楊志翠

（山西省人防建筑設計研究院，山西太原 030013）

0 引言

近年來，我國的經濟快速發(fā)展，城市空間愈發(fā)緊張，較多的高層建筑在城市當中得到了建設。在此當中，對于地下空間的利用也是現(xiàn)階段城市建筑業(yè)發(fā)展的重要方向。同時，為了能夠滿足國家在人防工程方面的要求，則需要在設計當中在做好地下室用處考慮的同時做好荷載問題的考慮，保證防空地下室能夠充分發(fā)揮平戰(zhàn)結合作用。

1 結構設計要求

在人防地下室設計中，對于結構的設計主要由2 個方面內容組成：①主體結構設計，包括有外墻、底板與頂板等結構的設計。②孔口防護設計，包括有消波系統(tǒng)以及出入口的防護。其中，對于出入口的防護包括有門框墻、人防門選用、計算臨空墻以及出入口通道計算等。在實際工程設計當中，需要做好以下要求的把握：①在設計當中，需要能夠同時滿足人防地下室平時、戰(zhàn)時階段荷載效應組合方面要求，做好兼顧。②常規(guī)武器荷載作用在結構壽命期中，要做好一次作用的考慮。其具有作用時間段以及量值大的特點，是一種偶然性荷載，在發(fā)生作用之后將衰減。同時，鋼筋混凝土構件在應用中也允許開裂，也能夠以此適當?shù)慕档蜆嫾踩人絒1]。③地面存在的建筑物，對于武器爆炸以及核爆炸核輻射等都具有一定程度的削弱作用，在具體開展人防設計時要做好該方面的考慮，考慮一定的經濟性。④在人防動荷載影響的情況下，材料強度將得到提升，但塑形等變形性能卻具有較小的改變。在實際設計中，可以在材料綜合調整系數(shù)方面進行一定的改進，以此體現(xiàn)出設計需求。⑤在鋼筋混凝土構件設計當中，可以根據(jù)彈塑性開展設計工作。超靜定結構方面，可以做好塑形內力重分布的考慮。⑥在武器瞬間荷載作用，不會因地基作用受到破壞而對上部結構造成破壞。對此，在實際設計結構時則可以不進行地基變形與承載力的驗算。需要注意的是，在任何情況下都需要能夠按照計算墻柱傳遞爆炸動荷載的方式驗算構件的驗算[2]。

2 荷載取值分析

與普通地下室比較而言，在防空地下室設計中，結構設計考慮的重要內容是需對武器爆炸后形成的動荷載作用進行考慮。對于該種荷載來說，是一種偶然性荷載類型，具有作用時間短、量值大以及衰減的特征。從上部建筑影響角度考慮，如建筑層面在2 層以上，地層外墻需要為砌體承重墻與鋼筋混凝土墻。當屋頂為混凝土結構時，在計算頂板結構時則需要對上部建筑對于沖擊波產生的影響做好考慮。動力分析方面，通常情況下將使用到等效靜荷載法。受到動荷載作用影響，靜荷載作用下?lián)锨€同結構構件振型十分接近。同靜荷載作用相比，動荷載狀態(tài)下構件也具有基本一致的破壞規(guī)律。對此，在實際開展動力分析時，則可以將構件實現(xiàn)對單自由度體系的簡化處理，將動荷載峰值同動力系數(shù)相乘獲得等效靜荷載。此時，構件在等效荷載狀態(tài)下的內力就是荷載狀況下的最大內力值。根據(jù)等效荷載實現(xiàn)對動力分析的模式替代，則能夠在結構設計方面獲得較大的便利。在以等效靜荷載方式開展分析時，為了能夠對抗力方面的需求進行滿足，則需要將材料的綜合調整系數(shù)同結構材料參數(shù)兩者相乘[3]。

