对某高层人防地下室结构设计进行探讨

摘要： 文章主要针对甲类五、六级防空地下室结构设计中的一些问题进行分析探讨，提出了自己的观点和解决问题的方法

关键词：人防工程；荷载效应；平战兼顾

1.工程简介

某集团有限公司科技综合楼是1栋19层（地下2层）的框架一剪力墙结构的高层办公建筑。建筑面积38508 m2，建筑高度67.1m，抗展设防烈度为6度，地震分组为第二组，本工程的抗震设防类别为重点设防类。框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为三级。地下室面积9470 m2时，其中含人防面积4735 m2，分两个人防掩蔽单元，层高4.5m，桩基采用钻孔灌注桩，人防设于地下二层 ，地下一层为设备用房层。

2.人防结构设计的特点

人防即人民防空.人民防空的任务是根据国防的需要，动员和组织群众采取防护措施，防范和减轻空袭危害。除采取人员疏散的措施之外，也是战时防空的最重要措施之一。防空地下室结构设计的主要内容包含两方面：一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其它构件的结构设计，二是孔口防护设计，包括出人口的防护和消波系统（防护设备），其中出人口的防护包含防密闭门的选用、门框墙、临空墙的设计、出人口通道（包括风井）的设计等几个方面，而消波系统则包含爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计，那么，这些内容的结构设计与一般的结构设计有何不同呢？

第一、结构设计的可靠安全度水准可以降低；第二、考虑结构的动力响应，在快速加载的情况下，这时材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高，这对结构工作起到有利作用，例如钢材强度可提高1.15一1.5倍，对砼强度可提高1.5倍，这是在设计中考虑材料强度综合调整系数来完成的，第三、重视构造要求，人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的，故仅仅只考虑受力计算，不考虑构造措施是不合理的。

根据以上所述的结构设计的特点，我们可以确定防空地下室结构设计的一般原则，①平战结合，取控制条件，在民用建筑的人防地下室的结构设计中，一般只涉及5级或6级人防设计，结构的顶板、侧板基本上都由战时控制，而底板则因地质条件和基础型式的不同而不同；②只进行强度的验算，由于在核爆动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性的控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在防空地下室结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算；③只考虑一次核袭击；

3.人防荷载的确定

当核武器在空中爆炸冲击波传播到地表时，形成反射冲击波，因反射波是在被人射波压密和加热过的空气中传播，且压力又高，所以反射波的传播速度要比入射波快，当反射波波阵面终于赶上人射波波阵面后，则汇合成为一单一的冲击波，即合成波，合成波波阵面靠近地面部分是垂直于地面的，即合成是水平方向传播的，对抗力等级较低的防空地下室来说，所受的冲击波即为这种合成波（即地面冲击波）。防空地下室的顶板一般就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，因空气冲作用于地表，压近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，这就是侧壁和底板需考虑的问题。

本工程人防地下室防护等级为6级（级别的确定是根据国家制订的（人民防空工程战术技术要求》确定的，是由人防部门确定后发文予设计单位），采用全埋式现浇钢筋混凝土人防地下室，各部位等静荷载取值分别为：

3.1顶板

地下一层外墙为350厚钢筋砼挡土墙，故应计人上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响，等效静荷载标准值q=55KN/ m2。

3.2侧墙

上部建筑物为抗震设防的框架一剪力墙结构，故应放人上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响，根据本工程地质条件，人防地下室侧壁范围内分别有非饱和土及饱和土，取其加权平均值，并考虑周围基坑支护的阻隔作用，故地下室侧壁等效静载荷标准值q=45KN/m2。

3.3底板

本工程采用桩基础，当核爆荷载q作用于顶板时，荷载随板、梁、柱传至桩上，因人防设计时不考虑地基承载力和地基变形，由q产生的荷载由桩承受，上部荷载不经底板传递；地下室底板的等效静荷载值25KN/ m2，且应考虑水浮力对底板的荷载效应。底板的强度验算应以q等效静荷载与常年地下水浮力组合值进行设计，在这点上笔者认为：有别于筏板基础或箱基础底板。

