上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司 趙寒青

根據(jù)2001年建設(shè)部出臺(tái)的《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》及2014年上海市出臺(tái)的《上海市地下空間規(guī)劃建設(shè)條例》的政策導(dǎo)向，地下空間結(jié)合人防工程建設(shè)為平戰(zhàn)結(jié)合以發(fā)揮地下工程綜合效益的研究勢(shì)在必行。本文旨在深度挖掘大量現(xiàn)存非設(shè)防地下室戰(zhàn)時(shí)防護(hù)常規(guī)武器的潛能，以便更高效地利用現(xiàn)有工事對(duì)人民群眾進(jìn)行戰(zhàn)時(shí)防護(hù)。本文采用ANSYSAUTODYN軟件建立地下車庫(kù)有限元模型并開展數(shù)值模擬。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果制定非人防地下空間生存概率區(qū)域劃分原則，建立地下空間標(biāo)準(zhǔn)模型，提出了根據(jù)生存概率劃分非人防地下室戰(zhàn)時(shí)安全等級(jí)的理論。研究結(jié)論亦可用于指導(dǎo)新建非人防地下工程，具有較大的戰(zhàn)略意義。

一、研究背景

建設(shè)部1997年頒布《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》，標(biāo)志著我國(guó)城市地下空間開發(fā)利用進(jìn)入了嶄新的階段。2014年上海市出臺(tái)《上海市地下空間規(guī)劃建設(shè)條例》，對(duì)上海地下空間建設(shè)提出了更規(guī)范的要求，地下空間結(jié)合人防工程建設(shè)為平戰(zhàn)結(jié)合、為發(fā)揮地下工程綜合效益提供良好的范例。

本文從各類型地下空間兼顧防空需求進(jìn)行可能性分析，在模型分析基礎(chǔ)上提出各類型安全區(qū)域劃分的概念，通過分析上海市現(xiàn)狀地下空間形態(tài)，研究現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中常規(guī)武器空氣沖擊波侵入地下空間的特點(diǎn)，建立地下空間標(biāo)準(zhǔn)模塊模型并建模計(jì)算分析地下空間的防護(hù)潛能問題。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，提出非人防地下空間相對(duì)安全區(qū)域劃分的理念，并給出標(biāo)準(zhǔn)化模塊劃分示意圖，用于指導(dǎo)非專業(yè)人員在臨戰(zhàn)情況下快速識(shí)別和選擇相對(duì)安全的區(qū)域進(jìn)行掩蔽。

二、計(jì)算假定

1）基于概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

2）定性分析與定量分析相結(jié)合的研究方法

3）常規(guī)武器非直接命中

4）等效T N T裝藥量C（○密參數(shù)隱）

5）人體所能承受最大沖擊波超壓值參考美國(guó)輕傷標(biāo)準(zhǔn)（○密參數(shù)隱）

6）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30

三、計(jì)算分析

1）計(jì)算條件：

a）非人防地下室出入口不設(shè)置防護(hù)門，按照無(wú)垂直遮擋進(jìn)行分析。

b）出入口橫斷面積F1=12㎡，出入口高度3m。

c）假定工程內(nèi)部面積為2000㎡，層高3.7m（按小區(qū)隔），出入口處等效直徑D=1.128F1=1.128×12=3.9m，工程內(nèi)部橫斷面積F2=40×3.7=165㎡。

2）計(jì)算理論

當(dāng)空氣沖擊波從小截面洞室傳入大截面洞室時(shí)強(qiáng)度將減小。激波管中的長(zhǎng)時(shí)間作用的脈沖強(qiáng)度基本與洞室截面積的平方根成正比，國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)證明當(dāng)小截面洞室與大截面洞室面積比小于0.01時(shí)，有如下線性關(guān)系：

?P2=F1F2?P1

其中F1F2=12165=0.0727

令?P2=0.016MPa代入上式得

?P1=0.22MPa

參考規(guī)范GB50225○密（公式隱）L為

爆心至敞開口距離（m）

3）直通式出入口計(jì)算

0.22=0.55×3.9-0.17×L-0.48

解得：L=4.2m

4）單向式出入口計(jì)算

0.22=0.42×3.9-0.43×L-0.35

解得：L=1.19m

5）穿廊式出入口計(jì)算

0.22=0.31×3.9-0.58×L-0.33

解得：L=0.25m

上述計(jì)算模型均為理想模型狀態(tài)下距開口端一定距離的理論計(jì)算。

現(xiàn)針對(duì)上述三種典型開口形式，利用ANSYSAUTODYN軟件建立有限元模型，并開展數(shù)值模擬；采用AUTODYN里的2D Multi-material算法，建立了TNT炸藥在空氣中爆炸的二維模型（圖1）。在AUTODYN里建立相應(yīng)的三維模型，將第一步計(jì)算得的爆炸作用采用remap映射到三維有限元模型中。

a）直通式出入口模塊

圖1 TNT在空氣中爆炸二維模型

圖 2 直通式出入口三維模型

橘色部分代表空氣自由場(chǎng)，設(shè)置了flow-out邊界。計(jì)算得出不同時(shí)間的模型的應(yīng)力分布云圖如圖3(a)-3(e)所示，從壓力云圖中可以看到壓力波的傳播過程。根據(jù)距爆心不同距離處的超壓-歷史曲線如圖4所示，可以看到各壓力曲線均有明顯的升壓段、降壓段和負(fù)壓段，且最終均穩(wěn)定于大氣壓值。各壓力曲線均有波動(dòng)，距離爆心11～21m處各測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)更為明顯，這是因?yàn)檫@些測(cè)點(diǎn)位于出入口通道內(nèi)，而通道內(nèi)壁面狹窄，壓力波在壁面間來(lái)回地入射與反射。此外，從超壓歷史曲線還可以看出，壓力值在進(jìn)入地下室后有較為明顯的降低。

