淺談人民防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

余然

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司（450000）

淺談人民防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

余然

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司（450000）

介紹了防空地下室的基本概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及設(shè)計要點。

防空地下室；結(jié)構(gòu)設(shè)計；梁板式；無梁樓蓋

隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，高層、超高層建筑在全國各地拔地而起，地下停車庫、地下商場等地下建筑大量興建，人防工程建設(shè)逐步走向與城市建設(shè)相結(jié)合的道路。特別在經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)和城市，繁華的商業(yè)地段成為地下空間開發(fā)的熱點和焦點，其地下空間的利用離不開以防災(zāi)救災(zāi)為目的的人防工程。人防工程是戰(zhàn)時掩蔽人員、物資以及保護人民生命和財產(chǎn)安全的重要場所，也是實施人民防空最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，對促進城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展，增強城市的綜合防護能力具有重要作用。

人防工程按戰(zhàn)時使用功能不同可分為指揮通信工程、醫(yī)療救護工程、防空專業(yè)隊工程、人員掩蔽工程和配套工程五大類。人防工程的抗力等級用以反映其能夠抵御敵人核、生化和常規(guī)武器襲擊能力的強弱，抗力等級按防核爆炸沖擊波地面超壓的大小和不同口徑常規(guī)武器的破壞作用劃分。人防工程的抗力等級一般劃分為常6級、常5級、核6級、核5級和核4級。防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)不同抗力等級對應(yīng)的結(jié)構(gòu)條件選取相應(yīng)的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行計算。

與普通地下室設(shè)計相比，防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下特點：

1）要考慮戰(zhàn)時核爆動荷載的作用;核爆動荷載屬于偶然性荷載，具有量值大、作用時間短且不斷衰減等特點。

2）應(yīng)同時滿足平時和戰(zhàn)時兩種不同荷載效應(yīng)組合。附建式的防空地下室結(jié)構(gòu)是整個建筑結(jié)構(gòu)體系的一部分,不僅要滿足戰(zhàn)時的抗力,而且應(yīng)滿足平時使用的結(jié)構(gòu)要求。所以在人防地下室設(shè)計中，需要對平時和戰(zhàn)時兩種不同工況分別計算，取其最大配筋值。

3）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可按彈塑性工作階段設(shè)計。靜載作用下，構(gòu)件一般按彈性設(shè)計。在核爆動荷載作用下，構(gòu)件即使進入塑性屈服狀態(tài)，只要動荷載引起的最大變形不超過允許最大變形，在瞬間動荷載作用消失后，由于阻尼影響，其振動變形將不斷衰減，最后達到靜止平衡狀態(tài)，此時，結(jié)構(gòu)雖然出現(xiàn)一些殘余變形，但仍具有承載能力。由于構(gòu)件在塑性階段可比彈性階段工作吸取更多的能量，因此可充分利用材料潛力。對于鋼材強度可提高1.15～1.5倍，混凝土強度可提高1.5倍。這是通過考慮材料強度綜合調(diào)整系數(shù)來實現(xiàn)的。

4）只進行強度驗算,由于在核爆動荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形極限已用允許延性比控制，且在確定各種構(gòu)件允許延性比時,已考慮了對變形的限制，因而在設(shè)計中，不必再單獨對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫與變形進行驗算。

5）在核爆動荷載作用下，地基承載力有較大提高，安全系數(shù)也可取較低值。在瞬間荷載作用下,一般不會產(chǎn)生因地基失效引起的結(jié)構(gòu)破壞。因此在核爆動荷載作用下，可不驗算地基承載力和地基變形。

人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計整體計算仍采用PKPM空間有限元分析設(shè)計SATWE模塊，構(gòu)件計算有PKPM輔助設(shè)計工具箱（用于計算人防外墻、臨空墻、隔墻等）和理正人防設(shè)計軟件包（用于計算頂板、底板，外墻、臨空墻、內(nèi)隔墻、門框墻等）。

了解了人防結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及相關(guān)設(shè)計軟件后，下一步要做的就是確定人防結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算所需的荷載值。防空地下室起圍護作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件如人防頂板、土中外墻、臨空墻及基礎(chǔ)底板等，是直接承受沖擊波作用的構(gòu)件，內(nèi)部的墻、柱等構(gòu)件則間接承受核爆沖擊波的作用。