3.4门框墙

所受荷载由两部分组成，一是直接作用在墙上的荷载qe= 200KN/ m2，；二是由门扇传来的等效静载标准值，分别按门扇的型号、大小计算确定。

3.5临空墙

依工程实际情况和规范表4.5.7取其等效静荷载标准值为110KN/ m2。

3.6隔墙

隔墙分两种，一是相邻防护单元间隔墙的设计压力值为50KN/ m2；二是6级人防地下室与普通地下室相邻间的隔墙，其普通地下室一侧的设计压力选用值为90KN/ m2。

其它各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均由规范中有关规定选用，当所有构件的等效静荷值确定后，即可进行结构计算。

4.荷载组合和内力分析

作用在防空地下室结构上的荷载，应包括核爆动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等，规范中对防空地下室不同部位应考虑的荷载组合给出了一个表格，结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目，本工程各个部位参与组合的荷载分别为：

4.1顶板

顶板核爆动荷载标准值，顶板静荷载标准值。

4.2侧墙

竖向考虑顶板传来的核爆动荷载标准值、静荷载标准值，上部建筑物自重标准值（仅有局部剪力墙部位），外墙自重标准值。横向考虑核爆动荷载产生的水平动荷载标准值、土压力、水压力。

5.孔口防护和平战兼顾

孔口防护包含三部分的设计内容：一是防护密闭门与消波系统的设计，二是出人口通道内临空墙、门框墙的设计，三是孔口其它构件，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，其中第二、三条中的临空墙、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钢筋，而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，但需注意的就是因平时使用时需要的出人口通道均较宽，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，而使水平筋过大，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型式，得到较为经济的设计效果.风井的设计中只计算土中压缩波的压力，对空气冲击波则不予考虑，因两者不会同时作用。开敞式通道更不考虑核爆动荷载，只考虑静土侧压力，而防倒塌栩架的设计分竖向和横向两项，竖向力即为倒塌荷载50KN/ m2，属静载，横向力即动压设计值q由《规范》第4.5.10条确定，这两项受力作用时间存在间隔，故不考虑同时作用，下面主要谈谈第一条的设计内容。当空气冲击波到达出口通道时，虽然有通道出人口的扩散作用，但遇墙体和门的反射作用使作用在门上的总效应大于空气冲击波的压力，约为2.0一3.5倍。为方便工程设计人员，国家将防密门进行系列化处理，依据设计压力和门洞尺寸就可选择定型的防密门。

而消波系统的产生是因为滤毒通风设备所能承受的允许压力远小于空气冲击波，若其防护措施不能与主体抗力相适应，将直接影响整体工程防护能力。消波系统的基本思想是以堵为主，堵消结合，堵就是采用防爆波活门将冲击的大部分阻挡在室外，消就是使从活门孔进人的少量冲击波通过扩散室的膨胀作用削弱其压力，使其进人内部的压力不超过设备的允许压力，规范表4.9.1给出了消波系统选择表，可按抗力等级与允许余压值予以确定，一般由防爆活门及扩散室组成，防爆波活门的选用和扩散室各部分尺寸的确定均可能在《规范》中找到相应的表格和公式得到落实。这项工作在设计过程中既可由结构专业完成，也可由建筑、通风专业完成。

扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙，墙面本身受的荷载及活门传来荷载均按临空墙荷载取值，扩散室与土相邻的顶底板及外墙按土中压缩波压力确定荷载。

平战兼顾设计是深人贯彻“平战结合”建设方针一个重要环节，由于人防工程是战时遭受敌袭击时作为保障城市居民生命安全和坚持工作的一种具有特殊功能要求的建筑物，因此它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》第4.8条中对此点作了指导性的规定，所以具体做法应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件综合研究确定。

6.结束语

总之，认为平战转换设计的基本原则是：（1）工程平战用途相近；（2）转换工作要小；（3）孰一次设计，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。今后，这方面的话题，本人还将不断积累经验和探索下去。