人防地下室結構設計要點探析

王立梅

(安徽省城建設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

1 人防地下室結構設計特點分析

人防地下室在設計選型階段必須要考慮到工程的實際用途。首先，作為人員掩蔽所建筑物，本身既要考慮到可容納的人數，同時更要考慮到一部分機動承載人數，本文選用工程案例的結構形式為框架結構。其次，相較于一般民用建筑結構，人防地下室主體結構設計時還應考慮戰時爆炸動荷載，以例在戰爭爆發時能夠有效保護掩蔽人員的人身安全。例如南斯拉夫戰爭，由于當時南斯拉夫沒有人防地下室，所以在戰時導致大量的人員傷亡。人防地下室能夠有效地應對戰時核武器、化學武器、生物武器以及其他的常規武器，而這也正是結構設計需要考慮的問題，在進行結構設計初期，要對這些武器有充分的了解。人防地下室既要考慮到日常使用的荷載，還要考慮到戰時爆炸動荷載，保證人防地下室工程在滿足平時使用的基礎上，還可以滿足戰時預定的抗力防護要求。但是由于在進行人防地下室結構設計時，無法將戰時爆炸荷載精確到具體的工程結構上，所以當前階段，在進行地下室結構設計的時候往往將戰時爆炸荷載等效為靜荷載來考慮，按照預定的防護要求，充分發揮結構構件材料潛力，降低結構可靠指標等。例如在人防結構設計中，大部分鋼筋混凝土結構構件按彈塑性工作狀態設計，再參照一般民用建筑結構設計的方法進行人防地下室結構設計。

2 人防地下室結構設計

2.1 工程概況

本文選用的工程案例為合肥市包河工業區科技創業園南麗灣小區高層建筑地下車庫項目。該項目地上為高層建筑，主要結構形式多為剪力墻結構。地下車庫2層，負二層局部按人防進行結構設計。地下室頂覆土厚度為1 500 mm,負一層結構層高4 m，負二層結構層高3.9 m。地下室總建筑面積為35 133 m2。負二層建筑面積為17 502 m2，其中人防建筑面積為10 210 m2，平時功能為小汽車庫，戰時為核6級二等人員掩蔽所。工程設計豎向標高為±0.000(絕對標高為24.900 m)。

2.2 建筑防護類別和抗力等級確定

本工程地下建筑為2層，負二層局部(6個防護單元)屬于人防地下室結構。該工程結構平時為地下小汽車庫，戰時為核6級二等人員掩蔽所，戰時防核武器等級為核6級,防常規武器等級為常6級。人防地下室結構形式為框架結構，抗震等級為2級。

2.3 工程設計荷載

工程設計荷載的確定需要根據工程現場地質構造等情況來確定。

該工程所在區域為新華夏系第二隆起帶，地質構造基底主要由變質巖系構構成，但是由于工程施工現場并沒有此斷裂帶構造，所以整個區域地質結構相對穩定。

工程施工現場地層主要是由素填土層和黏土層構成，通過前期勘察發現地下雜填土下層有上層滯水類的地下水，靜止水位在22.46～22.50 m。

綜合以上因素，結合工程概況，本工程抗震設防強度為7度，場地類別為Ⅱ類場地，地段劃分為抗震有利地段。人防地下室戰時功能等效靜荷載標準值及設計壓力值見表1。

表1 人防地下室戰時功能等效荷載標準值及設計壓力值(單位：kN/m2)

2.4 人防荷載確定

人防地下室結構設計包含兩個方面內容：

(1) 人防地下室主體結構設計，內容包括頂板、外側墻體、底板等相關構件。

(2) 地下室孔口防護設計，地下室出入口防護以及消波系統設計。前者包括選擇防護密閉門、門框墻體、臨空墻體計算、出入口通道計算以及風井計算等。地下室結構設計需要重點考慮對于空氣沖擊波的抵抗性能，在戰爭時期，如果有核武器等大規模殺傷性武器爆炸，則沖擊波在傳播到地表時會產生一定的反射沖擊波。反射沖擊在被入射波壓密以及加熱過的空氣中傳播，加之壓力較高，所以反射波的傳播速度會比入射波快，當反射波波振面與入射波振面“持平”時會形成合成波。而合成波波振面在臨近地面的時候是垂直于地面的，也就是說合成波的傳播方向是水平的，故而對于抗力等級相對較低的人防地下室而言，其受到的沖擊波即為合成波。

