惠州市人防工程设计院有限公司 516001
摘要：随着社会经济的不断发展，城市建设和人防建设不断结合。防空地下室设计是工程建设中经常会遇到的问题。它的荷载确定、内力分析和结构设计都具有自身的特点。防空地下室作为建筑的一部分，它的平时用途也越来越广泛。因此在结构设计中也经常会遇到防空地下室的平战转换设计问题。协调好防空地下室在平战两种状态下的不同使用要求，已成为结构设计中的一个重要课题。
关键词：人防地下室；结构设计；平战转换设计
引言
随着现代建筑经济的迅猛发展，建筑行业也呈现出前所未有的繁荣的景象，但是建筑的大量兴建同时也给各级城市土地的带来了贫乏的缺陷，所以高层建筑和地下建筑如今成为必然的发展趋势。根据建筑行业规范要求，高层建筑一定要设计地下室，有地下室就无法避免的需要设计人防工程，同时地下建筑更是需要人防工程，所以人防工程在于现代是越来越重要。从政府的决策与力度也就看出人防工程在建筑工程未来发展过程中是最为重要性，为此很有必要将人防工程的设计做以下的整理、总结、规范。
一、人防地下室结构设计方法
1.1人防工程结构的设计特点
与普通地下室相比，防空地下室结构设计的主要特点是要考虑战时规定武器爆炸动荷载的作用。武器爆炸动荷载属于偶然性荷载，荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。暴露于空气中的防空地下室结构构件，如高出地面不覆土的外墙、不覆土的顶板、口部防护密闭门及门框墙、临空墙等部位直接受空气冲击波的作用。其它埋入土中的围护结构构件，如有覆土的顶板、土中外墙及底板等，则直接受土中压缩波的作用。此外防空地下室内部的墙、柱等构件则间接承受围护结构及上部结构爆炸动荷载作用。
防空地下室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，二是孔口防护设计，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破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抗震设计有何不同呢？
一般结构抗震设计方法通常为“三水准、二阶段”的设计方法，设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。为实现设防目标取小震下地震动参数计算结构弹性下的地震作用效应，进行截面承载力验算。第二阶段是大震下的结构弹塑性变形验算。并通过概念设计和抗震构造措施来满第三水准的设计要求。
人防结构设计的动力分析一般采用等效静荷载法：由于在动荷载作用下，结构构件振型与相应静荷载作用下挠曲线很相近，且动荷载作用下结构构件的破坏规律与相应静荷载作用下破坏规律基本一致，所以在动力分析时，可将结构构件简化为单自由度体系，用动力系数乘以动荷载峰值得到等效静荷载，这时结构构件在等效静荷载作用下的各项内力就是动荷载作用下相应内力的最大值。按等效静荷载分析计算的模式代替动力分析，给防空地下室结构设计带来很大方便。采用等效静荷载分析时，为满足抗力要求，结构材料参数应乘以材料强度综合调整系数。最后结构构件在动荷载作用下的变形极限用允许延性比[β]来控制。按允许延性比进行弹塑性工作阶段的防空地下室，即可认为满足防护和密闭要求。
人防设计与抗震结构设计的设计原则一样：
结构应尽可能有足够的延性，避免脆性破坏，钢筋砼结构构件均应采取“强柱弱梁”“强剪弱弯”的设计原则。
各结构构件抗力相协调的原则，避免出现薄弱部位。防空地下室的结构，应充分考虑各部位作用荷载值不同，破坏形态不同以及安全储备不同等因素，保证在规定的动荷载作用下，结构各部位（如出入口和主体结构）都能正常地工作，防止由于存在个别薄弱环节致使整个结构抗力明显降低。如果某个部位失效，将导致整个人防区失效。同样抗震设计也十分强调避免出现薄弱环节（如薄弱层，软弱层等），因为大震时薄弱层或软弱层出失效将导致建筑物倒塌，产生严重后果核武器与常规武器爆炸均属于偶然性荷载，具有量值大，作用时间短且不断衰减的特点，结构构件承受动荷载时已经处于弹塑性工作阶段，因此，结构构件具有较大的延性，对吸收动能，抵抗动荷载是十分有利的。人防结构设计时，构造上应采取“强剪弱弯” “强柱弱梁”“强节点弱杆件”的设计原则。如可充分利用受弯构件和大偏心受压构件的变形吸收武器爆炸动荷载作用的能量，以减轻支座截面的抗剪与柱子抗压的负担，确保结构在屈服前不出现剪切破坏和屈服后有足够的延性，最终形成塑性破坏，提高结构的整体承载能力；又如受弯构件应双面配筋，对承受动荷载作用下可能的回弹和防止在大挠度情况下构件坍塌十分重要，另外在节点区应有足够的抗剪、抗压能力和足够的钢筋锚固长度。上述这些措施和抗震设计的原则是一致的。
