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摘要：人民防空是国防的重要组成部分，是经济社会发展的重要方面，防空地下室与地面建筑的有效结合，主要是为了提高人民防空工程的战备效益、社会效益和经济效益。在民用建筑设计中，一般会涉及5或6级的人民防空地下室。对其进行结构设计时，人防荷载具有重要地位，能保证设计的安全性与合理性。本文对人防工程进行简单介绍，并从多方面探讨人防地下室的结构设计，针对工程设计提出注意事项，希望能为相关工作者提供一定的借鉴。
关键词：人防；地下室；结构设计
引言
人防建设与经济社会发展相协调，随着人防建设与城市建设的不断发展，人防地下室的功能和用途更加广泛，工程规模也越来越大，同时，建设当中的问题也逐渐暴露。人防地下室既要满足平时使用功能要求又要满足战时防空袭斗争的需要，因此结构设计时要分别按平时荷载条件和战时荷载条件计算结构内力和截面配筋，既要考虑平常使用情况，平面及空间上需要达到建筑使用上的要求等，又要注意战时荷载较大，结构上较难达到大空间的要求和标准，这两者存在一定的矛盾。设计过程中合理准确的应用好各种荷载的取值规定、落实战时和平时两种状态下不同功能，对城市地下空间充分利用的现代化水平的提高以及防护能力的提高发挥积极的作用。
根据《中华人民共和国人民防空法》，国家鼓励、支持企业事业组织、社会团体和个人，通过多种途径，投资进行人民防空工程建设。人民防空工程包括为保障战时人员与物资掩蔽、人民防空指挥、医疗救护等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（即人防地下室）。人防地下室贯彻与经济建设协调发展、与城市建设相结合的原则，采取平战结合建设方针，人防地下室结合地面建筑修建、平时服务、战时防空，起到国家规定的防空用途，是保障人民防空最主要的物质基础。
1 人防工程概述
人防工程是较为特殊的地下建筑，对防护有较高的要求。根据其受到空袭威胁程度分为甲和乙两种类型。甲类人防地下室设计时必须确保核武器、常规武器和生物武器能够符合作战的
防护需要，人防地下室结构能够经受住相应等级核武器和常规武器爆炸动荷载分别作用。乙类人防地下室在设计的时候需要符合常规武器和生物武器的作战需要，人防地下室结构必须能够承受相应等级常规武器引起的爆炸动荷载的作用。按照作战的用途进行分类，分为战时指挥通讯工程、专业队工程、医疗救护工程、人员掩蔽工程、配套工程等。按照抗力级别进行划分，甲类人防地下室有核4、核4B、核5、核6、核6B 级，乙类人防地下室有常5 级、常6 级。按照战时功能区分的地下室工程类别和称谓如表1。
2 人防地下室结构设计
2.1 人防地下室结构设计内容
围护结构设计、人防口部设计、平战转换设计是人防地下室结构设计的主要内容。人防地下室顶板、底板、外墙、临空墙、人防隔墙都属于人防地下室围护结构。人防口部包括主要出入口、次要出入口、备用出入口和其他竖井。主要出入口在空袭前、后都能进行使用，次要出入口仅能在空袭前使用，备用出入口在平时是不会被使用的，只有当出现紧急情况下才进行使用。人防口部设计包括三部分，分别是设计出入口通道内临空墙和门框墙、设计防护密闭门与消波系统以及设计孔口其它构件。对临空墙、相邻单元之间的隔墙可以按照一般墙体的模型进行计算，并充分考虑到人防设计的特点。设计门框墙时，一般按照悬梁臂进行计算，但当门洞边门框墙悬臂长度过大，如悬臂长度大于该边边长的0.5倍时，在确保正常使用功能的前提下，应当在门洞边增加柱、梁，从而改善门框墙（梁、柱）的受力模型，得到理想的设计。在考虑武器爆炸动荷载作用时，人防地下室室外出入口土中通道结构按有顶盖和无顶盖两种情况区别对待，有顶盖段（如有顶盖的用于战时人员及车辆出入的汽车坡道）应按规定计入武器爆炸作用（按不同部位分别考虑空气冲击波及土中压缩波作用），无顶盖段则不必考虑动荷载考虑进来，只需要考虑静土侧压力和水压力；土中竖井设计计算时，不论有无顶盖，均不考虑空气冲击波，只需要对土中压缩波的压力进行计算即可。