淺談人民防空地下室結構設計

余然

鄭州大學綜合設計研究院有限公司（450000）

淺談人民防空地下室結構設計

余然

鄭州大學綜合設計研究院有限公司（450000）

介紹了防空地下室的基本概念、結構設計方法及設計要點。

防空地下室；結構設計；梁板式；無梁樓蓋

隨著經濟建設的快速發展，高層、超高層建筑在全國各地拔地而起，地下停車庫、地下商場等地下建筑大量興建，人防工程建設逐步走向與城市建設相結合的道路。特別在經濟發達的地區和城市，繁華的商業地段成為地下空間開發的熱點和焦點，其地下空間的利用離不開以防災救災為目的的人防工程。人防工程是戰時掩蔽人員、物資以及保護人民生命和財產安全的重要場所，也是實施人民防空最重要的物質基礎，對促進城市建設和經濟發展，增強城市的綜合防護能力具有重要作用。

人防工程按戰時使用功能不同可分為指揮通信工程、醫療救護工程、防空專業隊工程、人員掩蔽工程和配套工程五大類。人防工程的抗力等級用以反映其能夠抵御敵人核、生化和常規武器襲擊能力的強弱，抗力等級按防核爆炸沖擊波地面超壓的大小和不同口徑常規武器的破壞作用劃分。人防工程的抗力等級一般劃分為常6級、常5級、核6級、核5級和核4級。防空地下室結構設計時根據不同抗力等級對應的結構條件選取相應的等效靜荷載標準值進行計算。

與普通地下室設計相比，防空地下室結構設計有以下特點：

1）要考慮戰時核爆動荷載的作用;核爆動荷載屬于偶然性荷載，具有量值大、作用時間短且不斷衰減等特點。

2）應同時滿足平時和戰時兩種不同荷載效應組合。附建式的防空地下室結構是整個建筑結構體系的一部分,不僅要滿足戰時的抗力,而且應滿足平時使用的結構要求。所以在人防地下室設計中，需要對平時和戰時兩種不同工況分別計算，取其最大配筋值。

3）鋼筋混凝土結構構件可按彈塑性工作階段設計。靜載作用下，構件一般按彈性設計。在核爆動荷載作用下，構件即使進入塑性屈服狀態，只要動荷載引起的最大變形不超過允許最大變形，在瞬間動荷載作用消失后，由于阻尼影響，其振動變形將不斷衰減，最后達到靜止平衡狀態，此時，結構雖然出現一些殘余變形，但仍具有承載能力。由于構件在塑性階段可比彈性階段工作吸取更多的能量，因此可充分利用材料潛力。對于鋼材強度可提高1.15～1.5倍，混凝土強度可提高1.5倍。這是通過考慮材料強度綜合調整系數來實現的。

4）只進行強度驗算,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，因而在設計中，不必再單獨對結構構件的裂縫與變形進行驗算。

5）在核爆動荷載作用下，地基承載力有較大提高，安全系數也可取較低值。在瞬間荷載作用下,一般不會產生因地基失效引起的結構破壞。因此在核爆動荷載作用下，可不驗算地基承載力和地基變形。

人防地下室結構設計整體計算仍采用PKPM空間有限元分析設計SATWE模塊，構件計算有PKPM輔助設計工具箱（用于計算人防外墻、臨空墻、隔墻等）和理正人防設計軟件包（用于計算頂板、底板，外墻、臨空墻、內隔墻、門框墻等）。

了解了人防結構設計的特點及相關設計軟件后，下一步要做的就是確定人防結構構件計算所需的荷載值。防空地下室起圍護作用的結構構件如人防頂板、土中外墻、臨空墻及基礎底板等，是直接承受沖擊波作用的構件，內部的墻、柱等構件則間接承受核爆沖擊波的作用。