1.2人防工程结构设计的原则
防空地下室设计必须贯彻“长期准备、重点建设、平战结合”的方针，并应坚持人防建设与经济建设协调发展、与城市建设相结合的原则。对于防空地下室的位置选择、战时及平时用途的确定，必须符合城市人防工程规划的要求。同时也应考虑平时为城市生产、生活服务的需要以及上部地面建筑的特点及其环境条件、地区特点、建筑标准、平战转换等问题，地下、地上综合考虑确定。对于人防工程的结构设计，其原则主要有：
（1）防空地下室的主体结构、出入口部、孔口和防护设备等应根据防护要求和受力情况做到各个部位抗力相协调，防止出现由于局部破坏而影响主体结构的防护密闭性。
（2）城市地下空间结建式人防工程的开发，多是以经济利益为主，常常忽略人防工程的出入口防倒塌问题，多数出入口设置在建筑物倒塌范围之内，有的甚至没有采取防倒塌和堵塞措施，也没有进行战时防倒塌和堵塞的转换设计。这些对战时人防工程出入口构成了安全隐患，需要设计时合理布局出入口。
（3）防空地下室结构在满足设计抗力的前提下，对钢筋混凝土结构构件应采用“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的设计原则进行设计。
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（4）防空地下室应充分利用受弯构件和大偏心受压构件的变形来吸收核爆冲击波的能量，以减轻支座截面的抗剪与柱子抗压的负担，确保结构在屈服前不出现剪切破坏和屈服后有足够的延性，最终形成塑性破坏，而不是脆性破坏，从而提高结构的整体承载能力。（5）受弯构件应双面配筋。双面配筋对承受核爆动荷载作用下可能的回弹和防止在大挠度情况下的构件坍塌十分重要。
（6）人防地下室外墙为一侧与室外岩土接触，直接承受土中压缩波作用，另一侧为防空地下室内部的墙体。顶板与外墙之间二者刚度接近时，外墙上部可近似按固定端与铰支之间的支座情况考虑；底板刚度远大于外墙时，外墙下部支座可视作固定端，各构件之间支座条件应相互协调一致，需注意配筋及构造应与实际受力状况相符。
二、结构设计的注意事项和控制方法
地下室工程的结构设计需综合考虑防火、使用功能、人防要求，设备用房及管道、排水通风等专业的配合。拿到一个地下室首先看看平面布置，确定地下室的例如地下室的长度超过设计规定时，需确定是否设置变形缝。通常不设变形缝，因为设置变形缝会使变形缝处的防水处理变得复杂。通常我们的做法是主楼与单层地下室之间设置沉降后浇带，在单层地下室之间每30~40米设置一道伸缩后浇带。后浇带宜设在与高层建筑相邻裙房的第一跨内。当需要满足高层建筑地基承载力、降低高层建筑沉降量、减少高层建筑与裙房间的沉降差而增大高层建筑基础面积时，后浇带可设在距主楼边柱的第二跨内并且要满足并且要满足地基基础规范的8.4.20.2条的几项条件。后浇带宜曲折通过。
2.1地下室底板
对于单层地下室一般采用平板式筏型基础，板厚350~500mm，柱下设置下柱墩来满足柱对筏板的冲切，主楼部分的地下室筏板厚度以满足筏板冲切要求来控制，一般取50mm左右一层。
底板计算采用JCCAD计算，。在板有限元计算中，划分单元格是尤其重要的事，应尽量避免出现异性板单元，这样的计算结果才是比较合理，比较接近实际情况的，特别是对于一些底板平面不规则，有角度存在的情况时，加辅助线是非常有效的。
2.2地下室外墙结构设计
地下室的外墙是结构设计的重点，在设计时应注意以下要求：
荷载
地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室顶板传来的重量及自重。水平荷载包括侧向水压力、侧向土压力和人 防等效静荷载，其中起控制作用的是侧向水压力和土压力以及人防等效静荷载。地下室外墙的土压力为静止土压力，静止土压力系数取0.500。
