某工程人防地下室設計若干問題探討

周志群

(陜西省建筑設計研究院710003西安)

1、工程簡介

    某房地產(chǎn)開發(fā)公司開發(fā)的××寫字樓是1棟20層(地下l層)的框架一剪力墻結構的高層民用建筑。建筑高度58.500m，地震烈度為8度，框架等級為2級，剪力墻等級為l級。地下室面積2250m2，其中含人防面積l580m2，分兩個人防單元，層高3.6m，樁基采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。

    地下室的設計中考慮人防的問題，有一個平戰(zhàn)結合的問題，即既要考慮平常使用時荷載較小，需滿足建筑使用上大空間的問題，又要考慮人防時荷載較大，結構上很難滿足大空間的問題，如何協(xié)調(diào)兩種狀態(tài)下不同的使用要求，以下講幾點筆者在人防設計方面的一些體會，以資借鑒。

2、人防結構設計的特點

    人防即人民防空，人民防空的任務是根據(jù)國防的需要，動員和組織群眾采取防護措施，防范和減輕空襲危害。除采取人員疏散的措施之外，也是戰(zhàn)時防空的最重要的措施之一。防空地下室結構設計的主要內(nèi)容包含兩方面：一是主體結構設計，包括頂板、外側墻、底板等其它構件的結構設計，二是孔口防護設計，包括出入口的防護和消波系統(tǒng)(防護設備)，其中出入口的防護包含防護密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計算、出入口通道(包括風井)的計算等幾個方面，而消波系統(tǒng)則包含防爆破活門的選用和擴散室(箱)的設計，那么，這些內(nèi)容的結構設計與一般的結構設計有何不同呢?

    第一、結構設計的可靠性可以降低，第二，考慮結構的動力響應，第三，結構構件可考慮進入塑性工作狀態(tài)，第四、材料設計強度可以提高。實驗表明，在快速加載的情況下，這時材料力學性能發(fā)生比較明顯的變化，主要表現(xiàn)為強度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結構工作起到有利作用，例如鋼材強度可提高l.2-1.5倍，對砼強度可提高1.4-1.5倍，這是在設計中考慮材料強度綜合調(diào)整系數(shù)來完成的，第五，重視構造要求，人防設計的許多構造要求是與一般的建筑設計不同的，要求更為嚴格，故僅僅只考慮受力計算，不考慮構造措施是不合理的。

    根據(jù)以上所述的結構設計的特點，我們可以確定防空地下室結構設計的一般原則，①平戰(zhàn)結合，取控制條件，在民用建筑的人防地下室的結構設計中，一般只涉及5級或6級人防設計，結構的頂板基本上都由戰(zhàn)時控制，而側墻和底板則因地下窒的結構型式的不同而由實際情況確定；②只進行強度的驗算，由于在核爆動荷載作用下，結構構件變形極限已用允許延性比的控制，且在確定各種構件允許延性比時，已考慮了對變形的限制，因而在防空地下室結構設計中，不必再單獨對結構構件的變形與裂縫開展進行驗算；③只考慮一次核襲擊；④注意各部件的協(xié)調(diào)，以免因設計控制標準不一致而導致結構的局部先行破壞，失去整個防護建筑的作用；⑤地面與地下承重結構體系要協(xié)調(diào)，不能出現(xiàn)兩者強弱相差較大的情況。

    了解了人防結構設計的特點及原則之后，我們首先就必須確定計算所需的荷載值。

3、人防荷載的確定

    如前所述，人防地下室結構設計主要考慮抵抗空氣沖擊波。當核武器在空中爆炸時，當沖擊波傳播到地表時，形成反射沖擊波，因反射波是在被入射波壓密和加熱過的空氣中傳播，且壓力又高，所以反射波的傳播速度要比入射波快，當反射波波陣面終于趕上入射波波陣面后，則匯合成為一單一的沖擊波，即合成波，合成波波陣面靠近地面部分是垂直于地面的，即合成波是水平方向傳播的，對抗力等級較低的防空地下室來說，所受的沖擊波即為這種合成波(即地面沖擊波)。防空地下室的頂板一般就直接承受地面沖擊波的超壓和負壓作用，而對于側壁和底板，因空氣作用于地表，壓迫土體并使其產(chǎn)生運動，上層土體受壓后連續(xù)向下傳遞壓力，這種土體的壓縮狀態(tài)由上向下逐層傳播過程稱為土中壓縮波的傳播，當遇到側壁或底板的阻擋后，則會產(chǎn)生超壓、動壓和負壓作用，這就是側壁和底板需考慮的問題。

    本工程人防地下室防護等級為6級(級別的確定是根據(jù)國家制訂的《人民防空工程戰(zhàn)術技術要求》確定的，是由人防部門確定后發(fā)文予設計單位)，采用全埋式現(xiàn)澆鋼筋混凝土人防地下室，各部位等效靜荷載取值根據(jù)《人民防空地下室設計規(guī)范》GB50038—94(2003年版，以下簡稱人防規(guī)范)分別為：

