人防工程设计与抗震的一些思考

彭曾

【摘要】随着我国社会主义经济建设的不断发展以及城市化建设的强力推进，人民防空工程建设的规模和数量得到了极大的提升，但近年来地震频发，对部分老旧人防工程的建筑物、构筑物造成了巨大的破坏，本文结合现代人防工程抗震设计概念和力学基本原理，对灾区建筑设计中存在的部分问题进行了一定的探讨。

【关键词】抗震；人防工程；抗震设计

一、前言

人民防空工程也叫人防工事，是指为保障战时人员与物资掩蔽、人民防空指挥、医疗救护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。在人民财产与安全受到威胁的时候提供保护的保护所，在设计方面要求严格。而地震往往引发大量的灾害，对建构筑物等造成各种各样的破坏。世界上130余次大地震的统计表明，90～95%的人员伤亡是因建、构筑物倒塌所致的，故学术界很多人认为，地震灾害的主要属性是土木工程灾害，而在以往，传统观点认为土木工程是受害者。土木工程灾害的形成机理是：“不当的选址，不当的知识，不当的设计、不当的施工，不当的材料，不当的使用”导致土木工程不能抵御可能荷载作用而导致土木工程的失效乃至破坏，最终形成社会的灾害。

以汶川地震为例，部分人防建构筑物的优异表现说明：在强震下建造破坏程度不大甚至基本完好的建构筑物是可能的。工程设计应遵循“适用、安全、经济、美观”的原则，设计不但对工程造价起着控制性作用，对结构安全性也起着控制性作用。个人灾区考察印象表明，70%的工程震害与设计有关，这里隐含两方面：1、大量受损破坏的建筑缺少正规的、合理的设计，特别是在广大农村地区，农民自建房无设计，结构体系薄弱，无基本抗震措施，破坏极其严重；事实上，灾区总体震害情况表明，严格按照现行抗震设计规范设计的建筑，破坏程度较轻；2、抗震设防标准偏低，由于历史原因，89抗震规范之前，灾区很多建筑的抗震设防基本烈度仅为6度。

二、人防工程抗力设计分类

人防工程按抗力等级划分，可分为1、2、2B、3、4、4B、5、6、6B等9个等级，工程可直接称为某级人防工程，一般主体结构分为砌体结构、钢筋混泥土结构，现在城市中基本已经全部要求使用钢筋混泥土结构。

根据以往灾区情况反映，以砌体结构为主的设计倒塌破坏严重，除了缺少圈梁、构造柱等基本抗震构造原因外，还习惯采用几乎无任何拉结措施、缺少整体性的预应力空心板楼、屋盖有关，所以预制板端的构造处理是不能满足抗震的基本构造要求的。底框结构底层和过渡层的破坏较为严重，其破坏固然和框支层与上部各层砌体结构刚度，存在一定突变有密切关系，但实际中也与存在一些不合理的设计和考虑有关。采用PKPM系列软件进行分析，需要设计人员在方案阶段及施工图中考虑和保证结构布置及其质量的均匀性问题。而钢筋混凝土框架结构总体抗震性能表现良好，震害焦点集中在很少有框架出现“强柱弱梁”的屈服机制，塑性铰往往在框架柱上出现，少数发生节点破坏，其原因除了箍筋设置不到位甚至漏设导致混凝土无约束，在强震荷载作用下个别框架柱因轴压比较大、被压溃外，还有目前的设计方法还不能确实保证“强柱弱梁”屈服机制的实现。对于整浇框架结构，板对梁刚度的影响还无法准确考虑，而在梁配筋设计时没有考虑板配筋带来的抗弯强度增大效应。在目前的设计规范中，仅对一级抗震等级框架要求按实际配筋来校核以满足“强柱弱梁”的设计要求，对于其它抗震等级还只是按内力计算结果来进行系数调整予以处理，由于钢筋直径的不连续性，梁或多或少存在一定的钢筋超配现象。在框架结构施工中，由于长期惯性的影响，加之施工技术人员缺乏学习和钢筋验收过程中缺乏认真的监督管理，梁柱节点处钢筋的搭接、锚固处理存在很多不合理的地方，特别是在边柱和顶层边柱节点处，梁柱纵向钢筋之间的锚固和搭接长度不足，直接导致通常通过构造措施予以保证的节点区斜截面抗弯强度不足，大大影响框架结构的抗侧刚度和承载能力。笔者认为，这也是导致单跨框架抗震能力不好的重要原因之一（在单跨框架结构中，上述不当节点处理导致的影响更大）。

