張永謙  張靜波

摘  要：本文通過設計實例，對人防工程設計中遇到的若干問題進行了分析與探討。
關鍵詞：防空地下室   臨空墻  防護單元

0前言
人民防空是指國家根據國防需要，動員和組織群眾采取防護措施，防范和減輕空襲災害。人民防空工程(亦稱人防工程)，是為保障戰時人員與物資掩蔽、人防指揮、醫療救護等需要而修建的地下防護建筑。
防空地下室是結合地面建筑修建的戰時用于人民防空的，具有一定防護能力的地下室。防空地下室是人防工程的重要組成部分。與其它類型人防工程一樣，它具有國家規定的防護能力和各項戰時防空功能，是實施人民防空最重要的物質基礎。
防空地下室設計必須貫徹“長期準備、重點建設、平戰結合”的方針，并應堅持人防建筑與經濟建設協調發展、與城市建設相結合的原則。下面，通過一個工程設計實例，對在含人防的多高層建筑地下室的結構設計中遇到的若干問題進行了分析與探討。
1防空地下室結構設計的主要特點
  1.1與普通地下室相比，防空地下室結構設計的主要特點是要考慮戰時規定武器爆炸動荷載的作用。武器爆炸動荷載屬于偶然性荷載，荷載具有量值大、作用時間短且不斷衰減等特點。暴露于空氣中的防空地下室結構構件，如高出地面不覆土的外墻、不覆土的頂板、口部防護密閉門及門框墻、臨空墻等部位直接受空氣沖擊波的作用。其它埋入土中的圍護結構構件，如有覆土的頂板、土中外墻及底板等，則直接受土中壓縮波的作用。此外防空地下室內部的墻、柱等構件則間接承受圍護結構及上部結構爆炸動荷載作用。
1.2地面建筑的防空地下室結構，是整個建筑結構體系的一部分，不僅要滿足戰時的抗力要求，而且應滿足平時使用的結構要求，即防空地下室結構設計應同時滿足平時和戰時二種不同荷載效應組合的要求。
1.3平戰結合的防空地下室應滿足平時使用的要求。當平時使用要求與戰時防護要求不一致時，應采取平戰功能轉換措施。采取的轉換措施應能在規定的時限內完成防空地下室的功能轉換。
1.4上部建筑物受沖擊波荷載作用而產生的作用于防空地下室結構上的荷載一般不考慮。
1.5鋼筋混凝土結構構件可按彈塑性工作階段設計。對防空地下室中鋼筋混凝土結構構件(如頂板、外墻、臨空墻)來說，處于屈服后開裂狀態仍屬正常的工作狀態，這樣可充分利用材料潛力，如受彎構件，在屈服后還要經歷很大變形才會完全坍塌，因此考慮塑性階段工作，可承受更大動力荷載，有較大經濟意義。
1.6材料設計強度可提高
試驗表明，加載速率直接影響材料的力學性能。在武器爆炸動荷載作用下，結構構件所經受的是毫秒級快速變形過程，與標準靜載試驗速度相比要快千百倍，這時材料力學性能發生比較明顯的變化，主要表現為強度提高。
1.7由于武器爆炸動荷載是偶然性荷載，鋼筋混凝土構件又允許開裂，因此比之靜荷載作用下構件的安全度可適當降低，如民用建筑結構設計延性構件的失效概率為10-3～10-4；人防結構的失效概率為5％～8％。
1.8在武器爆炸動荷載作用下，地基承載力有較大提高，同時安全系數也可取較低，在這種瞬間荷載作用下，一般不會產生因地基失效引起結構破壞。因此防空地下室結構在核爆炸動荷載作用下，可不驗算地基承載力與地基變形。
2工程實例
我縣華僑大酒店是餐飲、娛樂、商住為一體的綜合性酒店，其中地下一層，地上為18層，結構型式為框架—剪力墻結構。建筑高度為61m，地震設防烈度為6度，框架抗震等級為4級，剪力墻抗震等級為3級，人防設計等級為6級。總建筑面積為12300m2，其中地下室面積為4012 m2(含人防面積2641 m2)，分4個人防防護單元設計。地下室層高為3．90m，樁基采用機械鉆孔樁。
2．1結構選型及設計內容
防空地下室的結構體系布置，必須考慮地面建筑結構體系。墻、柱等承重結構，應盡量與地面建筑物的承重結構相互對應，以使地面建筑物的荷載通過防空地下室的承重結構直接傳遞到地基上。
結構內容分為二部分，一是主體結構設計，包括頂板，外側墻、底板等構件的結構設計；二是孔口防護設計，包括出入口的防護和消波系統(防護設備)，其中出入口的防護包含防護密閉門的選用，門框墻、臨空墻的計算，出人口通道(包括風井)的計算等幾個方面，而消波系統的設計包含防爆破活門的選用和擴散室的設計，了解了上述人防地下室結構設計的特點和內容后，首先就必須確定計算所需的荷載值。
2．2人防荷載的確定
規范GB50038—2005明確規定人防工程按可能受到的空襲威脅劃分為甲、乙二類，該工程是按甲類防空工程設計的，因此在設計時不僅考慮了滿足核武器爆炸的防護要求，還考慮了按常規武器和生化武器的各項防護要求。
該工程采用了全埋式現澆鋼筋砼結構、考慮到小區內部的環境綠化問題，在地下室頂板上設置了1．0m厚的覆土，以滿足綠化的需要。各部位的等效靜荷載取值分別如下：
頂板：因上部建筑底層為框架結構的填充墻，且墻面開孔面積大于50％，故不計上部建筑物對地面沖擊波超壓作用的影響，等效靜荷載標準值按核6級取值為：70kN／m2。