设计防倒塌棚架时需要考虑横向力和竖向力。竖向力属于静载，横向力属于动载。横向力和竖向力一般不会同时发挥作用，因为这两种力的发生是存在间隔的。为了方便相关人员的工作，国家在进行防护密闭门设计时，会进行一系列的处理，防护密闭门的尺寸是根据压力和门钉的尺寸确定的。在进行消波系统设计时，应当选择符合规范的尺寸，并根据公式确定合理的尺寸。扩散室是依据防空地下室的抗力等级、通风量、设备容许压力和扩散室的位置进行确定的。对于功能特殊的扩散室，需要进行严格的计算。扩散室前墙属于临空墙，所以荷载的确定依据的是墙面本身受的荷载以及活门传来的荷载。
人防地下室的设计过程应贯彻“平战结合”建设方针。人防工程是关乎人们生命财产安全的重要工程，是在战争来临时或者受到敌方的侵袭时确保人民生命安全的一项特殊建筑，所以，它所能承受的荷载较一般结构相比要大很多，同时，人防地下室对密闭性有很严格的要求，因此在设计的过程中应尽量减少结构的跨度，将各种孔口的直径缩小。但是这样的原则在实际操作过程中困难重重，因此，设计人员应发扬工匠精神，反复比对，不断改进，结合实际对建筑结构进行合理设计，最大可能的化解结构和建筑功能之间的矛盾。平战转换设计过程中需要遵循一定的原则。首先与工程平战用途类似，转换工作不能过多。其次地下室应当具备兼容性和通用性。再次，转换过程中不能耗费大量的资源，并且应当快速准确。
2.2 武器爆炸冲击波作用及人防荷载确定
常规武器和核武器爆炸动荷载的参数及计算方式不同，常规武器爆炸空气冲击波波形简化为无升压时间的三角形（作用时间较短），核武器爆炸空气冲击波波形简化为无升压时间的三角形（作用时间长）。对于常规武器或核武器作用，当上部建筑的层数不少于二 层时，其底层外墙是钢筋混凝土或砌体承重墙，且任何一面外墙的开孔面积不大于该墙面面积的一半时，又或者当上部建筑为单层，其底层外墙是钢筋混凝土或砌体承重墙，且任何一面外墙的开孔面积不大于该墙面面积的一半时，并且其屋顶采用钢筋混凝土结构时，在计算人防荷载作用时，可考虑上部建筑对常规武器地面爆炸空气冲击波超压作用的影响。当考虑上部建筑影响时，常规武器作用下，将空气冲击波最大超压乘以0.8 的折减系数，对于核武器，则作用在防空地下室上部建筑底层地面的空气冲击波超压波形可采用有升压时间的平台形（降低作用效应）。考虑常规武器在地面发生爆炸动荷载及核武器爆炸动荷载时，需要对动荷载进行相关的动力分析，设计时可通过等效静荷载法对结构进行静力计算，这样不仅确保设计的准确性，而且大大简化了设计的流程，现行《人民防空地下室设计规范》GB50038以及《防空地下室结构设计手册》RFJ04根据不同情况给出了各类构件等效静荷载取值标准。
由于动荷载在常规武器爆炸时会出现不均匀的情况，只有在均布荷载时，才能使用等效静荷载法，需要对动荷载进行均匀处理。对于全埋式防空地下室而言，需要考虑到空气冲击波的速度，将土中压缩波看作为一维波，由于防空地下室尺寸比压缩波波长小，在受力分析的时候可以假设结构受到均匀力的作用。当室外地面比防空地下室顶板要低时，高出地面会受到空气冲击波作用，由于作用时间存在差距，迎爆面的荷载要比背面大，在这种情况下可以只考虑单向作用，设计时需要将高出地面的墙面设计为迎爆面。对于出入口通道内临空墙、门框墙受到空气冲击时的最大压力值，可以参考表2。
表2 临空墙、门框墙最大压力值
2.3 荷载组合
人防地下室结构上的负载主要包括爆炸荷载、上部建筑自重、土压力、水压力和防空地下室自重。在进行结构设计的过程中，需要结合工程结构的特点选择合适的荷载组合，保证工程的质量。在荷载组合时，关键是要确定好上部建筑物自重标准值，并对上部结构进行详细说明。对于上部建筑物自重的考虑有三种情况，分别是全部考虑、考虑一半以及不考虑，在设计的过程中需要进行仔细分析依据规范条文确定。
2.4 结构动力计算
防空地下室在设计的时候与普通地下室相比，需要考虑到作战时武器爆炸动荷载的问题。爆炸动荷载是偶然性荷载，作用时间很短暂，并且会随着时间的推移而不断减少。在动荷载作用下，结构构件振型和其静荷载的挠曲线相似，动荷载作用下的破坏规律同静荷载下的破坏规律相似，因此，可以对爆炸动荷载进行动力分析时，转化为对应的等效静荷载。等效静荷载被确定之后，进行结构内力的分析，并将结构体系进行拆分，按照独自的体系进行分析即可。
