建筑工程人防地下室结构设计分析

建筑工程人防地下室结构设计分析

导言

人民防空地下室（以下简称人防地下室）是人防工程的重要组成部分，是战时提供人员、车辆、物资等掩蔽的主要场所，在平时由于地下室的特殊性，也是作为防灾、减灾指挥所及避难所。人防地下室和普通地下室有着很多相同点，这使很多人认为普通地下室就是人防地下室。人民防空地下室在战时可对人员、车辆、物资等起到掩护的作用，是重要的人防工程。

人防地下室结构设计特点

（1）人防地下室结构可靠度比一般建筑结构要低。《建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）》规定一般混凝土结构构件延性破坏时可靠指标β=3.2，失效概率为pf=0.069%，脆性破坏可靠指标β=3.7，失效概率为pf=0.011%；《人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）》（以下简称《规范》）规定人防地下室结构构件延性破坏时可靠指标β=1.55，失效概率为pf=6.1%，脆性破坏可靠指标β=2.4，失效概率为pf=0.8%。

（2）常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用下，人防地下室结构动力分析可采用等效静荷载法，在等效静荷载和静荷载确定后按静力计算方法进行结构内力分析。

（3）由于核爆炸荷载和常规武器爆炸荷载均只按一次作用考虑，因此结构构件可考虑进入塑性工作状态，按弹塑性工作阶段计算结构内力，以便节约建筑材料，充分发挥结构的潜力。

（4）人防地下室结构设计时材料设计强度可以提高。材料设计强度的提高在设计中是通过考虑材料强度综合调整系数来完成的，如钢材=1.15～1.5，混凝土=1.5。

（5）一般钢筋混凝土结构，依其性能和使用要求，要进行两种极限状态的验算，即：承载能力极限状态（包括强度、稳定和疲劳验算）和正常使用极限状态（包括变形、裂缝出现和裂缝宽度等的验算）。而人防工程结构一般只验算结构强度（包括稳定），可不进行结构变形和结构裂缝宽度的验算，同时地基承载力与地基变形也可不进行验算。

（6）人防结构的许多构造要求，如保护层厚度、最大（小）配筋率、钢筋锚固长度等与一般的结构不同，要求更为严格，设计中仅仅考虑受力计算，不考虑构造措施是不行的。

人防结构设计的原则

（1）可用“等效静载法”简化考虑人防荷载作用，可拆开为单个构件进行计算。

（2）平战结合，取控制条件，在一般的5级或6级人防设计中，结构的顶板基本上都由战时控制（根据工程经验，室外消防车道可能由平时控制），而侧墙和底板则因地下室结构形式的不同而由实际情况确定；当平时使用要求与战时防护要求不一致时，应采取平战功能转换措施。

（3）只进行强度的验算，由于在人防荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比来控制，因而在防空地下室结构设计中，不必再单独验算结构构件的变形与裂缝。

（4）注意各部件的抗力（强度）协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用。

（5）人防地下室墙、柱等承重结构，应尽量与地面建筑物的承重结构相互对应，以使地面建筑物的荷载通过防空地下室的承重结构直接传递到地基上。

（6）重视构造要求，人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的，要求更为严格，应充分保证结构的延性，“强柱弱梁（板）”“强剪弱弯”。

人防地下室结构设计

1.人防地下室结构设计内容

人防地下室结构设计包括围护结构设计、人防口部设计、平战转换设计。人防地下室围护结构包括人防地下室顶板、底板、外墙、临空墙、人防隔墙（包括不同防护分区间隔墙、人防地下室与普通地下室隔墙）等。人防口部包括主要出入口（空袭前、后均使用）、次要出入口（空袭前使用）、备用出入口（战时一般情况下不使用，应急时使用）及其它战时需要的各种竖井。

（1）人防口部设计

人防口部设计包含三部分内容：一是出入口通道内临空墙、门框墙的设计，二是防护密闭门与消波系统的设计，三是孔口其它构件，如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。

临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模型（如：一端固支一端简支、三边固支一边简支、四边固支等），考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋；而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，但需注意的是因平时使用时需要的出入口通道均较宽，而战时又相

应较窄，这样有可能会使门框墙的悬臂长度过长，而使水平筋过大。横向力即动压设计值qe，由《规范》第4.8.10条确定，这两项受力作用时间存在间隔，故不考虑同时作用。防护密闭门设计。为方便工程设计人员，国家已将防密门进行系列化处理，设计人员可根据设计压力和门洞尺寸选择定型的防密门。

消波系统设计。消波系统一般由防爆波活门及扩散室组成，防爆波活门的选用和扩散室各部分的尺寸均可在《规范》中找到相应的表格和公式来确定。扩散室一般由建筑专业依据防空地下室的抗力等级、通风量、设备容许压力以及扩散室所处位置的建筑条件等因素确定（规范第3.4.7条）。具有特殊要求的扩散室，其内部空间尺寸由结构专业按规范的相关规定计算确定。

扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙，墙面本身受的荷载及活门传来的荷载均按临空墙等效静荷载标准取值，扩散室与土直接接触的顶板、底板及外墙可按土中压缩波压力确定荷载。

