淺談人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

淺談人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)人防工程結(jié)構(gòu)具有振動(dòng)性、動(dòng)靜荷載等效性、工作狀態(tài)的塑性、防護(hù)密閉性、平戰(zhàn)兼顧性等特性設(shè)計(jì)要求，只有充分理解這些特性，把握人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)原則，掌握人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，才能把人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好。

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展以及社會(huì)各界對(duì)城市地下空間開發(fā)利用的重視，地下人防工程建設(shè)的規(guī)模和總量不斷增大，建設(shè)水平不斷提高，對(duì)廣大人防工程設(shè)計(jì)人員也提出了更高的要求。由于人防工程與地面建筑工程有一定的區(qū)別，具有其特殊性，這就要求工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)掌握必備的人防專業(yè)知識(shí)，才能很好的勝任人防工程設(shè)計(jì)任務(wù)。以下就筆者多年來(lái)對(duì)人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的體會(huì)，從人防工程的結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)內(nèi)容這幾個(gè)方面，談一下自己的心得體會(huì)，供同行參考。

一、掌握、理解好人防工程的結(jié)構(gòu)特性是關(guān)鍵

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，許多設(shè)計(jì)人員沒有經(jīng)過(guò)人防專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，多數(shù)人是在工作的過(guò)程中接解到人防工程的，他們?cè)谀７潞妥詫W(xué)中完成了人防工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。由于沒有掌握、理解好人防工程的結(jié)構(gòu)特性，所做出設(shè)計(jì)文件往往達(dá)不到人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，因此掌握、理解好人防工程的結(jié)構(gòu)特性是做好人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，人防工程歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)特性。

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的振動(dòng)性

人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均按非直接命中計(jì)算，所受爆炸動(dòng)荷載屬于偶然性荷載，具有量值大，作用時(shí)間短且不斷衰減等特點(diǎn)，這就造成了結(jié)構(gòu)加速度大，引起結(jié)構(gòu)不斷振動(dòng)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所受力不斷從正面到反面交換變化，正是基于此，人防構(gòu)件（比如人防頂板、人防墻體、人防主要出入口樓梯）強(qiáng)調(diào)雙層雙向配筋和設(shè)置拉結(jié)筋的構(gòu)造要求。

2、動(dòng)靜荷載等效性

在動(dòng)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件振型與相應(yīng)靜荷載作用下?lián)锨€很接近，且動(dòng)荷載作用下的破壞規(guī)律與相應(yīng)靜荷載作用下的破壞規(guī)律基本一致，所以在動(dòng)力分析時(shí)可將爆炸動(dòng)荷載轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的等效靜荷載。但也應(yīng)當(dāng)注意到，由于是等效靜荷載，結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的是動(dòng)荷載，在動(dòng)荷載的作用下材料特性有別于靜荷載，在靜荷載的基礎(chǔ)上，混凝土及鋼筋均有一個(gè)材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)如HRB335級(jí)鋼的綜合調(diào)整系數(shù)為1.35,混凝土C55及以下為1.50，混凝土的彈性模量是靜載時(shí)的1.2倍，鋼材的彈性模量與靜載時(shí)相同。有的設(shè)計(jì)人員沒有注意到、理解到這個(gè)特性，在計(jì)算人防工程的主體結(jié)構(gòu)時(shí)，沒有對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算結(jié)果不經(jīng)濟(jì)、合理。

3、工作狀態(tài)的朔性

防空地下室只考慮一次承受核（常）武器爆炸作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只要求主體結(jié)構(gòu)能承受短時(shí)間的爆炸偶然荷載，結(jié)構(gòu)變形和裂縫開展均不作要求，可不進(jìn)行驗(yàn)算，防空地下室的工作狀態(tài)要求較地面建筑的低，其工作狀態(tài)可以達(dá)到朔性狀態(tài)。規(guī)范（GB50038-2005）第4.6.2規(guī)定“在常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載或核武器爆炸動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)均可用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的允許延性比[β]表示。人防工程的[β]一般取值為3，通過(guò)充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)較大的朔性變形，來(lái)達(dá)到消耗核（常）爆炸動(dòng)荷載的目的。正是基于此，規(guī)范4.2.2條規(guī)定“防空地下室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不得采用冷軋帶肋鋼筋、冷拉鋼筋等經(jīng)冷加工處理的鋼筋”，保證構(gòu)件的最大延性。

