摘要: 本文首先论述了防倒塌棚架在防空地下室设计中的重要性，然后介绍防倒塌棚架设计的基本理论。最后通过理论指导实践，提出防倒塌棚架设计中需注意的事项。
关键词: 防倒塌棚架 室外出入口 反射 衍射
Talking about the Design of the Collapse-proof Shed
Gong Min
Tongji University Architectural Design Research Institute（Group）CO., Ltd，Shanghai，200092
Abstract：Firstly, this paper discusses the importance of collapse-proof shed in the design of air defence basement, and then introduces the basic theory of collapse-proof shed design. Finally, through theoretical guidance and practice, the matters needing attention in the design of collapse-proof shed are put forward.
Key words: collapse-proof shed; outside entrance；reflection；interference
一 防倒塌棚架设置的必要性
防空地下室设计中，常因受限于用地红线，导致作为战时主要出入口的室外出入口与上部主体结构距离过近。在核武器爆炸冲击波作用下，上部轻质隔断墙部分或整体破坏垮塌，从而堵塞临近的主要出入口。为保障空袭后掩蔽人员、车辆、物资的及时疏散，所以要求设置防倒塌棚架。作为地下掩体与地面连通最后一环的“保护伞”，防倒塌棚架具有重要的意义。
二 防倒塌棚架设计基本理论
防倒塌棚架因其“保护伞”的作用，其自身在预定的核武器爆炸冲击波作用下首先不能破坏，所以必须采取专项设计。现行人防规范[1]中，对甲类防空地下室室外开敞式防倒塌棚架，由空气冲击波动压产生的等效静荷载，以水平向和垂直向二者区分，并按不同时作用分别计算取包络设计。
开敞式防倒塌棚架在核爆动荷载作用下，其破坏程度取决于合成波。核武器在空中爆炸时，空气冲击波传播至刚性地面，因冲击波有遇障反射的特性，形成反向传播的反射波。反射波是在被入射波压密和加热过的空气中传播，且压力又高，所以反射波的传播速度要比入射波快，当反射波波阵面终于赶上入射波波阵面后，则汇合成单一的冲击波，即合成波[2]。这种合成波在临近地表区域是垂直于地面，延水平方向传播的。对于防倒塌棚架，所承受的水平向荷载即来源于这种合成波（图1）。
图1 空气冲击波反射示意图
合成波在空气介质中传播，最终遇上障碍物。其一部分被障碍物迎爆面反射，形成反射波。剩余的部分则绕过障碍物形成衍射波。在绕射过程初期，反射超压会使障碍物产生明显的变形，因为在开始时，正面压力完全是反射超压压力，障碍物背面没有荷载。在绕射过程中，入射波与衍射波的合成波作用于障碍物侧面再次发生反射和绕射。当绕射完成时，在障碍物背部形成新的压力场，这股力场可以解释为合成波绕到障碍物侧面后再绕到背面的结果。由于整个绕射过程耗时极短，通常维持在几至几十毫秒左右，作用于整个障碍物上的净水平荷载可以认为是正面的荷载减去背面的荷载。绕射完成后，正面与背面的超压基本相当，此时净水平载荷相对较小[3]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆需要注意的是，对于不同防核武器抗力级别下，防倒塌棚架的水平等效静荷载相差很大，这主要体现在不同抗力级别下动压值的差异上。
作用于防倒塌棚架上的垂直荷载主要考虑在遭受预定冲击波地面超压作用下，上部建筑轻质隔墙倒塌后堆积在棚架顶板上的等效荷载。对于核6级与核5级，垂直等效静荷载均为50kN/m2；对于核6B级，垂直等效静荷载为30kN/m2,相差并不大。规范考虑到不同防核武器抗力级别下，上部建筑围护构件多少都会有垮塌，只是程度不同而已。