由圖5和表1可以看出超壓峰值隨著傳播距離的增大而減小，距爆心20～22m間的超壓峰值有一個(gè)顯著的下降，這是因?yàn)閴毫慕孛孑^小的出入口傳入截面較大的地下室時(shí)壓力產(chǎn)生突變式衰減。從表中可知，距離地下室入室門2m處（距離爆心23m）的超壓峰值為0.017MPa，故只要在地下室入口2m外，地下室內(nèi)部是安全的。

圖3帶直通式出入口地下室的壓力分布云圖

圖4帶直通式出入口地下室的超壓歷史曲線

圖5帶直通式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表1 帶直通式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

b）單向式出入口

圖 6 單向式出入口三維模型

建立單向式出入口的地下室三維模型（如圖6所示）。由計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的模型的壓力分布云圖和超壓歷史曲線分別如圖7和圖8所示。由圖9和表2可知，超壓先隨著距爆心的等效距離的增大而減小，然后在距爆心16m處突然增大（這是由于壓力波傳播至通道端部受到了墻體的反射作用），隨后超壓又明顯減弱（因?yàn)閴毫Σㄔ谕ㄟ^90度拐彎的通道時(shí)壓力波會(huì)衰減）。同樣地，壓力波從截面通道傳入大截面地下室后，壓力波也發(fā)生衰減。超壓在距離地下室入室門1m處（距爆心等效距離為22m）的超壓峰值為0.0166MPa，故只要在入室門1m的范圍外，地下室內(nèi)部是安全的。

圖7帶單向式出入口地下室的壓力分布云圖

圖8帶單向式出入口地下室的超壓歷史曲線

圖9帶單向式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表2 帶單向式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

c）穿廊式出入口

建立穿廊式出入口的地下室的三維模型，如圖10所示。由計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的壓力分布云圖和超壓歷史曲線分別見圖11和圖12，從超壓歷史曲線可以看出同前所述的一些規(guī)律。

圖 10 穿廊式出入口三維模型

圖11帶穿廊式出入口地下室的壓力分布云圖

圖12帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

圖13和表3則給出了帶穿廊式出入口地下室的不同測(cè)點(diǎn)的超壓峰值。從圖13和表3可以看出，超壓峰值隨著距起爆點(diǎn)等效距離的增大而增大，分別在等效距離為14～18m和20～22m發(fā)生明顯降低，前者是由于壓力在三岔路口向轉(zhuǎn)90度傳播時(shí)發(fā)生了衰減，后者則是由于從小截面洞室傳向大截面洞室造成的。超壓在地下室入室處已經(jīng)低于0.016MPa，故整個(gè)地下室內(nèi)部是安全的。

圖13帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表3帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

由前述可知，在避開出入口一定范圍內(nèi)，地下室是安全的。從圖14中可以看出，對(duì)于地下室而言，采用上述三種出入口的安全性的排序?yàn)榇├仁?單向式>直通式。

圖14帶不同形式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

四、安全等級(jí)區(qū)域劃分示意圖

根據(jù)以上研究結(jié)論，結(jié)合工程實(shí)例，給出如下區(qū)域劃分示意圖及標(biāo)準(zhǔn)模塊劃分示意圖，用于較為直觀地指導(dǎo)人民群眾戰(zhàn)時(shí)疏散掩蔽。

圖15.1 直通式出入口非直接命中區(qū)域劃分示意圖

圖15.2 單向式出入口非直接命中區(qū)域劃分示意圖

圖15.3 穿廊式出入口非直接命中區(qū)域劃分示意圖

五、結(jié)論及建議

1）研究結(jié)論

a）直通式出入口理論計(jì)算得出的安全距離為4.2m 。

b）單向式出入口理論計(jì)算得出的安全距離為1.19m 。

c）穿廊式出入口理論計(jì)算得出的安全距離為0.25m 。

2）指導(dǎo)建議

a）工程建設(shè)在有條件的情況下應(yīng)盡量采用單向式出入口，以便更大限度地發(fā)揮非人防地下室戰(zhàn)時(shí)防常規(guī)武器非直接命中下的潛能。

b）建議人員掩蔽時(shí)避開直通式出入口或敞開口垂直對(duì)應(yīng)區(qū)域。

c）建議人員掩蔽時(shí)避開地下工程內(nèi)部有柱子及內(nèi)部隔墻兩米范圍內(nèi)區(qū)域。

d）建議平時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)合防火規(guī)范，在消防疏散通道和疏散間設(shè)置混凝土墻體，提高戰(zhàn)時(shí)防護(hù)能力，使之成為安全屋。

六、未來(lái)展望

隨著新時(shí)代戰(zhàn)技戰(zhàn)術(shù)形勢(shì)的變化，精確打擊已不可避免?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)于常規(guī)人員掩蔽并未考慮精確打擊情況，這方面內(nèi)容有待進(jìn)一步研究。

通過上述計(jì)算分析可以看出，現(xiàn)存大量的非人防地下室擁有著很大的戰(zhàn)時(shí)防護(hù)潛能。本課題研究給出了非直接命中工況下的區(qū)域劃分規(guī)則，將來(lái)可根據(jù)此結(jié)論指導(dǎo)人防地下室進(jìn)行安全區(qū)域劃分，以便更好地適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的特殊性。

本論文研究結(jié)論正在申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。