4、防護(hù)密閉性

人防工程防護(hù)密閉性體現(xiàn)在：戰(zhàn)時(shí)不僅能承受核（常）爆炸荷載作用，也能防早期核輻射、抵御毒氣、生化武器的侵入，保證人防工事內(nèi)人員的安全。有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮到結(jié)構(gòu)的防護(hù)安全性，沒有注意到密閉性的要求，針對(duì)一些戰(zhàn)時(shí)和平時(shí)都沒有受到荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（比如說(shuō)些密閉墻體），結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)及配筋量達(dá)不到規(guī)范的最低要求，更有甚者，把一些有密閉性要求的墻體設(shè)成了磚砌筑墻體。

5、平時(shí)功能和戰(zhàn)時(shí)功能的兼顧性

防空地下室設(shè)計(jì)必須貫徹“長(zhǎng)期準(zhǔn)備、重點(diǎn)建設(shè)、平戰(zhàn)結(jié)合”的方針，在平面布置、結(jié)構(gòu)選型、通風(fēng)防潮、給排水和供電照明等方面，應(yīng)采取相應(yīng)措施使其在確保戰(zhàn)備效益的前提下，充分發(fā)揮社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。平時(shí)功能要求各建筑分區(qū)連通、連貫，洞口較多，而戰(zhàn)時(shí)功能要求防護(hù)密閉性，各洞口必須密閉。這要求平時(shí)用的洞口，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須采取相關(guān)技術(shù)措施，確保其在戰(zhàn)前能快捷、安全地實(shí)現(xiàn)平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換，滿足工程戰(zhàn)時(shí)的防護(hù)密閉要求。

二、人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在充分理解人防工程結(jié)構(gòu)特性后，遵循人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，做好人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要有以下幾條：

1、甲類防空地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載和核武器爆炸動(dòng)荷載的分別作用，乙類防空地下室應(yīng)能承受常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的作用。對(duì)常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載和核武器爆炸動(dòng)荷載，設(shè)計(jì)時(shí)均按一次作用。

2、防空地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)防護(hù)要求和受力情況做到結(jié)構(gòu)各部位抗力相協(xié)調(diào)。

3、防空地下室結(jié)構(gòu)在常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載或核武器爆炸動(dòng)荷載作用下，其動(dòng)力分析均可采用等效靜荷載法。

4、防空地下室結(jié)構(gòu)在常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載或核武器爆炸動(dòng)荷載作用下，應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載力；對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展以及地基承載力與地基變形可不進(jìn)行驗(yàn)算。

5、對(duì)乙類防空地下室和核5級(jí)、核6級(jí)、核6B級(jí)甲類防空地下室結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過(guò)臨戰(zhàn)時(shí)實(shí)施平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換達(dá)到戰(zhàn)時(shí)防護(hù)要求。

6、防空地下室，應(yīng)根據(jù)其上部建筑在平時(shí)使用條件下對(duì)防空地下室結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)取其中控制條件作為防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

三、人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：防空地下室防護(hù)類別及抗力等級(jí)的確定、防空地下室荷載取值、組合及內(nèi)力分析、防空地下室主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)、防空地下室口部設(shè)計(jì)、防空地下臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、防空地下室構(gòu)造設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

3.1、防護(hù)等級(jí)及類別的確定

防空地下室按承受核爆炸動(dòng)荷載與否來(lái)劃分成甲類和乙類；按抗力級(jí)別來(lái)劃分為核4級(jí)、核4B級(jí)、核5級(jí)、常5級(jí)、核6級(jí)、核6B級(jí)、常6級(jí)；按戰(zhàn)時(shí)用途劃分成：專業(yè)隊(duì)員掩蔽部、醫(yī)療救護(hù)站、二等人員掩蔽所、人防物資庫(kù)、人防汽車庫(kù)等。人防地下室的類別及防護(hù)等級(jí)由當(dāng)?shù)厝朔乐鞴懿块T根據(jù)國(guó)家的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況在方案評(píng)審時(shí)提出并定防護(hù)等級(jí)和工程類別。

3.2、防空地下室荷載取值、組合及承載力設(shè)計(jì)

