人防工程設計與抗震的一些思考

彭曾

【摘要】隨著我國社會主義經濟建設的不斷發展以及城市化建設的強力推進，人民防空工程建設的規模和數量得到了極大的提升，但近年來地震頻發，對部分老舊人防工程的建筑物、構筑物造成了巨大的破壞，本文結合現代人防工程抗震設計概念和力學基本原理，對災區建筑設計中存在的部分問題進行了一定的探討。

【關鍵詞】抗震；人防工程；抗震設計

一、前言

人民防空工程也叫人防工事，是指為保障戰時人員與物資掩蔽、人民防空指揮、醫療救護而單獨修建的地下防護建筑，以及結合地面建筑修建的戰時可用于防空的地下室。在人民財產與安全受到威脅的時候提供保護的保護所，在設計方面要求嚴格。而地震往往引發大量的災害，對建構筑物等造成各種各樣的破壞。世界上130余次大地震的統計表明，90～95%的人員傷亡是因建、構筑物倒塌所致的，故學術界很多人認為，地震災害的主要屬性是土木工程災害，而在以往，傳統觀點認為土木工程是受害者。土木工程災害的形成機理是：“不當的選址，不當的知識，不當的設計、不當的施工，不當的材料，不當的使用”導致土木工程不能抵御可能荷載作用而導致土木工程的失效乃至破壞，最終形成社會的災害。

以汶川地震為例，部分人防建構筑物的優異表現說明：在強震下建造破壞程度不大甚至基本完好的建構筑物是可能的。工程設計應遵循“適用、安全、經濟、美觀”的原則，設計不但對工程造價起著控制性作用，對結構安全性也起著控制性作用。個人災區考察印象表明，70%的工程震害與設計有關，這里隱含兩方面：1、大量受損破壞的建筑缺少正規的、合理的設計，特別是在廣大農村地區，農民自建房無設計，結構體系薄弱，無基本抗震措施，破壞極其嚴重；事實上，災區總體震害情況表明，嚴格按照現行抗震設計規范設計的建筑，破壞程度較輕；2、抗震設防標準偏低，由于歷史原因，89抗震規范之前，災區很多建筑的抗震設防基本烈度僅為6度。

二、人防工程抗力設計分類

人防工程按抗力等級劃分，可分為1、2、2B、3、4、4B、5、6、6B等9個等級，工程可直接稱為某級人防工程，一般主體結構分為砌體結構、鋼筋混泥土結構，現在城市中基本已經全部要求使用鋼筋混泥土結構。

根據以往災區情況反映，以砌體結構為主的設計倒塌破壞嚴重，除了缺少圈梁、構造柱等基本抗震構造原因外，還習慣采用幾乎無任何拉結措施、缺少整體性的預應力空心板樓、屋蓋有關，所以預制板端的構造處理是不能滿足抗震的基本構造要求的。底框結構底層和過渡層的破壞較為嚴重，其破壞固然和框支層與上部各層砌體結構剛度，存在一定突變有密切關系，但實際中也與存在一些不合理的設計和考慮有關。采用PKPM系列軟件進行分析，需要設計人員在方案階段及施工圖中考慮和保證結構布置及其質量的均勻性問題。而鋼筋混凝土框架結構總體抗震性能表現良好，震害焦點集中在很少有框架出現“強柱弱梁”的屈服機制，塑性鉸往往在框架柱上出現，少數發生節點破壞，其原因除了箍筋設置不到位甚至漏設導致混凝土無約束，在強震荷載作用下個別框架柱因軸壓比較大、被壓潰外，還有目前的設計方法還不能確實保證“強柱弱梁”屈服機制的實現。對于整澆框架結構，板對梁剛度的影響還無法準確考慮，而在梁配筋設計時沒有考慮板配筋帶來的抗彎強度增大效應。在目前的設計規范中，僅對一級抗震等級框架要求按實際配筋來校核以滿足“強柱弱梁”的設計要求，對于其它抗震等級還只是按內力計算結果來進行系數調整予以處理，由于鋼筋直徑的不連續性，梁或多或少存在一定的鋼筋超配現象。在框架結構施工中，由于長期慣性的影響，加之施工技術人員缺乏學習和鋼筋驗收過程中缺乏認真的監督管理，梁柱節點處鋼筋的搭接、錨固處理存在很多不合理的地方，特別是在邊柱和頂層邊柱節點處，梁柱縱向鋼筋之間的錨固和搭接長度不足，直接導致通常通過構造措施予以保證的節點區斜截面抗彎強度不足，大大影響框架結構的抗側剛度和承載能力。筆者認為，這也是導致單跨框架抗震能力不好的重要原因之一（在單跨框架結構中，上述不當節點處理導致的影響更大）。