    ①頂板：首層外墻為局部為240mm非承重空心磚填充墻，且墻面開孔面積大于50％，故不計上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓作用的影響，等效靜荷載標準值根據(jù)頂板埋深及頂板區(qū)格短邊凈跨q=70KN／ m2。

    ②側墻：上部建筑物為抗震設防的框架一剪力墻結構，故應計入上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓值的影響，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，人防地下室側壁范圍內(nèi)分布有非飽和土，故地下室側壁等效靜載荷標準值 q=30KN／m2。

    ③底板：本工程采用樁基礎，當核爆荷載q作用于頂板時，荷載隨板、梁、柱傳至樁上，因人防設計時不考慮地基承載力和地基變形，由q產(chǎn)生的荷載由樁與底板共同承受，故小于規(guī)范中按箱形地下室底板的等效靜荷載值45KN／m2。與平時荷載作用下因樁不均勻沉降而產(chǎn)生的底板受力相比，不起控制作用，故不予考慮。

    ④門框墻：所受荷載由兩部分組成，一是直接作用在墻上的荷載q=200KN／m2。；二是由門扇傳來的等效靜載標準值，分別按門扇的型號、大小計算確定。

    ⑤臨空墻：依工程實際情況和《人防規(guī)范》表4.5.7取其等效靜荷載標準值為160KN／m2。

    ⑥隔墻：隔墻分兩種，一是相鄰防護單元間隔墻的設計壓力值為50KN／m2。；二是6級人防地下室與普通地下室相鄰間的隔墻，其普通地下室一側的設計壓力選用值為90KN／m2。

    其它各種防護密閉門、防爆波活門、擴散室的設計壓力均由《人防規(guī)范》中有關規(guī)定選用，當所有構件的等效靜荷載值確定后，即可進行結構計算。

4、荷載組合和內(nèi)力分析

    作用在防空地下室結構上的荷載，應包括核爆動荷載、上部建筑物自重、土壓力、水壓力及防空地下室的自重等，規(guī)范中對防空地下室不同部位應考慮的荷載組合給出了一個表格，結構設計時可根據(jù)各工程的結構特點結合表格確定所需進行荷載組合的項目，本工程各個部位參與組合的荷載分別為：

    ①頂板：頂板核爆動荷載標準值，頂板靜荷載標準值。

    ②側墻：豎向：頂板傳來的核爆動荷載標準值、靜荷載標準值，上部建筑物自重標準值(僅有局部剪力墻部位)，外墻自重標準值。橫向：核爆動荷載產(chǎn)生的水平動荷載標準值、土壓力、水壓力。

    ③內(nèi)承重墻(柱)：在本工程中，將平時和戰(zhàn)時的荷載值進行對比不難發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)時所增加的頂板核爆動荷載標準值小于平時各樓層的活荷載標準值之和，故此部位構件不由戰(zhàn)時條件控制。

    在進行荷載組合時，需要明確兩個問題：一是上部建筑物質(zhì)自重標準值的確定，《人防規(guī)范》的條文說明中第4．3．14條已詳細說明了各種不同的上部結構型式，在進行荷載組合時可分為全部考慮、考慮一半和不考慮三種情況，設計時應認真分析確定。二是頂板的組合中是否考慮上部建筑物的倒塌荷載值，因為倒塌荷載的作用時間滯后于沖擊波峰值作用時間，且規(guī)范規(guī)定的倒塌荷載產(chǎn)生的靜荷載值50KN／m2。小于沖擊波對頂板的等效靜荷載值，因此在頂板荷載組合中不必計入倒塌荷載值。

    在防空地下室結構的設計中，其承載力設計應采用下列極限狀態(tài)設計表達式：γ0(γGS+γQS)≤R(f，f，αk，……)(見《人防規(guī)范》第4.6.2條)，需要指出的是幾個系數(shù)的定義：γ0一結構重要性系數(shù)，取l.0；γO一等效靜荷載分項系數(shù)，取1.0；f_混凝土動力強度設計值(參《人防規(guī)范》表4.6.3)；f-鋼筋動力強度設計值。(參《人防規(guī)范》表4.6.3)

    由上式可明顯看出人防設計的特點(如前所述)，這樣與平時狀態(tài)下的內(nèi)力情況進行比較，本工程中頂板、側壁及人防區(qū)域內(nèi)構件的水平受力由戰(zhàn)時控制，底板、基礎由平時控制。求出構件的內(nèi)力和配筋后，剩下需注意的問題就只有一些構造要求了，《人防規(guī)范》第4.7節(jié)中已作了很詳細的規(guī)定，結構設計人員只需認真研究體會規(guī)范條文的條件和適用范圍，結合工程實際情況就可順利地完成人防地下室各主要構件的設計了。