防空地下室荷載取值一般有公式計(jì)算法和查表法兩種方法。

3.2.1公式計(jì)算法

甲類防空地下室核爆炸荷載取值按公式計(jì)算法可按規(guī)范第4.4-4.6節(jié)公式按下列順序進(jìn)行。

ΔPmΔPmsΔPhΔPcqe

式中ΔPm―核武器爆炸地面空氣沖擊波最大超壓，根據(jù)抗力級(jí)別直接選用。

ΔPms―核武器爆炸地面空氣沖擊波最大超壓計(jì)算值。

ΔPh―核武器爆炸土中壓縮波的最大壓力值。

ΔPc―核武器爆炸地面空氣沖擊波作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的動(dòng)荷載。

qe―核武器爆炸地面空氣沖擊波作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的等效靜荷載。

甲、乙類防空地下室常規(guī)武器爆炸荷載取值按規(guī)范附錄B公式計(jì)算按下列順序進(jìn)行。CΔPcmΔPchΔPcqe

式中C―等效TNT裝藥量（kg），按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定取值。

ΔPcm―常規(guī)武器地面爆炸空氣沖擊波最大超壓值。

ΔPch―地面空氣沖擊波在深度h（m）處感生的土中壓縮波最大壓力

ΔPc―常規(guī)武器地面爆炸空氣沖擊波作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的動(dòng)荷載。

qc―常規(guī)武器地面爆炸空氣沖擊波作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的等效靜荷載。

3.2.2查表法

為了便于設(shè)計(jì)人員快速、便捷取等效荷載值，規(guī)范第4.7節(jié)和4.8節(jié)分別列出了各類人防結(jié)構(gòu)構(gòu)件在核（常）武器作用下的等效靜荷載值。特別注意的是，列表所給的等效靜荷載值，是在特定的條件下按照公式計(jì)算得出，如果不符特定條件，不能直接取用表中所提供的數(shù)值。

3.3荷載組合及內(nèi)力分析

無(wú)論核武器爆炸荷載或是常規(guī)武器爆炸荷載，均作偶然荷載參與組合。規(guī)范第4.9.1條規(guī)定：甲類防空地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按下列第1、2、3款規(guī)定的荷載（效應(yīng)）組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，乙類防空地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按下列第1、2款規(guī)定的荷載（效應(yīng)）組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)取各自的最不利的效應(yīng)組合作為設(shè)計(jì)依據(jù)。其中平時(shí)使用狀態(tài)的荷載（效應(yīng)）組合應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1、平時(shí)使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載；

2、戰(zhàn)時(shí)常規(guī)武器爆炸等效靜荷載與靜荷載同時(shí)作用；

3、戰(zhàn)時(shí)核武器爆炸等效靜荷載與靜荷載同時(shí)作用。

規(guī)范4.9節(jié)用列表形式給出了各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載組合情況。

其承載力設(shè)計(jì)應(yīng)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式:

1.0*(1.2SGK+1.0SQK)≤R(3.3-1)

R＝R(fcd,fyd,aK,……)(3.3-2)

3.4、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)包括人防基礎(chǔ)、人防底板、人防墻（柱）及人防頂板等外圍結(jié)構(gòu)。目前許多專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)軟件技術(shù)成熟，只要在結(jié)構(gòu)模型上輸入正確的等效靜載，就能計(jì)算得出人防基礎(chǔ)、底板（梁）、頂板（梁）的配筋值。需要說(shuō)明的是，荷載組合和內(nèi)力分析是基于戰(zhàn)時(shí)極限承載能力狀態(tài)，規(guī)范也注明了防空地下室戰(zhàn)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載力，對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展不進(jìn)行驗(yàn)算。但是，人防地下室一般埋深較深，地下水豐富，平時(shí)使用時(shí)對(duì)變形及裂縫要求較高，戰(zhàn)時(shí)荷載比平時(shí)荷載大得多，戰(zhàn)時(shí)極限承載能力滿足平時(shí)極限承載能力要求，戰(zhàn)時(shí)[β]=3，而平時(shí)的正常使用極限狀態(tài)[β]≤1，基于此，筆者建議，在用戰(zhàn)時(shí)荷載與靜載組合驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)的極限承載力前提下，用平時(shí)荷載驗(yàn)算外圍結(jié)構(gòu)（對(duì)防水防潮要求高部件）的平時(shí)使用極限狀態(tài)，確保防空地下室平時(shí)的正常使用。

3.5、人防口部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人防口部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括門框墻配筋、臨空墻、密閉墻、擴(kuò)散室墻體、人防門扇（有標(biāo)準(zhǔn)圖集，只需選用），各種豎井壁、車道、人防主要出入口樓梯等的配筋。人防口部是人防結(jié)構(gòu)工程的薄弱部位，所受荷載力很大是人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，弄清楚各部件的受力狀態(tài)是關(guān)鍵。