防空地下室頂板一般采用梁板式和無梁樓蓋兩種結(jié)構(gòu)形式。無梁樓蓋整體抗震性能較差，當(dāng)人防地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，或柱網(wǎng)區(qū)格內(nèi)長短跨之比大于1.5，以及頂板標(biāo)高變化較多時，均不宜選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)形式。防空地下室結(jié)構(gòu)頂板，一般都由人防荷載起控制作用。以常見的甲類核6級防空地下室為例，頂板的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按人防規(guī)范表4.8.2取值。頂板的等效靜荷載除與防空地下室的抗力級別有關(guān)外，還與頂板覆土厚度、頂板區(qū)格最大短邊凈跨有關(guān)。假設(shè)覆土厚度1.0 m，柱網(wǎng)尺寸8.1 m×8.1 m，采用井字梁，頂板區(qū)格最大短邊凈跨按3.0≤lo≤4.5考慮，頂板等效靜荷載取值70 kN/m2，考慮上部建筑影響按括號內(nèi)數(shù)據(jù)（65 kN/m2）取值。確定頂板厚度時，除了滿足人防規(guī)范表4.11.3的最小厚度要求外，還應(yīng)滿足規(guī)范中表3.2.2-1、3.2.2-2防早期核輻射的最小防護厚度要求。如果不滿足最小防護厚度要求，應(yīng)在頂板上面覆土，覆土的厚度不應(yīng)小于最小防護厚度與頂板防護厚度之差的1.4倍。

防空地下室土中外墻的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)不考慮上部建筑影響時，可按人防規(guī)范中表4.8.3-1、表4.8.3-2取值；當(dāng)考慮上部建筑影響時，應(yīng)按本規(guī)范第4.4.7條的規(guī)定乘以相應(yīng)的放大系數(shù)。對于甲類核6級防空地下室，假設(shè)側(cè)壁外側(cè)為非飽和、可塑黏性土，則外墻的等效靜荷載取值為40 kN/ m2；如果側(cè)壁外側(cè)為飽和黏性土的話，則外墻的等效靜荷載取值為55 kN/m2。防空地下室外墻除了進行核爆等效靜荷載計算以外，還應(yīng)驗算平時土壓力、水壓力作用下的裂縫大小。

防空地下室戰(zhàn)時是個封閉的空間，人員必須通過人防口部的密閉門進出，因此人防地下室門框墻計算也很關(guān)鍵。如果門洞邊長大于或等于2倍墻體懸挑長度，墻體按懸臂梁或牛腿計算。當(dāng)不滿足上述條件時，在門洞邊設(shè)梁或設(shè)柱。當(dāng)采用門洞設(shè)梁或柱的方法時，應(yīng)根據(jù)相鄰臨空墻的支座及工程的具體情況，另行計算臨空墻配筋并采用相應(yīng)的構(gòu)造。防護密閉門上擋墻符合h2≤a/2時，采用懸臂或牛腿計算。當(dāng)上擋墻符合a/2＜h2≤2 250時，5級防空地下室采用三邊固定一邊簡支的計算模式，6級防空地下室采用三邊固定一邊自由的雙向板計算模式。直接作用在門框墻上的等效靜荷載按人防規(guī)范中表4.8.7取值，應(yīng)考慮抗力級別和出入口的部位，以核6級室外樓梯出入口為例，防護密閉門門框墻等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值取200 kN/m2。

防空地下室臨空墻、單元隔墻、密閉隔墻（密閉隔墻不考慮受力計算）主要承受水平向的爆炸荷載作用，計算模型為單向板，下端固端，上端視頂板剛度按固端或簡支。為簡化計算，一般把頂板厚度≥墻體厚度的情況視為固端，反之為簡支。以甲類核6級防空地下室為例，臨空墻的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值按人防規(guī)范表4.8.8取值，考慮出入口部位及形式，室外樓梯出入口臨空墻等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值取130 kN/ m2；相鄰防護單元隔墻等效靜荷載應(yīng)區(qū)分抗力級別相同和抗力級別不同兩種情況，分別按人防規(guī)范表4.8.9-1、4.8.9-2進行取值,抗力級別相同時，核6級單元隔墻等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值取50 kN/m2。

圖1 人防地下室門框墻構(gòu)造

防空地下室基礎(chǔ)設(shè)計可不考慮常規(guī)武器地面爆炸作用，但乙類防空地下室底板設(shè)計必須符合規(guī)范第4.11節(jié)規(guī)定的構(gòu)造要求。甲類防空地下室底板等效靜荷載取值應(yīng)根據(jù)是否有樁基按規(guī)范表4.8.5和表4.8.15進行取值。甲類核6級非飽和土、端承樁底板設(shè)計時可以不計入人防荷載作用；當(dāng)采用常見的獨立柱基加防水板底板時，底板上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取25 kN/m2。

以上是對防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡要論述，人防地下室除了計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力，滿足防護性要求外，還應(yīng)滿足基本的密閉性要求，滿足規(guī)范4.11節(jié)的構(gòu)造規(guī)定。防毒通道、密閉通道、除塵濾毒室等有密閉要求的房間在施工時應(yīng)一次性澆筑混凝土，不得留豎向施工縫和后澆帶。對有密閉要求的人防墻體施工時，固定施工模板的螺栓，不得加塑料套管，還應(yīng)在螺栓拉桿上加設(shè)密閉環(huán)（止水片）。