    解決了主要構件的問題，人防地下室孔口防護的設計和平戰(zhàn)結合就成了剩下需研究的問題。

5、孔口防護和平戰(zhàn)兼顧

    孔口防護包含三部分的設計內(nèi)容：一是防護密閉門與消波系統(tǒng)的設計，二是出入口通道內(nèi)臨空墻、門框墻的設計，三是孔口其它構件，如風井、防倒塌棚架、開敞式通道、相鄰單元之間的隔墻等的設計，其中第二、三條中的臨空墻、相鄰單元之間的隔墻已在上節(jié)中談習了荷載的確定，設計人員可按一般墻體的計算模式，考慮人防設計的特點計算出內(nèi)力和鋼筋，而門框墻的設計一般是按懸臂梁計算，但需注意的就是因平時使用時需要的出入口通道均較寬，而戰(zhàn)時又相應較窄，這樣有可能會使門框墻的懸臂長度過長，而使水平筋過大，這種情況下，可考慮在不影響功能使用的前提下，加設柱、梁改變門框墻的受力型式，得到較為經(jīng)濟的設計效果，風井的設計中只計算土中壓縮波的壓力，對空氣沖擊波則不予考慮，因兩者不會同時作用。開敞式通道更不考慮核爆動荷載，只考慮靜土側壓力，而防倒塌棚架的設計分豎向和橫向兩項，豎向力即為倒塌荷載50KN／m2，屬靜載，橫向力即動壓設計值q，由《人防規(guī)范》第4.5.10條確定，這兩項受力作用時間存在間隔，故不考慮同時作用，下面主要談談第一條的設計內(nèi)容。

    當空氣沖擊波到達出入口通道時，雖然有通道出入I：I的擴散作用，但遇墻體和門的反射作用使作用在門上的總效應大于空氣沖擊波的壓力約為2.0~3.5倍。為方便工程設計人員，國家將防密門進行系列化處理，依據(jù)設計壓力和門洞尺寸就可輕松地選擇定型的防密門。而消波系統(tǒng)的產(chǎn)生是因為濾毒通風設備所能承受的允許壓力遠小于空氣沖擊波，若其防護措施不能與主體抗力相適應，將直接影響整體工程防護能力。消波系統(tǒng)的基本思想是以堵為主，堵消結合，堵就是采用防爆波活門將沖擊波的大部分阻擋在室外，消就是使從活門孑L進入的少量沖擊波通過擴散室的擴散膨脹作用削弱其壓力，使其進入內(nèi)部的壓力不超過設備的允許壓力，《人防規(guī)范》表4.9.1給出了消波系統(tǒng)選擇表，可按抗力等級與允許余壓值予以確定，一般由防爆波活門及擴散室組成，防爆波活門的選用和擴散室各部分尺寸的確定均可在《規(guī)范》中找到相應的表格和公式得到落實。這項工作在設計過程中既可由結構專業(yè)完成，也可由建筑、通風專業(yè)完成。擴散室前墻即安裝懸板活門的墻面為臨空墻，墻面本身受的荷載及活門傳來荷載均按臨空墻荷載取值，擴散室與土相鄰的頂?shù)装寮巴鈮Π赐林袎嚎s波壓力確定荷載。

    平戰(zhàn)兼顧設計是深入貫徹”平戰(zhàn)結合”建設方針一個重要環(huán)節(jié)，由于人防工程是戰(zhàn)時遭受敵襲擊時作為保障城市居民生命安全和堅持工作的一種具有特殊功能要求的建筑物，因此它需要承受的荷載較一般結構大幾十倍至數(shù)百倍，而且密閉要求很高，所以在設計中應盡量減小結構跨度，減少并縮小直通大氣的各種孔口，而這種處理原則，恰為平時使用造成諸多困難，《人防規(guī)范》第4.8條中對此點作了指導性的規(guī)定，所以具體做法應根據(jù)平時和戰(zhàn)時的具體要求和工程本身的實際條件綜合研究確定。

    平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設計的基本原則是：(1)工程平戰(zhàn)用途相近；(2)轉(zhuǎn)換工作要小；(3)一次設計，分兩步施工；(4)考慮兼容性和通用性；(5)轉(zhuǎn)換措施要求快速、經(jīng)濟、簡便、可靠。依據(jù)此原則，本工程在設計中，對于戰(zhàn)時封堵設計，曾考慮采用整快砼板(厚80—100mm)封堵出人口，砼板四周包有槽鋼，下部分有滑輪，可在軌道中滑動，平時滑至門邊固定，戰(zhàn)時推動大門封堵出入口，即能保證封堵效果，而且簡單、方便，不占空間，但不屬于人防戰(zhàn)時封堵的常規(guī)設計，故后改為預制砼塊，豎向拼接封堵，得到人防審批部門的認可。

參考文獻：

[1]國家標準《人民防空地下室設計規(guī)范))GB50038—94(2003年版)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)