2.1 頂板

在頂板荷載取值方面，需考慮平時工況和戰(zhàn)時工況：平時工況，需考慮頂板的活荷載與靜荷載，要求能夠按照工程日常運行開展計算，做好結構的整體建模處理，驗算結構最大裂縫。戰(zhàn)時工況，需考慮靜荷載及爆炸等效荷載。對于該情況，主要是對頂板梁、頂板在運行當中所需要承受的豎向荷載做好控制，在計算時以第一層為目標做好內力的計算，之后以塑性極限法方式的應用進行計算分析，不需要對裂縫進行驗算，也不需要對荷載不利狀態(tài)的布置情況進行計算[4]。在以上述方式計算獲得結果后，則可以經過比較選擇其中的較大值。通常來說，防空地下室頂板主要模式有無梁樓蓋與梁板類型。其中，梁板式結構在應用中抗震性能好，也是現(xiàn)階段得到廣泛應用的結構形式。同其相比，無梁樓蓋結構具有交叉的抗震性特征，也需要能夠在處理當中做好應用把握。如地下室頂板為建筑上部的嵌固部分結構、建筑柱網(wǎng)區(qū)各當中長短跨比例在1.5 以上、頂板標高變化較多等情況，則不適合應用該種方式。但該方式也具有一定的優(yōu)點，即施工便利、難度較低，整體結構施工簡單，工期短。在現(xiàn)今人防地下室建設中，具有較大的荷載取值，因此在施工中帶來不便，包括有混凝土澆筑難度較大等，也可能導致安全隱患的發(fā)生。同時，這兩種方式在應用造價方面差距不是很大，但在無梁樓蓋結構應用中，在地下室埋設層高與深度方面更低，也因此使其能夠更好地控制工程成本[5]。

2.2 墻體

在人防地下室設計中，墻體由密閉隔墻、外墻、防護單元隔墻與臨空墻組成，其中，密閉隔墻不需要計算核武器、常規(guī)武器爆炸的水平荷載，當計入頂板傳來的豎向等效靜荷載時，密閉隔墻可按大偏心受壓構件計算，一般構造配筋即可。在戰(zhàn)時狀態(tài)下，爆炸會使臨空墻受到來自水平方向的荷載，當計入頂板傳來的豎向等效靜荷載時，臨空墻可按大偏心受壓構件計算；也可不計入豎向荷載，臨空墻近似按單向板或雙向板為計算模型，墻體下端固定，上端需要結合頂板剛度進行簡支或者固端處理，一般當頂板厚度小于墻體厚度，按上端簡支處理，當頂板厚度不小于墻體厚度，按照固端處理。門框墻是一種開孔口臨空墻，在實際計算當中，需要能夠將四周作為懸臂梁以獨立的方式開展計算。當懸臂梁長度同孔口邊長1/2 相比較大時，則需要在孔口位置設計立柱或者橫梁。在結構設計當中，通常會以單獨構件的方式計算墻體，在實際開展結構設計時，則需要能夠做好周邊構件同墻體彎矩協(xié)調狀態(tài)的細致處理，強化節(jié)點構造鋼筋，以此實現(xiàn)建筑在防護質量方面具有好的表現(xiàn)[6]。

2.3 柱與基礎

在人防地下室設計中，在靜荷載影響下，柱的承載力會根據(jù)使用材料強度的不同而發(fā)生變化，能夠提升最大1.5 倍。在戰(zhàn)時狀態(tài)當中，不需要考慮柱的活荷載，在平時狀態(tài)中，上層建筑所累積的活荷載同人防等效靜荷載相比較大。獨立基礎底板方面，在處于非飽和土的情況下，則需要以一般要求開展設計活動，需要能夠以此為基礎做好人防等效靜荷載作用的結合，提升建筑材料強度，在嚴格按照設計規(guī)范的基礎上驗算結構承載強度[7]。

2.4 確定人防荷載

在設計防空地下室結構時，最需要考慮的一項問題即抵抗戰(zhàn)爭狀態(tài)下的空氣沖擊波。一般情況下，地下室頂板在該狀況下需要直接受到地上沖擊波超壓、負壓作用的影響。地板、側壁方面，沖擊波存在也會對地產生壓力，使得地面在受壓迫的情況下發(fā)生運動，建筑上層土體也會受到壓迫影響向下傳遞較大的壓力。對于壓力在土體當中從上到下傳遞的過程，即是土中壓縮波的傳播過程。在此當中，如果該壓縮波受到建筑結構如側壁、地板的阻攔，則將會形成負壓、超壓等情況，作為設計人員，需要能夠對底板、側壁的荷載情況進行充分考慮[8]。