人防門框墻按懸臂構(gòu)件來(lái)考慮，其上除了作用有核爆均布荷載外，還有門扇上傳來(lái)的線集中荷載。這兩個(gè)荷載很大，為了改善其受力狀態(tài)，當(dāng)門洞邊墻體懸挑長(zhǎng)度大于1/2倍該邊邊長(zhǎng)時(shí)，宜在門洞邊設(shè)梁或柱。應(yīng)該注意到，人防門框墻主要承受水平力作用，受力筋應(yīng)按是懸臂構(gòu)件來(lái)設(shè)置，而在用一些專業(yè)軟件建模計(jì)算時(shí)，將門框墻體按短肢剪力墻進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致人防門框墻水平鋼筋成了約束邊緣構(gòu)件筋，這是不對(duì)的。

人防墻體（包括外圍護(hù)墻體、臨空墻體、擴(kuò)散室墻體、防護(hù)單元間墻體）一般按下端固結(jié)，上端鉸支，左右兩邊自由的單向板進(jìn)行計(jì)算。只要截面厚度符合規(guī)范要求，荷載取值正確，一般不會(huì)出現(xiàn)大多問(wèn)題。

在對(duì)各種豎井壁配筋計(jì)算時(shí)，許多人認(rèn)為井壁側(cè)壓力與爆炸荷載同時(shí)作用，而爆炸荷載比側(cè)壓力大得多，所以井壁截面計(jì)算應(yīng)以爆炸荷載考慮為主。其實(shí)經(jīng)過(guò)土壓的傳播，側(cè)壓力與爆炸荷載有個(gè)時(shí)間差，計(jì)算配筋時(shí)只需考慮在側(cè)壓力作用下，豎井壁安全就行了。

車道和人防主要出入口樓梯配筋計(jì)算。作為戰(zhàn)時(shí)主要出入口，戰(zhàn)時(shí)有人員和車輛的出入，車道和出入口樓梯應(yīng)按人防荷載計(jì)算和相關(guān)的構(gòu)造措施。應(yīng)注意到的是，這只對(duì)戰(zhàn)時(shí)主要出入口有要求，次要出入口及其他出入口就沒有這方面的要求。

3.6、臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換一般是針對(duì)平時(shí)使用，戰(zhàn)時(shí)不用的各類洞口。搞好臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要理解臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換的含義。人防工程要平戰(zhàn)兼顧，為了滿足平時(shí)要求而大量設(shè)計(jì)洞口的臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換是不可取的。臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換有技術(shù)上及時(shí)限上的要求，所以規(guī)范規(guī)定“采用平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換的防空地下室，應(yīng)進(jìn)行一次性的平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。實(shí)施平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足轉(zhuǎn)換前、后兩種不同受力狀態(tài)的各項(xiàng)要求，并在設(shè)計(jì)圖紙中說(shuō)明轉(zhuǎn)換部位、方法及具體實(shí)施要求?！泵總€(gè)防護(hù)單元的臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換不宜超過(guò)兩個(gè)。再次要分受力方向各類型，臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換一般分為單元外及單元間兩種類型，對(duì)于單元外類型的，預(yù)埋構(gòu)件應(yīng)設(shè)在受力的外側(cè)方，而對(duì)于單元間類型的，由于相鄰兩個(gè)防護(hù)單元受到破壞的機(jī)率相同，兩外受力的機(jī)率也相同，所以預(yù)埋件一般在兩防護(hù)單元間洞口的中央設(shè)置。

3.7、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

由于人防工程結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)性、塑性、防護(hù)密閉性等特性，人防工程的執(zhí)行的構(gòu)造要求比普遍工程要嚴(yán)格得多，只有這樣才能保證戰(zhàn)時(shí)功能要求。設(shè)計(jì)上主要出現(xiàn)的問(wèn)題可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度達(dá)不到最小厚度要求。有些設(shè)計(jì)人員只注重于結(jié)構(gòu)計(jì)算，一旦計(jì)算通過(guò)就認(rèn)為萬(wàn)事大吉，結(jié)構(gòu)計(jì)算通過(guò)只保證結(jié)構(gòu)受力的安全性，殊不知人防工程還有防早期核輻射的功能，只要同時(shí)滿足于結(jié)構(gòu)計(jì)算和防早期核輻射的構(gòu)件厚度，才是安全的構(gòu)件厚度。

2、結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置。有些設(shè)計(jì)人員只考慮到地面建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范上的要求，隨意在人防地下室中設(shè)置各種縫忽略了人防地下室內(nèi)不可設(shè)縫的要求，造成人防工程的戰(zhàn)時(shí)防護(hù)密閉性得不到保障；

3、由于人防地下室振動(dòng)性及塑性,防空地下室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其縱向受力鋼筋的錨固長(zhǎng)度