关于人防防空工程结构设计若干问题的分析

摘要：本文通过对某工程防空地下室设计实例的分析，阐述人民防空工程结构设计的几个问题。


人民防空工程结构设计的特点
人民防空工程（以下简称人防工程）也叫人防工事，是指为保障战时人员与物资掩蔽、人民防空指挥、医疗救护而单独修建的地下防护建筑，以及结合地面建筑修建的战时可用于防空的地下室。人防工程是防备敌人突然袭击，有效地掩蔽人员和物资，保存战争潜力的重要设施；是坚持城镇战斗，长期支持反侵略战争直至胜利的工程保障。 平战结合的人防工程的设计，应满足战时的防护、平时和战时的使用与平战功能转换的要求。
人防工程结构设计的主要内容包含两方面：一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其它构件的结构设计；二是出入口防护设计，包括出入口的防护和消波系统(防护设备)，其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道(包括风井)的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆波活门的选用和扩散室(箱)的设计。
那么，这些内容的结构设计与一般的结构设计有何不同呢? 与一般民用建筑结构相比较，人防结构有以下主要特征：承受爆炸荷载、结构产生运动、材料强度提高、结构可靠度水准较低。
第一，承受爆炸荷载，承受一定距离的核（炸、炮弹）爆炸冲击波（动荷载）作用，也要考虑地上建筑物受冲击波作用破坏而产生的倒塌荷载，核武器爆炸动荷载属于偶然性荷载，具有荷载量值大，作用时间短且不断衰减等特点。
第二，结构产生运动，在爆炸荷载作用下，结构反应的基本特征是加速度，迫使结构由静止转为运动。这种爆炸荷载为动荷载。
第三，材料强度提高，在爆炸荷载作用下，材料的性能有明显的变化，主要表现为强度提高，而变形性能（包括塑性等）基本不变，对结构有利。材料的强度一般可提高20%~40%，应综合多个因素确定材料强度设计的综合调整系数，而不是单一的材料强度提高系数，参见《人民防空地下室设计规范》（gb50038-2005）（以下简称规范）4.2.3。
第四，结构可靠度水准较低，结构主要承受爆炸荷载，而这种荷载是一种偶然荷载，可按荷载效应的偶然组合进行设计。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，人防结构动荷载分项系数取1.0，从安全与经济两方面考虑，当按偶然组合验算结构的承载能力时，所采用的可靠指标允许比基本组合有所降低。人防结构设计的结构构件承载极限状态的可靠指标比一般工业与民用建筑结构构件的可靠指标低。
除以上几点，构造要求方面也是至关重要的，人防结构设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的，要求更为严格，故仅仅只考虑受力计算，不考虑构造措施是不合理的。
根据以上所述的结构设计的特点，我们可以确定人防结构设计的一般原则，①平战结合，取控制条件，结构设计中，一般只涉及核（常）5级或核（常）6级人防设计，结构的顶板基本上都由战时控制，而侧墙和底板等构件则因地下室的结构型式的不同而由实际情况确定；②只进行强度的验算，由于在核武器爆炸动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比的控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在人防结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算；③只考虑一次核袭击；④根据防护要求和受力情况做到结构各个部位抗力的协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用；⑤在满足设计抗力的前提下，使结构有较好的变形能力。
了解了人防结构设计的特点及原则之后，我们首先就必须确定计算所需的荷载值。
2. 人防结构荷载的确定及荷载组合
人防结构所承受的荷载，有静荷载和动荷载两种。静荷载的计算同一般民用结构；动荷载主要是核武器爆炸动荷载。核武器爆炸动荷载的作用方向永远与结构表面垂直。其特点是压力陡然上升到最大值，荷载大小随时间而变化。结构在这种荷载作用下，将产生加速度，引起体系振动，在工程上为了便于解决实际问题，常常把这种核武器爆炸动荷载转换成一种等效静荷载。
如前所述，人防结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。人防结构的顶板一般就直接承受地面冲击波的超压和负压作用，而对于侧壁和底板，因空气冲击波作用于地表，一面压缩土壤，使地面土壤产生一定的速度，同时，压迫土体并使其产生运动，上层土体受压后连续向下传递压力，这种土体的压缩状态由上向下逐层传播过程称为土中压缩波的传播，当遇到侧壁或底板的阻挡后，则会产生超压、动压和负压作用。
下面根据工程实例来分析人防结构核武器爆炸等效静荷载的确定。
本工程为地上十二层，地下一层；其中地下一层为防空地下室。主体结构采用钢筋混凝土框架结构。设计使用年限为50年，建筑结构安全等级二级，抗震设防烈度6度，设计地震分组为第一组，地震加速度值为0.05g；抗震设防类别为丙类；抗震等级为三级。分为一个防护单元，两个抗暴单元。战时使用功能为二等人员掩蔽，平时为标准物质库（掩蔽面积：250m2，建筑面积：471m2）,另附建筑平面图见附图-1。本工程的抗力级别为核6常6级甲类防空地下室（防空地下室的防护等级是根据国家制订的《人民防空工程战术技术要求》确定的，是由人防部门确定后发文予设计单位。）。甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用，对常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载，设计时均按一次作用。本工程不考虑上部结构影响。
结构构件各部位等效静荷载标准值(kn/m2)取值见下表2-1：
表2-1
构件
级别 顶板
(qe1) 外墙
(qe2) 底板
(qe3) 临空墙 门框墙
室外单向出入口 室外竖井、楼梯 室外单向
出入口 室外竖
井、楼梯
核6 60 60 25 160 130 240 200
常6 50 70 150 90 220 130
(注：本工程室内外高差为0.450米，故为了使结构顶板底面低于室外地平面，可采取降板措施，使顶板底面低于室外地平参见规范3.2.15。)
其它各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均由规范中有关规定选用，当所有构件的等效静荷载值确定后，即可进行结构计算。
作用在防空地下室结构上的荷载，甲类防空地下室结构应按以下规定进行组合设计：①平时使用状态的结构设计荷载；②战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用；③战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。乙类防空地下室应分别按①、②条进行设计，并应取各自的最不利的效应组合作为设计依据。常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用的荷载组合见规范表4.9.2，常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用的荷载组合见规范表4.9.3.