三、人防工程內值得探討的幾個設計問題

1、人防工程中樓梯設計的影響

樓梯在結構中實際存在一定程度的支撐作用，導致梯板拉斷，據此，很多專家認為：在人防結構抗震設計中應計入樓梯實際存在的支撐效應影響，該精神業已反映在了修訂后的抗震設計規范（2008年版）內。個人以為，在目前情況下，將樓梯構件直接輸入結構計算模型進行分析，并根據計算結果對樓梯進行配筋，是缺乏操作性和不必要的。原因為：（1）在現行PKPM系列軟件中，輸入樓梯構件進行計算分析有困難；（2）根據計算結果設置的樓梯板配筋數量大，其配筋往往是超筋的；（3）梯板裂而不斷時，震后是可供人員暫時疏散使用的，而且樓梯構件損壞一般并不會導致主體結構坍塌；（4）工程中樓梯間布置往往是非對稱的，其設計剛度或支撐效應太強，必然引起結構質心與剛度中心的嚴重偏離；（5）將樓梯構件作為支撐構件進行設計，若不對其它抗側力構件采取必要的內力調整措施，必然大幅削弱其它構件的抗側力承擔的地震荷載，可能降低整個結構的抗震能力或安全儲備，目前對與此相關的調整措施還缺少研究。

個人建議采用下述方法予以考慮：（1）將樓梯構件作為耗能構件考慮，在強震作用下，允許較早進入彈塑性狀態，構件本身不直接輸入結構模型參與計算； （2）梯板配筋采用延性較好、屈服強度較低的一級鋼筋，提高其變形能力，確保地震作用下裂而不斷，一般情況下，當主體結構不發生特別巨大的變形時，達到此目的是容易的；（3）按充分利用強度要求增加板底鋼筋在支座處的錨固長度，以控制受拉屈服位置位于梯板跨中區段。

2、樓板的作用

抗震設計對樓板的要求，一般是由構造規定的。事實上，通過樓板的聯系和支撐作用，縱、橫兩方向的抗側力構件形成相互支撐關系。一般地，抗側力構件在平面外的剛度和抗側及抗彎能力一般很小，有時往往可以忽略不計，縱橫方向的抗側力構件，通過樓板提供的鏈桿作用對與其垂直方向的抗側力構件提供支撐作用，確保抗側力構件的平面外穩定。災區有很多采用橫墻承重方案的磚混結構，橫墻為240墻，而非承重縱墻采用120墻。此種做法違背了上述相互依存原則，地震作用首先輕而易舉地將抗側能力極差的120墻（高厚比大，荷載作用下容易失穩）擊潰，縱墻破壞后，橫墻失去僅有的平面外支撐，繼而失穩最終導致建筑整體脆性倒塌。

四、地震帶給地震工程設計的啟示和思考

（1）在世界上130次巨大的地震災害中，90%～95%的傷亡是由于建筑物倒塌造成的。因此，建、構筑物能否抗御大地震的襲擊，是能否把地震災害損失降到最低的關鍵所在。

（2）地震危險性分析宜著眼于準確確定地震斷裂帶的位置，以便在工程建設中采取足夠的避讓和其它抗震設防措施。設計中應嚴格遵守規劃要求的對斷裂帶的避讓距離要求。

（3）我國目前各地基本設防烈度與行政區掛鉤的方法是不科學的，從根本上講，地震不是行政行為。故目前的地震區劃有根據地震危險性、斷裂帶分布情況、地形和地貌等影響地震破壞程度的因素，進行深化和改進的必要，設防烈度劃分有必要細化至鄉鎮。

總之，我們還不能阻止地震的發生。不過我們可以通過確定地震危險區、修建更安全的建筑物、普及防震知識等來有效減輕地震對人類的危害。

五、結束語

“以史為鏡，可以明智”，地震災害帶來的設計啟示很多，本文不可能一一列舉，這里拋磚引玉，并提出一些個人看法，愿我們能在教訓和經驗中成長。