外墙计算模型
外墙计算采用理正工具箱计算。
计算分两种情况：对于单层地下室部分，外墙按竖向单向板计算较为安全，取1m宽板带，采用上端简支，下端以地下室底板作为固定支座，两边自由的支撑条件按连续梁模型计算。此时侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配，这方面问题在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。对于主楼为剪力墙结构的地下室外墙，垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块可按双向板计算配筋，采用上部与两侧均为简支，底部固支的双向板计算模型。
外墙的裂缝控制宽度在0.2mm以内，其配筋量往往由裂缝控制。
另外，特别要注意的一点是剪力墙如兼做地下室外墙（临空墙）[隔墙]时，剪力墙身的竖向钢筋与横向钢筋同地下室外墙（临空墙）[隔墙]的竖向钢筋和横向钢筋，两者取大值。
2.3地下室顶板
地下室顶板厚度按GB50038-2005，最小厚度200mm（另根据防护单元功能还需满足最小防护厚度要求，见GB50038-2005 3.2.2及3.2.3条），混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。对于我们现在通常的做法是以地下室底板作为上部结构的嵌固层，上述几个构造要求还是满足的。
在覆土厚度1.20m，活荷载为5.0KN/m2时，对于常用的5.5x8.1米及6.6x8.1米的柱网布置，通过对加次梁，板厚250及不加次梁大板结构，板厚300的两种结构形式的经济性比较。由于人防计算时，顶板计算分两种工况考虑，按人防工况时，顶板变形可按塑性考虑，配筋量大大降低，同时在平时工况时，顶板按弹性考虑，两种情况取包络设计。这样一来，在含钢量方面，在板短跨小于6.6米时，大板结构的含钢量略小于次梁结构，而在板短跨大于6.6米后，加次梁结构含钢量小于大板结构。在设计中我们应该根据具体的柱网选择经济合理的结构布置。
对于地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，应按JGJ3-2010高层建筑技术规范第10.4节采取错层处提高一级抗震等级等构造措施来加强抗震设计。为避免形成错层，现在我们通常的做法是将单层地下室与主楼相连的一跨做成斜板，使单层地下室顶板与主楼顶板高差小于600mm，这样可认为顶板是连续的，可传递水平力的。
2.4保护层和垫层厚度
《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）对防水混凝土结构规定：结构厚度不应小于250mm；裂缝宽度不得大于0.2mm，并不得贯通；迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm。防水混凝土结构底板混凝土垫层，强度等级不应小于C15，厚度不小于100mm，在软弱土层中不应小于150mm。工程实践表明如果结构厚度或迎水面钢筋保护层厚度小于规范限值常常是引起渗漏水现象的常见原因。
结束语
人防地下室作为人防工程的重要组成部分其重要性已经无需累赘，无论什么时候我们都要做好人防工程建设工作。但是，由于人防地下室的结构设计是一个比较复杂的工程系统，要涉及到方方面面，既要考虑其自身的特点，还要考虑到国防与平时的不同需要，而且缺少电子计算机软件的辅助，因此目前的人防地下室结构设计还存在着一些问题，需要我们不断总结经验，深入研究，这样设计水平才能得到很大的提高。
参考文献：
[1]袁正如.地下室外墙结构设计中的问题探讨.地下空间与工程学报.2013.04
[2]王翼忠.高层建筑地下室结构设计中的若干问题.河北建设科技与勘察设计.2011.09
[3]王年桥 防护结构计算原理与设计南京：工程兵工程学院2013.04
论文作者:吴和荣
论文发表刊物:《建筑细部》2018年1月中
论文发表时间:2018/8/13
标签：地下室论文; 荷载论文; 人防论文; 结构论文; 构件论文; 外墙论文; 结构设计论文; 《建筑细部》2018年1月中论文;