单个的构件一般可以使用等效静荷载法，防空地下室由顶、底板、墙、梁和柱等构件组成，顶、底板和外墙受到外加动荷载的影响，并且峰值不同。动荷载发生作用的时间不同，变化规律也存在差异，这加大了对构件综合分析的难度。为了解决这一难题，出现了近似方法。对每个构件进行单独分析，根据分析结果确定支座的选取。由于顶板和外墙之间的刚度相近，所以可以近似为固端和铰支的支座。底板和外墙的刚度差距较大，外墙在计算的时候底板可以看做为固定端。
按照弹塑性进行结构构件设计时，可以使用允许延性比代表结构构件弹性的极限。通过构件的允许延性比表示构件处于何种工作状态。将砌体机构件的允许延性比定为1.0。对于钢筋混凝土结构构件而言，由于使用要求的不同，允许延性比不同，具体见表3。
当允许延性比小于1 时，说明构件正处在弹性的工作状态中，允许延性比与结构构件的强度、挠度和裂缝情况有关，并且能够反映出构件所处的状态，而且这种方式使用不仅简单，而且较为科学。人防结构只有发挥构件的塑性，才能实现消耗核爆炸动荷载的目的。
按照人防规范确定合理的结构构件的动力系数，动力系数可以简单的等效为单自由度体系，并通过无阻尼弹塑性体系强迫振动得出结果。在核武器爆炸动荷载下，由于受到顶板动荷载的作用，从而产生相应的反作用力。底板动荷载处在升压的时间较久，动力系数可以定为1。扩散室临空墙受到余压的作用，将其允许延性比定为1.5，按规范相关公式计算其动力系数为1.5，但由于扩散室会由于扩散的作用，从而降低动力效应，产生折减，因此临空墙动力系数定为1.3。
3 设计过程中应当注意的问题
在人防地下室结构设计之前，当地人防部门会对设计方案进行审批，查看人防地下室类型、抗力级别和规模等内容。对于不同种类、不同用途、不同规模的人防地下室，需要按照实际需要设置不同的口部，同时也需要投入不同数量的资金。人防区与非人防区划分必须清楚。非人防区指的是出入口部防护密闭门以外的全部区域。对于人防汽车库和人防物资库通常都要设置一个主要出入口，一般选择汽车坡道。凡是汽车坡道经过的区域都必须对防倒塌荷载进行充分考虑，保证安全。
如果需要查规范表得出人防结构构件的等效静荷载标准值，则有必要检查取值是否在条件范围内，对于不符合查表条件的，则必须严格按照公式进行计算。在对人防地下室顶板和外墙等效均布静荷载取值时必须考虑到建筑物的上部结构，根据上部结构进行合理取值，不能任意选取数值。
应当严格按照规范对各类人防构件进行划分。例如，除了地下室一边是竖井的情况，人防地下室与普通地下室间隔墙不能按照临空墙进行设计和计算。防护分区内的密闭墙不能按照人
防单元隔墙的标准进行设计。密闭墙不受到人防荷载的作用。对次要出入口楼梯进行设计时不能按照人防楼梯设计的要求。
4 小结
地下室是建筑结构中的重要组成部分，其安全性直接影响到整个建筑结构的稳固性。在一些高层建筑中，地下工程的造价可能会比地上造价高。地下室的位置具有特殊性，设计的过程中会存在较为复杂的问题，需要考虑的内容较多，而首当其冲的还是要按批准的人防地下室功能及抗力等级确定相应构件的人防荷载，进而对结构进行精良的设计，从而更好地发挥出地下室的效益战备效益、社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]侯鸿宾.人防地下室结构设计的问题研究[J].江西建材，2014（01）.
[2]任定树.人防地下室工程结构设计[J].中国城市经济，2011（18）.
[3]何祖荣.浅析人防地下室结构施工的技术措施[J].建材与装饰，2016（22）
论文作者:朱河明
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/25
标签：荷载论文; 人防论文; 地下室论文; 结构论文; 构件论文; 常规武器论文; 作用论文; 《基层建设》2017年4期论文;