在具體設計工作中，需要能夠嚴格按照標準要求明確地下室的抗力級別，規(guī)范查表、強化計算，做好確定無樁基底板、頂板的人防荷載。在此當中，在具體人防荷載構建時，對于武器的爆炸動荷載作用要以大值的方式強化控制。在受到動荷載作用影響的情況下，結構構建振型在靜荷載情況下具有相似的撓曲線，且兩者結構構建具有相近的破壞規(guī)律，作為設計人員，需要能夠做好等效靜荷載方式的使用，在對不同構件等效靜荷載值完成確定后，再進行相應的結構計算工作。

3 主要構件設計

3.1 局部地下室

在局部地下室結構設計當中，作為設計人員可以在需要計算房間做好人防荷載的施加，而對于不需要計算荷載的房間，則可以通過人防荷載為零的方式進行處理。相關程序在計算當中，構件將形成人防工況效應。對于存在人防參與的組合，在實際設計配筋時，程序將自動實現(xiàn)材料強度綜合調整系數(shù)的執(zhí)行，調整最小配筋率。而對于人防荷載不參與組合的情況，程序則不會對材料強度調整次數(shù)進行執(zhí)行，也不會調整最小的配筋率。局部人防結構方面，對于同人防荷載相比具有較遠位置的構件，雖然在設計構件時已經對人防組合進行了考慮，但在人防參與的情況下，所計算的配筋面積并非是最大的，不會在此當中起到控制的作用[9]。

3.2 外墻設計

在防空地下室結構設計當中，外墻參與組合的荷載包括有上部建筑自重、水壓力、等效靜荷載、地面活荷載、外墻自重與土壓力等。外墻配筋方面，主要是由同墻面垂直水平荷載形成的彎矩所決定的，在實際設計當中，通常不需要對豎向荷載的組合壓彎作用進行考慮，單純根據(jù)墻板彎曲做好配筋的計算即可。地下室外墻方面，也可以結合支承情況以單向板、雙向板的方式對荷載彎矩進行計算。在地下室當中，具有不等的墻間距，對此，在實際設計中則需要能夠將基礎底板、樓板作為外墻支點開展計算。在設計當中，對于外墻可以應用連續(xù)梁模型做好對內力的計算，在外排位置設置外側豎向筋。同頂板較為相似，對于處于外墻外側位置的豎向筋，也可以按照非貫通筋同貫通筋交錯的方式進行布置。在外墻選筋時，可以按照細直徑與大密度間距的方式進行處理，保證最大間距在200mm 以內，這對于裂縫控制具有十分積極的意義[10]。

3.3 底板設計

對于無樁基底板，當反力沒有對水的浮力進行計算時，人防荷載則不會同水壓力進行組合。在地基反力中將水浮力計算到其中時，則需要做好水壓力同人防荷載的組合。在實際設計當中，對于無樁基底板，可以使用專門的電算軟件分析內力，而對于存在樁基的底板，則可以根據(jù)定量板類似建模，根據(jù)倒樓蓋算法進行處理。在軟件使用中，可以在有限元計算中做好上部結構人防荷載的讀取。在實際工作當中，需要做好多層與局部人防情況的考慮。以JCCAD 軟件為例，在筏板有限元與基礎梁板彈性地基計算模塊中即可以計算基礎人防。在程序當中，可以將頂板等效靜荷載作為荷載進行輸入與計算，將其同在基礎連接樓面房間均布面荷載做好作用考慮，以樓面荷載導算的方式在墻體構件、人防荷載作用中進行處理。在具體計算基礎時，可以做好這部分墻、柱人防荷載的讀取。同時，可以在基礎底面位置反向作用底板等效荷載[11]。

