地下室人防结构设计中的主要构件设计

杨志翠

（山西省人防建筑设计研究院，山西太原 030013）

0 引言

近年来，我国的经济快速发展，城市空间愈发紧张，较多的高层建筑在城市当中得到了建设。在此当中，对于地下空间的利用也是现阶段城市建筑业发展的重要方向。同时，为了能够满足国家在人防工程方面的要求，则需要在设计当中在做好地下室用处考虑的同时做好荷载问题的考虑，保证防空地下室能够充分发挥平战结合作用。

1 结构设计要求

在人防地下室设计中，对于结构的设计主要由2 个方面内容组成：①主体结构设计，包括有外墙、底板与顶板等结构的设计。②孔口防护设计，包括有消波系统以及出入口的防护。其中，对于出入口的防护包括有门框墙、人防门选用、计算临空墙以及出入口通道计算等。在实际工程设计当中，需要做好以下要求的把握：①在设计当中，需要能够同时满足人防地下室平时、战时阶段荷载效应组合方面要求，做好兼顾。②常规武器荷载作用在结构寿命期中，要做好一次作用的考虑。其具有作用时间段以及量值大的特点，是一种偶然性荷载，在发生作用之后将衰减。同时，钢筋混凝土构件在应用中也允许开裂，也能够以此适当的降低构件安全度水平[1]。③地面存在的建筑物，对于武器爆炸以及核爆炸核辐射等都具有一定程度的削弱作用，在具体开展人防设计时要做好该方面的考虑，考虑一定的经济性。④在人防动荷载影响的情况下，材料强度将得到提升，但塑形等变形性能却具有较小的改变。在实际设计中，可以在材料综合调整系数方面进行一定的改进，以此体现出设计需求。⑤在钢筋混凝土构件设计当中，可以根据弹塑性开展设计工作。超静定结构方面，可以做好塑形内力重分布的考虑。⑥在武器瞬间荷载作用，不会因地基作用受到破坏而对上部结构造成破坏。对此，在实际设计结构时则可以不进行地基变形与承载力的验算。需要注意的是，在任何情况下都需要能够按照计算墙柱传递爆炸动荷载的方式验算构件的验算[2]。

2 荷载取值分析

与普通地下室比较而言，在防空地下室设计中，结构设计考虑的重要内容是需对武器爆炸后形成的动荷载作用进行考虑。对于该种荷载来说，是一种偶然性荷载类型，具有作用时间短、量值大以及衰减的特征。从上部建筑影响角度考虑，如建筑层面在2 层以上，地层外墙需要为砌体承重墙与钢筋混凝土墙。当屋顶为混凝土结构时，在计算顶板结构时则需要对上部建筑对于冲击波产生的影响做好考虑。动力分析方面，通常情况下将使用到等效静荷载法。受到动荷载作用影响，静荷载作用下挠曲线同结构构件振型十分接近。同静荷载作用相比，动荷载状态下构件也具有基本一致的破坏规律。对此，在实际开展动力分析时，则可以将构件实现对单自由度体系的简化处理，将动荷载峰值同动力系数相乘获得等效静荷载。此时，构件在等效荷载状态下的内力就是荷载状况下的最大内力值。根据等效荷载实现对动力分析的模式替代，则能够在结构设计方面获得较大的便利。在以等效静荷载方式开展分析时，为了能够对抗力方面的需求进行满足，则需要将材料的综合调整系数同结构材料参数两者相乘[3]。

2.1 顶板

在顶板荷载取值方面，需考虑平时工况和战时工况：平时工况，需考虑顶板的活荷载与静荷载，要求能够按照工程日常运行开展计算，做好结构的整体建模处理，验算结构最大裂缝。战时工况，需考虑静荷载及爆炸等效荷载。对于该情况，主要是对顶板梁、顶板在运行当中所需要承受的竖向荷载做好控制，在计算时以第一层为目标做好内力的计算，之后以塑性极限法方式的应用进行计算分析，不需要对裂缝进行验算，也不需要对荷载不利状态的布置情况进行计算[4]。在以上述方式计算获得结果后，则可以经过比较选择其中的较大值。通常来说，防空地下室顶板主要模式有无梁楼盖与梁板类型。其中，梁板式结构在应用中抗震性能好，也是现阶段得到广泛应用的结构形式。同其相比，无梁楼盖结构具有交叉的抗震性特征，也需要能够在处理当中做好应用把握。如地下室顶板为建筑上部的嵌固部分结构、建筑柱网区各当中长短跨比例在1.5 以上、顶板标高变化较多等情况，则不适合应用该种方式。但该方式也具有一定的优点，即施工便利、难度较低，整体结构施工简单，工期短。在现今人防地下室建设中，具有较大的荷载取值，因此在施工中带来不便，包括有混凝土浇筑难度较大等，也可能导致安全隐患的发生。同时，这两种方式在应用造价方面差距不是很大，但在无梁楼盖结构应用中，在地下室埋设层高与深度方面更低，也因此使其能够更好地控制工程成本[5]。