人防地下室頂板通常需要直接承受地表沖擊波的超壓以及負壓作用，側墻壁和底板會因為空氣沖擊波對地表的作用間接壓迫土體使之產生運動。另外，上層的土體在受到沖擊波超壓作用的時候會連續向下傳遞壓力，此時一旦遇到側墻壁或者底板的阻擋便會產生超壓、動壓以及負壓作用。因此，設計側壁結構和底板結構時必須要考慮這些問題，具體有以下幾個方面：

(1)頂板荷載。人防地下室位于負二層，地面爆炸產生的空氣沖擊波需穿過上部建筑的外墻、門洞作用到防空地下室頂板，在空氣沖擊波傳播過程中，上部建筑的外墻、門洞對空氣沖擊波產生一定的削弱作用，故此時人防地下室頂板等效靜荷載標準值取值55 kN/m2。

(2)側墻荷載。由于上部建筑物為框架剪力墻結構，所以應該考慮上部建筑物對于地面空氣波超壓值的影響，結合該工程地質狀況，側墻等效靜荷載取值為50 kN/m2。

(3)底板荷載。該工程為筏板基礎，為無樁基的防空地下室鋼筋混凝土底板，且位于地下二層，其上部為普通地下室工程，按核6級抗力級別取地下室底板等效靜荷載值50 N/m2。

(4)門框墻荷載。根據出入口的部位及形式，如頂板考慮上部建筑影響，則室內出入口、室外豎井、樓梯、穿廊出入口、室外直通、單相出入口等處的防護密閉門的門框墻等效靜荷載有所不同。

(5)臨空墻荷載。根據本工程實際情況確定等效靜荷載，根據不同位置，車道位置為144 kN/M2、樓梯和豎井位置為117 kN/m2、防護單元隔墻為50 kN/m2。

人防地下室結構設計,一方面要考慮結構構造要求對于建筑,構件最小厚度的需求，另一方面還需考慮規范對于結構構件最小防護厚度的規定。例如附壁式室外出入口的臨空墻體構造，在進行結構設計的時候，由于需要考慮到戰時防護需求，尤其是防輻射所規定的墻體厚度要大于受力設計所要求的墻體厚度，所以在進行結構設計的時候，要綜合考慮取值以滿足各種防護要求對于厚度的規定，這樣既能夠滿足受力設計要求，又能確保滿足防輻射要求。簡而言之，就是要同時滿足一般地下室建筑結構設計要求以及人防結構設計相關的規定。

人防地下室按照抗力等級可劃分為常5級、常6級、核4級、核4B級、核5級、核6級以及核6B級，對于臥置于地基上的核5級、核6級以及核6B級的甲類防空地下室結構底板構件，如果底板內力為平時設計荷載所控制，則結構設計可適當地降低底板受拉鋼筋最小配筋率，但最小配筋率不得低于0.15%。本文選用的案例由于主樓地上建筑層數在26層以上，屬于高層建筑，如果單純地使用筏板基礎是無法滿足建筑荷載要求的，所以針對這種情況可以使用樁筏聯合的基礎結構，或者使用CFG樁復合地基筏板結構形式。借助厚筏基礎設計，結構截面內力通過平時設計荷載控制，厚筏基礎不僅可以滿足最小配筋率0.15%控制要求，并且對于雙面配筋的結構底板也可省去拉結鋼筋。

3 結 論

總的來講，人防地下室結構設計不同于普通的地下室結構，它是一個綜合性要求較高的建筑項目，工程實施之前必須要對施工現場地質、水文等情況有充分的了解，結合實際情況和工程需求，從地下室結構選型、荷載確定、平戰轉換等方面入手來不斷優化結構設計，使人防地下室結構更加穩固和安全。