（2）平战转换设计

人防地下室平战兼顾设计是深入贯彻“平战结合”建设方针一个重要环节，由于人防工程是战时遭受敌袭击时作为保障城市居民生命安全和坚持工作的一种具有特殊功能要求的建筑物，却为平时使用造成诸多困难，《规范》第3.7节、第4.12节中对此点作了原则性的规定，具体做法应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件综合研究确定。

平战转换设计的基本原则是：

1）工程平战用途相近；

2）转换工作要小；

3）一次设计，分两步施工；

4）考虑兼容性和通用性；

5）转换措施要求快速、经济、简便、可靠。

平战转换可参考国家人民防空办公室颁布的《人防工程防护功能平战转换设计图集》及上海市标准《平战结合五、六级人防工程》（土建分册）进行设计。

2.人防荷载确定

在进行人防构件内力和配筋计算前需根据人防地下室类型、抗力级别确定作用在各构件上的等效人防静荷载值。人防荷载可按以下两种方式确定：

（1）公式法计算

1）甲类人防地下室核爆炸等效静荷载qe可根据《规范》第4.4～4.6节公式按以下顺序逐步确定：

ΔPm→ΔPms→Ph→Pc→qe

式中：ΔPm―核武器爆炸地面空气冲击波最大超压，根据抗力级别直接选取；

ΔPms―空气冲击波超压计算值；

Ph―核武器爆炸土中h深处压缩波的最大压力；

Ρc―核武器爆炸地面冲击波作用在结构上的动荷载；

qe―核武器爆炸地面冲击波作用在结构构件上的均布等效静荷载。

2）甲、乙类人防地下室常规武器爆炸等效静荷载qce可根据《人防规范》第4.3节及附录B公式按以下顺序逐步确定：

C→ΔPcm→Pch→qce

式中：C―等效TNT装药量，按国家现行有关规定取值；

ΔPcm―常规武器地面爆炸空气冲击波最大超压，根据抗力级别直接选取；

Pch―常规武器地面爆炸空气冲击波感生的土中压缩波的最大压力；

qce―常规武器地面爆炸作用在结构构件上的均布等效静荷载。

（2）查规范表

为方便工程设计人员，《规范》在第4.7节和4.8节以表格形式分别给出了各类人防构件常规武器爆炸均布等效静荷载值和核爆炸均布等效静荷载值。由于表内所列荷载值都是在假定条件下根据规范公式计算得到的，因此若实际工程不满足查表条件，就需按公式计算。

3.荷载组合和内力分析

作用在防空地下室结构上的荷载，应包括：爆炸荷载（指常规武器爆炸动荷载及核爆动荷载，下同）、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等，规范中对防空地下室不同部位等效静荷载与静荷载同时作用时应考虑的荷载组合以表格形式给出（见规范表4.9.2和表4.9.3），结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目。在进行荷载组合时，需要明确两个问题：

（1）上部建筑物自重标准值的确定，规范的条文说明中第4.9.3条已详细说明了各种不同的上部结构型式，在进行荷载组合时可分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况，设计时应认真分析确定。

（2）顶板的组合中是否考虑上部建筑物的倒塌荷载值，因为倒塌荷载的作用时间滞后于冲击波峰值作用时间，且规范规定的倒塌荷载产生的静荷载值为50kN/m2，小于冲击波对顶板的等效静荷载值，因此在顶板荷载组合中不必计入倒塌荷载值。

底板设计可不考虑常规武器地面爆炸作用，仅需满足人防构造要求即可。

求出构件的内力和配筋后，剩下需注意的问题就只有一些构造要求了，《规范》第4.11节中已作了很详细的规定，结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围，结合工程实际情况就可顺利地完成人防地下室各主要构件的设计了。

设计应注意的问题

（1）设计前应取得当地人防部门对人防地下室设计方案的审批意见，包括人防地下室

类型、抗力级别、规模等。不同类型、不同抗力级别、不同规模的人防地下室，其口部设置数量不同、投资也相差较大。

（2）人防区域划分要清楚。出入口部防护密闭门以外区域均为非人防区。人防汽车库和人防物资库一般要由一个汽车坡道作为主要出入口，汽车坡道及其出地面所经过的通道均要考虑防倒塌荷载。

（3）人防结构构件等效静荷载标准值若是查表取值要注意使用条件，不符查表条件时应按规范公式自行计算。人防地下室顶板和外墙等效均布静荷载取值时是否考虑上部建筑的影响应根据上部结构型式确定，不能随意取。

（4）各类人防构件划分应与规范一致。如：人防地下室与普通地下室间隔墙不能按临空墙考虑（普通地下室一侧是竖井除外）；防护分区内的密闭墙不能按人防单元隔墙考虑，密闭墙不受人防荷载作用；次要出入口部楼梯可不按人防楼梯设计等。

（5）人防构件配筋套用

人防图集时，应注意其计算假定和适用条件，条件不符时应自行计算调整。

（6）注意人防构件的延性设计，截面设计时应满足《规范》第4节的有关规定。

（7）人防结构计算应与规范的各项规定相符；人防构件配筋形式应与计算模型一致。

结束语

人防地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，既要考虑平

时工况又要考虑战时工况，且目前电算软件功能都不是很完善，需要更深入地研究人防结构设计的技术问题，总结设计经验，提高设计水平。