側墻：因地下室處于地下水位以下，且地基土為淤泥質飽和土，故按常6級取值為：60kN／m2。
底板：按核6級取值，因本工程為甲類防空地下室，且樁基為按單樁承載力特征值設計，故底板上的等效靜荷載標準值取值為：25 kN／m2。
門框墻：均按核6級取值，因它所受的荷載由2部分組成，一是直接作用在墻上的荷載200kN／m2。二是由門扇傳來的等效靜載標準值，分別按門扇的型號及大小計算確定。
臨空墻：按核6級設計取值為：130kN／12m2。
隔墻：按核6級取值，隔墻有2類，一是相鄰防護單元間的隔墻，取值為：50 kN／m2，二是6級人防單元與普通地下室間的隔墻，取值為：110 kN／m2。
2．3荷載組合及內力分析
作用在防空地下室結構上的荷載，應包括爆動荷載，上部建筑物自重，上部結構荷載，土壓力、水壓力及防空地下室自重等。
在確定戰時常規武器與靜荷載同時作用的荷載組合時，可按上部建筑不倒塌考慮。對于戰時核武器與靜荷載同時作用下的荷載組合，因本工程為6級人防，規范規定上部建筑物倒塌時間大于防空地下室結構構件達到最大變位時間乙，故計入全部上部建筑物的自重值。
該工程樁基在地下水位以下，故底板荷載組合中應計入水壓力。據現行《建筑結構可靠度設計統一標準》的要求，該結構設計采用可靠度理論為基礎的概率極限狀態設計方法，結構可靠度用可靠指標，以分項系數表達的設計表達式進行設計，本工程等效靜荷載的分項系數1．o，永久荷載的分項系數取1．2，可變荷載的分項系數取1．40。該工程主體結構設計時應用了中國建研院開發的PKPM、SATWE軟件。
2．4構造要求
本工程砼墻的抗滲等級為S6。外墻及柱的砼強度等級為C35，其它部分的砼強度等級為C30。地下室內沒有設置沉降縫和伸縮縫，而是設置了多條縱橫交錯的后澆帶。對雙面配筋的鋼筋砼頂、底板及墻板，為保證震動環境中鋼筋與受壓區混凝土共同工作，在上、下層或內、外層鋼筋之間設置一定數量的拉結筋。
2．5孔口防護及平戰轉換設計
2.5.1孔口防護包含三部分的設計內容：一是防護密閉門與消波系統的設計，二是出人口通道內臨空墻、門框墻的設計．三是孔口其它構件，如風井、防倒塌棚架、開蔽式通道、相鄰單元之間的隔墻等的設計，其中第二、三條中的臨空墻、相鄰單元之間的隔墻已在上面談到了荷載確定，設計人員可按一般墻體的計算模式，考慮人防設計的特點計算出內力和鋼筋。而門框墻的設計一般是按懸臂梁計算，但需注意的就是因平時使用時需要的出入口通道均較寬，而戰時又相應較窄，這樣有可能會使門框墻的懸臂長度過長，而使水平筋過大，這種情況下，可考慮在不影響功能使用的前提下，加設柱、梁改變門框墻的受力形式，得到較為經濟的設計效果，風井的設計中只計算土中壓縮波的壓力，對空氣沖擊波則不予考慮，因兩者不會同時作用。當空氣沖擊波到達出入口通道時，雖然有通道出入口的擴散作用，但遇墻體和門的反射作用使作用在門上的總效應大于空氣沖擊波的壓力，約為2．0一3．5倍。為方便工作設計人員，將防密門進行系列化處理，依據設計壓力和門洞尺寸就可輕松地選擇定型的防密門。擴散室前墻即安裝懸板活門的墻面為臨空墻，墻面本身受的荷載均按臨空墻荷載取值，擴散室與土相鄰的頂底板及外墻按土中壓縮波壓力確定荷載。
2.5.2由于防空地下室平時與戰時的使用要求有時會出現矛盾，因此設計中如何既能滿足戰時要求又能滿足平時要求，常會遇到困難。為較好地解決這一矛盾，規范提出可采用“平戰轉換設計”這一設計方法。其基本思路是：在設計中對防空地下室的某些部位(如專供平時使用的較大出入口)，可以根據平時使用需要進行設計，但與此同時，設計中也考慮了滿足戰時防護要求所必需的平戰轉換措施(包括轉換的部位，如何適應轉換后結構支承條件的變化及如何在規定的轉換時間內實施全部轉換工作的具體措施)。通過這種設計，防空地下室既能充分地滿足平時使用需要，又能通過戰前實施平戰轉換達到戰時各項防護要求。采用平戰轉換的防空地下室，應進行一次性的平戰轉換設計。實施平戰轉換的結構構件在設計中應滿足轉換前、后二種不同受力狀態的各項要求，并在設計圖紙中說明轉換部位、方法及具體實施要求。平戰轉換措施應按不使用機械，不需要熟練工人能在規定的轉換期限內完成。臨戰時實施平戰轉換不應采用現澆混凝土；對所需的預制構件應在工程施工時一次做好，并做好標志，就近存放。
3結束語
通過該工程的設計，發現含人防地下室的設計，關鍵是要求防空地下室在規定的設計使用年限內，除了滿足平時使用功能的要求外，甲類防空地下室還應滿足“能夠承受常規武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載的分別作用”的戰時防護功能的要求，通過“平戰轉換設計”這一設計方法來解決平時與戰時使用要求上，可能出現的矛盾并實現長期準備、重點建設，使其在確保戰備效益的前提下充分發揮社會效益和經濟效益。