人防结构设计与抗震结构设计比较之若干问题探讨

摘要：本文基于建筑工程中人防结构与抗震结构设计的论述，比较了人防结构设计与抗震结构设计的异同，并较详细地分析了人防结构设计与抗震结构设计中的相似性，并提出提高延性目的的几点措施。

关键词：人防结构设计；抗震结构设计；结构工程

中图分类号： S611 文献标识码： A

1. 前言

在建筑结构设计中，人防结构要结合可承受因常规武器或核武器爆炸所产生的动荷载作用进行设计，一般来说要具有抗震设防的设计要求，在实际工程机构设计过程中使其能够承担地震及武器爆炸动荷载的相关作用，这两种结构在实际设计中各有区别。

2. 荷载作用方式

在荷载作用方式上人防结构与抗震结构都是偶然荷载，属于一种动荷载方式，在设计过程中都要按照承受一次作用的情况进行考虑。若人防结构构件于空气中就需受到空气冲击波的作用，若在地面下就会直接受到土层中的压缩波作用，所以人防结构荷载对结构构件外表面直接发生作用，其构件也会受到动荷载外力作用的直接影响；地震动荷载因受到地震时地面发生移动而发生动态作用，本质上是惯性力的间接作用影响。建筑物中具有一定质量的构件也会受地震影响而形成惯性力，人防结构中的动荷载一般与人防结构外表面构件发生直接作用，而依据围护结构的作用影响，人防结构内部墙柱等构件只能承受其围护结构的间接动荷载作用。

3. 荷载大小

人防结构中由于动荷载产生的冲击波压力是随着时间变化而发生相应的变化，为便于人防结构的设计，在对其计算时简化形成作用效果的等效静荷载，其与实际作用力存在一定差异，但能够采用静力分析模式计算内力，便于建筑结构设计中所需的各种数据，在建筑结构实际设计过程中，等效静荷载的大小需要结合设防抗力的等级进行确定。震级、建筑物离震源距离、震源深度等几个因素能够决定地震的作用程度，此外荷载大小还与建筑物质量、所处地理位置及建筑物的相关动力特性等因素具有非常重要的关系。

4. 设计方法

在对抗震结构进行设计的过程中，一般多采用“二个阶段、三个水准”的设计方法。通常选取小震下的地震动参数用于抗震结构下的地震作用效应的计算依据，而且也将其作为对截面承载力验算的一个主要指标，然后验算大震下抗震结构发生弹塑性变形的程度，依据概念设计与制定的抗震构造相对应的几点具体措施来实现三个水准的设计要求。

在对人防结构进行设计的过程中，动力分析一般多采用等效静荷载法，因其结构构件振型与相应静荷载在动荷载作用下具有非常相似的挠曲线，其结构构件与相对应的静荷载在动荷载作用下的破坏规律也大致相同，所以在进行动力分析时，就需要把结构构件简化为单自由度体系，根据动荷载峰值与动力系数相乘计算得出等效静荷载，此时结构构件的各项内力在等效静荷载作用下具有动荷载作用下对应内力的峰值。动力分析按照等效静荷载分析计算模式进行替代，便于进行人防结构的设计。在进行等效静荷载的具体分析时，结构材料参数要与材料强度相结合计算得出综合调整系数，以实现抗力的设计要求。在动荷载作用下结构构件变形极限要根据允许的延性比进行合理控制，人防结构根据此参数实施弹塑性设计，以实现密闭与防护的不同要求。

5. 设计原则

人防结构与抗震结构在设计原则上都遵循同一原则，在实际设计中，这两种结构都要具有一定的延性，以避免因材料脆性而破坏结构构件，钢筋砼结构构件都要符合“强剪弱弯”、“强柱弱梁”的设计原则。根据结构构件抗力相协调的原则，控制其尽量少出现薄弱部位。人防结构综合考虑各部位因不同作用而具有不同的荷载值，以及发生不同破坏形态、安全储备等情况，确保在动荷载作用下，出入口与主体结构等一些部位可以正常稳定工作，避免因个别薄弱环节而降低整个结构的抗力。若某部位出现问题，就会使整个人防结构出现问题。抗震结构在设计中也要注意控制，尽量减少可能出现的薄弱层、软弱层等情况，由于发生大震时薄弱层或软弱层发生问题将会使建筑物出现倒塌的严重后果。

6. 提高延性的措施

一般来说，核武器与常规武器在爆炸时具有当量较大、作用时间较短、同时能量在不断衰减等几个显著特点，从本质上属于偶然性荷载，结构构件承受动荷载作用时正处于弹塑性阶段。因此，延性较大的结构构件，对于抵抗动荷载、动能吸收都非常有利。在进行人防结构设计过程中，在构造设计上要严格遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱杆件”等几个设计原则。

若能够充分利用受弯构件与大偏心受压构件变形来抵消武器爆炸产生的动荷载作用能量，就可以为支座截面抗剪与柱子抗压减轻负担，避免该结构在屈服前发生剪切破坏的现象以及屈服后具有足够延性而导致发生塑性破坏，使其结构整体的承载能力显著提高；受弯构件要在双面配筋用以承受动荷载作用下有可能出现的回弹，避免在大挠度情况下发生构件坍塌的不利情况。此外，各结构中的节点位置也要具有抗剪、抗压能力以及预留必要的钢筋锚固长度，这些具体措施要完全符合抗震设计的原则。

7. 结束语

综上所述，建筑设计作为一种凝固的艺术，建筑设计师需要通过建筑物体现与众不同的设计意图，并实现建筑实用性与艺术性的完美统一。在人防结构与抗震结构设计过程中，也要充分考虑建筑设计师的意图，在竖向布置上，基于设计功能要求的基础，尽可能使竖向承重构件具备设计要求，减轻结构分析上的问题。此外，竖向刚度要满足渐变特征，避免发生突变情况，放止突变处在水平荷载的作用下出现应力严重集中的不利现象，对于上述结构抵抗水平与动力荷载都会产生不利影响。人防结构与抗震结构作为结构设计中的两种典型结构，其对于建筑物的安全性具有非常重要的作用，在实际设计过程中，上述两种结构具有一定相似性，需要采取必要措施来提高延性，从而建设完成安全美观的建筑物，为城市增添一道亮丽的风景。

参考文献：

[1] 肖伟.通过房屋结构优化设计提高房屋抗震性能[J]. 福建建筑，2008.11

[2] 汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J]，基建优化，2010.10

[3] 王光远.工程结构与系统抗震优化设计的实用方法[M]，中国建筑工业出版社，2009

作者简介：

李鸥（1982―），女，硕士，工程师，研究方向：结构工程。