防空地下室頂板一般采用梁板式和無梁樓蓋兩種結構形式。無梁樓蓋整體抗震性能較差，當人防地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，或柱網區格內長短跨之比大于1.5，以及頂板標高變化較多時，均不宜選用無梁樓蓋結構形式。防空地下室結構頂板，一般都由人防荷載起控制作用。以常見的甲類核6級防空地下室為例，頂板的等效靜荷載標準值可按人防規范表4.8.2取值。頂板的等效靜荷載除與防空地下室的抗力級別有關外，還與頂板覆土厚度、頂板區格最大短邊凈跨有關。假設覆土厚度1.0 m，柱網尺寸8.1 m×8.1 m，采用井字梁，頂板區格最大短邊凈跨按3.0≤lo≤4.5考慮，頂板等效靜荷載取值70 kN/m2，考慮上部建筑影響按括號內數據（65 kN/m2）取值。確定頂板厚度時，除了滿足人防規范表4.11.3的最小厚度要求外，還應滿足規范中表3.2.2-1、3.2.2-2防早期核輻射的最小防護厚度要求。如果不滿足最小防護厚度要求，應在頂板上面覆土，覆土的厚度不應小于最小防護厚度與頂板防護厚度之差的1.4倍。

防空地下室土中外墻的等效靜荷載標準值，當不考慮上部建筑影響時，可按人防規范中表4.8.3-1、表4.8.3-2取值；當考慮上部建筑影響時，應按本規范第4.4.7條的規定乘以相應的放大系數。對于甲類核6級防空地下室，假設側壁外側為非飽和、可塑黏性土，則外墻的等效靜荷載取值為40 kN/ m2；如果側壁外側為飽和黏性土的話，則外墻的等效靜荷載取值為55 kN/m2。防空地下室外墻除了進行核爆等效靜荷載計算以外，還應驗算平時土壓力、水壓力作用下的裂縫大小。

防空地下室戰時是個封閉的空間，人員必須通過人防口部的密閉門進出，因此人防地下室門框墻計算也很關鍵。如果門洞邊長大于或等于2倍墻體懸挑長度，墻體按懸臂梁或牛腿計算。當不滿足上述條件時，在門洞邊設梁或設柱。當采用門洞設梁或柱的方法時，應根據相鄰臨空墻的支座及工程的具體情況，另行計算臨空墻配筋并采用相應的構造。防護密閉門上擋墻符合h2≤a/2時，采用懸臂或牛腿計算。當上擋墻符合a/2＜h2≤2 250時，5級防空地下室采用三邊固定一邊簡支的計算模式，6級防空地下室采用三邊固定一邊自由的雙向板計算模式。直接作用在門框墻上的等效靜荷載按人防規范中表4.8.7取值，應考慮抗力級別和出入口的部位，以核6級室外樓梯出入口為例，防護密閉門門框墻等效靜荷載標準值取200 kN/m2。

防空地下室臨空墻、單元隔墻、密閉隔墻（密閉隔墻不考慮受力計算）主要承受水平向的爆炸荷載作用，計算模型為單向板，下端固端，上端視頂板剛度按固端或簡支。為簡化計算，一般把頂板厚度≥墻體厚度的情況視為固端，反之為簡支。以甲類核6級防空地下室為例，臨空墻的等效靜荷載標準值按人防規范表4.8.8取值，考慮出入口部位及形式，室外樓梯出入口臨空墻等效靜荷載標準值取130 kN/ m2；相鄰防護單元隔墻等效靜荷載應區分抗力級別相同和抗力級別不同兩種情況，分別按人防規范表4.8.9-1、4.8.9-2進行取值,抗力級別相同時，核6級單元隔墻等效靜荷載標準值取50 kN/m2。

圖1 人防地下室門框墻構造

防空地下室基礎設計可不考慮常規武器地面爆炸作用，但乙類防空地下室底板設計必須符合規范第4.11節規定的構造要求。甲類防空地下室底板等效靜荷載取值應根據是否有樁基按規范表4.8.5和表4.8.15進行取值。甲類核6級非飽和土、端承樁底板設計時可以不計入人防荷載作用；當采用常見的獨立柱基加防水板底板時，底板上的等效靜荷載標準值可取25 kN/m2。

以上是對防空地下室結構設計的簡要論述，人防地下室除了計算結構構件受力，滿足防護性要求外，還應滿足基本的密閉性要求，滿足規范4.11節的構造規定。防毒通道、密閉通道、除塵濾毒室等有密閉要求的房間在施工時應一次性澆筑混凝土，不得留豎向施工縫和后澆帶。對有密閉要求的人防墻體施工時，固定施工模板的螺栓，不得加塑料套管，還應在螺栓拉桿上加設密閉環（止水片）。