关于人防地下室设计的一些分析探讨

摘 要:本文对人防地下室设计进行分析探讨，对人防荷载的确定、荷载组合和内力的分析、孔口防护和平战转换的设计等进行了阐述，以供参考。

关键词:人防地下室，结构设计，荷载组合；内力分析

0前言

人防地下室的设计中，有一个平战结合的问题，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，又要考虑人防荷载较大，结构上很难满足大空间的问题，如何协调两种状态下不同的使用要求，下面将做具体的分析探讨。

1人防地下室结构设计特点

人防的任务是根据国防的需要，动员和组织群众采取防护措施，防范或减轻空袭危害。与普通地下室相比，人防地下室结构设计的主要特点是要考虑战时武器爆炸动荷载的作用。武器爆炸动荷载属于偶然荷载，具有量值大，作用时间短，不断衰减等特点。所以其结构设计与一般的结构设计有以下几点不同:

1)结构设计的可靠度可以降低。2)考虑结构的动力效应，结构构件可考虑进入塑性工作状态。3)材料设计强度可以提高。实验表明，在快速加载的情况下，材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高，变形性能包括塑性性能等基本不变，对结构工作起到了有利作用。例如，钢材强度可提高1.20倍~1.50倍，混凝土强度可提高1.40倍~1.50倍，这是根据普通建筑物规范中材料分项系数，材料在快速加载作用下的动力强度提高系数，人防地下室可靠度分析后综合确定的，故称为材料强度综合调整系数。4)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，忽视构造措施是不合理的。根据上述特点，可以确定人防地下室设计的一般原则:

1)平时战时两种情况均要计算，取控制条件。2)在武器爆炸动荷载作用下，结构构件振型与相应静荷载作用下挠度曲线很接近，破坏规律与相应静荷载作用下基本相同，所以在动力分析时可将构件简化为单自由度体系采用等效静荷载法，这样可以简化设计同时能满足战时防护要求的计算精度。3)只进行强度的验算，由于在核爆炸动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。4)试验证明在武器爆炸动荷载作用下不论是整体基础还是单独基础，均未发现地基有滑动或剪切破坏的情况，所以不需要验算地基承载力和变形。5)只考虑一次核袭击。6)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。

2人防地下室结构设计内容

人防地下室结构设计的主要内容包含两方面:1)主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等构件的结构设计;2)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。

3人防荷载的确定

人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。防空地下室的顶板一般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，因空气冲击波作用于地表，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，这是侧壁和底板需考虑的荷载作用。

4荷载组合和内力分析

人防地下室分为甲类和乙类。甲类人防地下室应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用，乙类人防地下室应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。甲类人防地下室结构应按下列1)，2)，3)条规定的荷载组合进行设计，乙类人防地下室结构应分别按下列1)，2)条规定的荷载组合进行设计，并应取各自的最不利效应组合作为设计依据。

1)平时使用状态的结构设计荷载。

2)战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。

3)战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。

作用在人防地下室结构上的荷载包括爆炸动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及人防地下室的自重等，结构设计时可结合各工程的结构特点根据规范确定荷载组合的项目。在进行荷载组合时，需要明确的一个问题就是上部建筑物自重标准值的确定。规范中已说明根据不同的上部结构形式，在进行荷载组合时上部建筑物自重分考虑全部、考虑一半和不考虑三种情况，设计时应认真分析确定。

人防地下室在确定等效静荷载和静荷载后，可按静力计算方法进行结构内力分析。其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式:

其中，γ0为结构重要性系数，可取1.0; γG为永久荷载分项系数; γQ为等效静荷载分项系数，可取1.0;fcd为混凝土强度动力设计值;fyd为钢筋(钢材)动力强度设计值;ak为几何参数标准值。

由上式可以看出人防设计的特点，与平时状态下的内力情况进行比较，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，需注意的问题是结构构造措施，规范中作了详细的规定，结构设计人员应认真研究体会规范条文的条件和适用范围，结合工程实际情况完成人防地下室各主要构件的设计。

5孔口防护和平战转换设计

除了主要构件的设计问题，人防地下室孔口防护的设计和平战转换设计也是一项重要内容。孔口防护包含三部分的设计内容:1)防护密闭门与消波系统的设计;2)出入口通道内临空墙与门框墙的设计;3)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，临空墙、相邻单元之间的隔墙已在上节中谈到了荷载的确定，设计人员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配筋。而门框墙的设计一般按悬臂梁计算，但需注意的是因平常使用时需要的出入口通道均较宽，而战时又相应较窄，这样有可能会使门框墙的悬臂长度过长，使水平筋过大，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形式，得到较为经济的设计效果。在常规武器爆炸动荷载作用下风井的设计只计算土中压缩波的压力。开敞式通道不考虑常规爆炸动荷载作用。甲类人防地下室室外开敞式防倒塌棚架考虑承受空气冲击波动压产生的水平等效静荷载标准值和由房屋倒塌产生的垂直等效静荷载标准值，但两者应按不同时作用计算。

平战转换设计是深入贯彻平战结合建设方针的一个重要环节，由于人防地下室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，而这种处理原则恰为平时使用造成诸多困难，规范对此点作了规定乙类人防地下室和核5级、核6级、核6B级的甲类人防地下室，当其平时使用要求与战时防护要求不一致时，设计可采取防护功能平战转换措施。

平战转换设计应遵循以下基本原则:1)工程平战用途相近;2)转换工作要小;3)一次设计，分两步施工;4)考虑兼容性和通用性;5)转换措施要求快速、经济、简便、可靠。依据此原则，该工程在设计中，对于战时封堵设计，曾考虑采用整快混凝土板(厚80mm~100mm)封堵出入口，混凝土板四周包有槽钢，下部分有滑轮，可在轨道中滑动，平时滑至门边固定，战时推动大门封堵出入口，既能保证封堵效果，而且又简单、方便，不占空间，但不符合人防战时封堵的规范设计要求，故改为预制混凝土块，竖向拼接封堵，得到了人防审批部门的认可。

从以上内容可以看出人防地下室的设计内容多且繁琐，相对一般建筑物设计有许多不同之处，大家在实际人防设计中应该多学习规范，领会规范内容，以便做好人防地下室结构设计工作。