御大地震的襲擊，是能否把地震災(zāi)害損失降到最低的關(guān)鍵所在。

（2）地震危險(xiǎn)性分析宜著眼于準(zhǔn)確確定地震斷裂帶的位置，以便在工程建設(shè)中采取足夠的避讓和其它抗震設(shè)防措施。設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)劃要求的對(duì)斷裂帶的避讓距離要求。

（3）我國目前各地基本設(shè)防烈度與行政區(qū)掛鉤的方法是不科學(xué)的，從根本上講，地震不是行政行為。故目前的地震區(qū)劃有根據(jù)地震危險(xiǎn)性、斷裂帶分布情況、地形和地貌等影響地震破壞程度的因素，進(jìn)行深化和改進(jìn)的必要，設(shè)防烈度劃分有必要細(xì)化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

總之，我們還不能阻止地震的發(fā)生。不過我們可以通過確定地震危險(xiǎn)區(qū)、修建更安全的建筑物、普及防震知識(shí)等來有效減輕地震對(duì)人類的危害。

五、結(jié)束語

“以史為鏡，可以明智”，地震災(zāi)害帶來的設(shè)計(jì)啟示很多，本文不可能一一列舉，這里拋磚引玉，并提出一些個(gè)人看法，愿我們能在教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)中成長。