三、人防工程内值得探讨的几个设计问题

1、人防工程中楼梯设计的影响

楼梯在结构中实际存在一定程度的支撑作用，导致梯板拉断，据此，很多专家认为：在人防结构抗震设计中应计入楼梯实际存在的支撑效应影响，该精神业已反映在了修订后的抗震设计规范（2008年版）内。个人以为，在目前情况下，将楼梯构件直接输入结构计算模型进行分析，并根据计算结果对楼梯进行配筋，是缺乏操作性和不必要的。原因为：（1）在现行PKPM系列软件中，输入楼梯构件进行计算分析有困难；（2）根据计算结果设置的楼梯板配筋数量大，其配筋往往是超筋的；（3）梯板裂而不断时，震后是可供人员暂时疏散使用的，而且楼梯构件损坏一般并不会导致主体结构坍塌；（4）工程中楼梯间布置往往是非对称的，其设计刚度或支撑效应太强，必然引起结构质心与刚度中心的严重偏离；（5）将楼梯构件作为支撑构件进行设计，若不对其它抗侧力构件采取必要的内力调整措施，必然大幅削弱其它构件的抗侧力承担的地震荷载，可能降低整个结构的抗震能力或安全储备，目前对与此相关的调整措施还缺少研究。

个人建议采用下述方法予以考虑：（1）将楼梯构件作为耗能构件考虑，在强震作用下，允许较早进入弹塑性状态，构件本身不直接输入结构模型参与计算； （2）梯板配筋采用延性较好、屈服强度较低的一级钢筋，提高其变形能力，确保地震作用下裂而不断，一般情况下，当主体结构不发生特别巨大的变形时，达到此目的是容易的；（3）按充分利用强度要求增加板底钢筋在支座处的锚固长度，以控制受拉屈服位置位于梯板跨中区段。

2、楼板的作用

抗震设计对楼板的要求，一般是由构造规定的。事实上，通过楼板的联系和支撑作用，纵、横两方向的抗侧力构件形成相互支撑关系。一般地，抗侧力构件在平面外的刚度和抗侧及抗弯能力一般很小，有时往往可以忽略不计，纵横方向的抗侧力构件，通过楼板提供的链杆作用对与其垂直方向的抗侧力构件提供支撑作用，确保抗侧力构件的平面外稳定。灾区有很多采用横墙承重方案的砖混结构，横墙为240墙，而非承重纵墙采用120墙。此种做法违背了上述相互依存原则，地震作用首先轻而易举地将抗侧能力极差的120墙（高厚比大，荷载作用下容易失稳）击溃，纵墙破坏后，横墙失去仅有的平面外支撑，继而失稳最终导致建筑整体脆性倒塌。

四、地震带给地震工程设计的启示和思考

（1）在世界上130次巨大的地震灾害中，90%～95%的伤亡是由于建筑物倒塌造成的。因此，建、构筑物能否抗御大地震的袭击，是能否把地震灾害损失降到最低的关键所在。

（2）地震危险性分析宜着眼于准确确定地震断裂带的位置，以便在工程建设中采取足够的避让和其它抗震设防措施。设计中应严格遵守规划要求的对断裂带的避让距离要求。

（3）我国目前各地基本设防烈度与行政区挂钩的方法是不科学的，从根本上讲，地震不是行政行为。故目前的地震区划有根据地震危险性、断裂带分布情况、地形和地貌等影响地震破坏程度的因素，进行深化和改进的必要，设防烈度划分有必要细化至乡镇。

总之，我们还不能阻止地震的发生。不过我们可以通过确定地震危险区、修建更安全的建筑物、普及防震知识等来有效减轻地震对人类的危害。

五、结束语

“以史为镜，可以明智”，地震灾害带来的设计启示很多，本文不可能一一列举，这里抛砖引玉，并提出一些个人看法，愿我们能在教训和经验中成长。