4 結構細化配合

在具體進行人防結構設計時，做好設計的配合細化處理也十分關鍵，這也將直接關系到結構的設計質量。具體來說，需要能夠做好以下方面內容的把握：①細化人防方案。在做好方案制定的基礎上，需要結合其他專業(yè)要求做好對方案的細化處理。要以使用功能為基礎，根據(jù)一定面積在防護單元中做好對抗爆單元的劃分。以人防口部位置的設計為例，這是人防工程當中地表同地下室主體連接的位置，包括有進排風口、人員出入口與物資出入口等。在要求當中，需要保證甲類防空地下室主要出入口通道的出地面段（即無防護頂蓋段），所處位置宜在地面建筑的倒塌范圍之外，但如果受到實際條件的限制與影響，必須在倒塌范圍內設置，則需要在出地面段做好防倒塌棚架的設置。同時，在戰(zhàn)時階段地面建筑也有較高的概率發(fā)生火災，將在短時間內大量增加有毒有害的氣體，如果人防工程的密閉性不好，則將直接對內部人員造成傷害，在人防工程當中形成人員無法忍受的熱環(huán)境。對此，即需要在實際設計口部位置時做好密閉性的強調控制，如果確實需要也可以犧牲一定的采光與通風，這也可以說是不可避免的一種處理情況[12]。②強化專業(yè)配合。要在設計當中做好不同專業(yè)的兼顧，積極做好內部矛盾的解決與處理，在內部做好優(yōu)化設計。如可以結合掩蔽人數(shù)情況對密閉通道以及防護密閉門的寬度進行縮小，以此起到成本控制的作用。對于在工程設計當中的不同管井，也需要做好位置的隱蔽處理，要避開人員經常出入的場。③做好后續(xù)控制。這也可以說是經常被忽視的一項內容。對于人防工程來說，其自身具有一定的特殊性、密閉性、隱蔽性，在實際施工中，經常存在沒有做好細節(jié)處理或者沒有嚴格按照設計要求施工的情況。在施工中與施工后，工作人員需要能夠強化對該方面的檢查，確保建筑情況能夠符合設計要求，對于不同環(huán)節(jié)的工作落實做好監(jiān)督。在此當中，也需要能夠做好設計資料的保密處理，嚴禁發(fā)生資料外泄的情況，最大限度保障項目安全。

5 常見問題控制

5.1 科學布置結構

在具體人防結構設計當中，需要能夠充分結合功能需求做好對結構的合理布置。同時，也需要能夠科學建立計算模型，充分實現(xiàn)建筑構件與結構構件的結合，做好設計參數(shù)的選用，同時做好軟件參數(shù)的調整，以此才能夠保證結構在設計經濟性、科學性方面具有好的表現(xiàn)。

5.2 地下室凈高

在平時運行狀態(tài)中，地下室主要作為地下商場、游樂設施與車庫使用，平時應用具有較小的荷載，且在空間方面具有一定的需求。在人防作戰(zhàn)當中，在面對到來的襲擊時，則需要成為能夠保障人民安全的建筑物，具有功能的特殊性，將承受到幾十倍甚至上百倍的荷載，密閉性方面的要求較高，需要對直通外部的孔口進行適當?shù)目s小與減少。功能特殊情況的存在，對層高具有較高的要求，也因此對施工便利性產生了影響。在部分設計當中，會存在應用反梁的方式處理，但該方式將使得地下室頂板具有著復雜的排水方式，也使得不同專業(yè)在施工中具有一定的矛盾，如何對不同狀態(tài)的使用要求進行協(xié)調，則成為現(xiàn)今設計當中需要重點考慮的一項問題。對于該問題，因人防在抗力方面具有著較高的要求，則可以對無梁樓蓋類型進行使用，也正是地下室設計的首選樓板類型。但近幾年無梁樓蓋在實際工程中，經常因為在頂板堆載問題而出現(xiàn)坍塌事件，給大眾心理帶來一定的恐慌，因此采用這種結構形式仍需慎重。

6 結語

人防工程是現(xiàn)階段我國城市發(fā)展當中的重要組成部分，對于人們生活以及緊急狀況下的生命安全都具有重要的作用。在上文中，我們對地下室人防結構設計中的主要構件設計進行了一定的研究。對于人防工程設計這項工作來說，不僅需要做好基礎功能性的解決，還需要做好給排水、通風、結構與電氣之間的協(xié)調配合以及建筑設計優(yōu)化，保證工程在平時階段具有合理、經濟與舒適的特點，而在戰(zhàn)時階段則需要具有安全、便捷的特征。對此，作為設計人員則需要在普通建筑結構設計的基礎上做好人防地下室設計特點的把握，在不斷實踐總結的情況下進一步提升設計水平，掌握人防結構設計規(guī)律，從多方面入手提升設計水平，最大限度保證人防地下室的功能發(fā)揮作用。