由于水平荷载作用于前，隔墙坍塌在后，即垂直荷载作用于后。对于防倒塌棚架计算时，应按不同时作用分别计算。
三 防倒塌棚架设计构造要求
1.防倒塌棚架应与上部主体结构脱开，且与主体竖向构件之间预留至少一个防震缝的宽度。另外防倒塌棚架顶板、顶板梁与地面一层顶板、顶板梁也应脱开。
2.防倒塌棚架梁、柱应避免设计成“高粱胖柱”的形式。棚架柱宜采用正方形截面，其截面尺寸：核6级时不宜大于250mm×250mm；核5级时不宜大于300mm×300mm。棚架梁跨度不宜大于2400mm，宜采用扁平梁，其截面高度不宜大于300mm。当爆炸荷载作用于混凝土立柱等柱形结构时，由于此类结构为细长型，截面尺寸很小，立柱形状会使冲击波产生绕射等作用，产生压力松弛效应，使混凝土立柱所受实际的有效静荷载与按常规结构载荷估计方法得到的设计载荷有较大区别[4]。有效减少梁、柱在水平向等效静载作用下的受荷面积是设计中需重点考量的内容。
3.防倒塌棚架柱的高度在满足建筑净高的前提下，应尽量做小。因棚架柱在水平向等效静载作用下，计算模型可简化为下端固定，上端自由的悬臂构件。减小柱高对于改善棚架柱的受力将起到决定性的作用。
4.防倒塌棚架顶板应采用水平板，不应做成有坡度的斜板或拱形板。这是为避免坡度板在水平向等效静载作用下增加棚架柱底附加弯矩。如需考虑美观，可用易破碎的轻质材料做简单的装饰；或将防倒塌棚架分段做成台阶形式（图2）。
图2 台阶形式防倒塌棚架示意图
5.檐口应按平时荷载设计，在核爆动荷载作用下，为了减轻柱的承载能力，考虑檐口被破坏，因此檐口不宜挑大，一般取300~500mm，厚度应减薄，挑檐板在下部受压区不应配筋，在其上部不应做钢筋混凝土女儿墙[5]。
6.围护构件应采用在冲击波作用下易破碎的材料构筑，不得采用设拉结钢筋的砌体隔墙。根据国外资料，对抗震的砌体结构，当地面超压为0.07N/mm2左右才倒塌[1]。考虑到在预定冲击波地面超压作用下，防倒塌棚架柱间抗震砌体不倒塌，或不立即倒塌，必然会增大核爆动荷载作用下合成波的反射，减少绕射效应，与防倒塌棚架设计基本理论相违背，对防倒塌棚架迎爆面的动荷载响应产生不利影响。
7.柱的上端钢筋应伸入边梁和顶板进行锚固，但不应伸入挑檐板板内，伸入基础的钢筋长度不应小于1000mm[5]。
五 结束语
防倒塌棚架是保证防空地下室战时发挥功能的重要组成部分。有些设计人员对其设计的基本理论认识不足，在设计过程中，出现了一些设计误区。希望能够通过本文对防倒塌棚架设计有进一步的理解和重视。
参考文献:
[1] GB 50038 – 2005，人民防空地下室设计规范[S].2005
[2] 曹继勇，张尚根 人民防空地下室结构设计[M]，北京：中国计划出版社，2006：78-95
[3] 宁建国，王仲琦 爆炸冲击波绕流的数值研究[J]，北京理工大学学报，1999,19（5）：543-546
[4] 王仲琦. 爆炸载荷作用下混凝土柱表面压力载荷特征研究[A]. 中国力学学会爆炸力学专业委员会冲击动力学专业组、北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology）.第十届全国冲击动力学学术会议论文摘要集[C].中国力学学会爆炸力学专业委员会冲击动力学专业组、北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology）:中国力学学会,2011:1.
[5] 全国民用建筑工程设计技术措施-防空地下室[S].2009
论文作者:宫敏
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/4
标签：棚架论文; 荷载论文; 冲击波论文; 反射论文; 障碍物论文; 顶板论文; 地下室论文; 《防护工程》2019年11期论文;