2.2 墙体

在人防地下室设计中，墙体由密闭隔墙、外墙、防护单元隔墙与临空墙组成，其中，密闭隔墙不需要计算核武器、常规武器爆炸的水平荷载，当计入顶板传来的竖向等效静荷载时，密闭隔墙可按大偏心受压构件计算，一般构造配筋即可。在战时状态下，爆炸会使临空墙受到来自水平方向的荷载，当计入顶板传来的竖向等效静荷载时，临空墙可按大偏心受压构件计算；也可不计入竖向荷载，临空墙近似按单向板或双向板为计算模型，墙体下端固定，上端需要结合顶板刚度进行简支或者固端处理，一般当顶板厚度小于墙体厚度，按上端简支处理，当顶板厚度不小于墙体厚度，按照固端处理。门框墙是一种开孔口临空墙，在实际计算当中，需要能够将四周作为悬臂梁以独立的方式开展计算。当悬臂梁长度同孔口边长1/2 相比较大时，则需要在孔口位置设计立柱或者横梁。在结构设计当中，通常会以单独构件的方式计算墙体，在实际开展结构设计时，则需要能够做好周边构件同墙体弯矩协调状态的细致处理，强化节点构造钢筋，以此实现建筑在防护质量方面具有好的表现[6]。

2.3 柱与基础

在人防地下室设计中，在静荷载影响下，柱的承载力会根据使用材料强度的不同而发生变化，能够提升最大1.5 倍。在战时状态当中，不需要考虑柱的活荷载，在平时状态中，上层建筑所累积的活荷载同人防等效静荷载相比较大。独立基础底板方面，在处于非饱和土的情况下，则需要以一般要求开展设计活动，需要能够以此为基础做好人防等效静荷载作用的结合，提升建筑材料强度，在严格按照设计规范的基础上验算结构承载强度[7]。

2.4 确定人防荷载

在设计防空地下室结构时，最需要考虑的一项问题即抵抗战争状态下的空气冲击波。一般情况下，地下室顶板在该状况下需要直接受到地上冲击波超压、负压作用的影响。地板、侧壁方面，冲击波存在也会对地产生压力，使得地面在受压迫的情况下发生运动，建筑上层土体也会受到压迫影响向下传递较大的压力。对于压力在土体当中从上到下传递的过程，即是土中压缩波的传播过程。在此当中，如果该压缩波受到建筑结构如侧壁、地板的阻拦，则将会形成负压、超压等情况，作为设计人员，需要能够对底板、侧壁的荷载情况进行充分考虑[8]。

在具体设计工作中，需要能够严格按照标准要求明确地下室的抗力级别，规范查表、强化计算，做好确定无桩基底板、顶板的人防荷载。在此当中，在具体人防荷载构建时，对于武器的爆炸动荷载作用要以大值的方式强化控制。在受到动荷载作用影响的情况下，结构构建振型在静荷载情况下具有相似的挠曲线，且两者结构构建具有相近的破坏规律，作为设计人员，需要能够做好等效静荷载方式的使用，在对不同构件等效静荷载值完成确定后，再进行相应的结构计算工作。

3 主要构件设计

3.1 局部地下室

在局部地下室结构设计当中，作为设计人员可以在需要计算房间做好人防荷载的施加，而对于不需要计算荷载的房间，则可以通过人防荷载为零的方式进行处理。相关程序在计算当中，构件将形成人防工况效应。对于存在人防参与的组合，在实际设计配筋时，程序将自动实现材料强度综合调整系数的执行，调整最小配筋率。而对于人防荷载不参与组合的情况，程序则不会对材料强度调整次数进行执行，也不会调整最小的配筋率。局部人防结构方面，对于同人防荷载相比具有较远位置的构件，虽然在设计构件时已经对人防组合进行了考虑，但在人防参与的情况下，所计算的配筋面积并非是最大的，不会在此当中起到控制的作用[9]。

3.2 外墙设计

在防空地下室结构设计当中，外墙参与组合的荷载包括有上部建筑自重、水压力、等效静荷载、地面活荷载、外墙自重与土压力等。外墙配筋方面，主要是由同墙面垂直水平荷载形成的弯矩所决定的，在实际设计当中，通常不需要对竖向荷载的组合压弯作用进行考虑，单纯根据墙板弯曲做好配筋的计算即可。地下室外墙方面，也可以结合支承情况以单向板、双向板的方式对荷载弯矩进行计算。在地下室当中，具有不等的墙间距，对此，在实际设计中则需要能够将基础底板、楼板作为外墙支点开展计算。在设计当中，对于外墙可以应用连续梁模型做好对内力的计算，在外排位置设置外侧竖向筋。同顶板较为相似，对于处于外墙外侧位置的竖向筋，也可以按照非贯通筋同贯通筋交错的方式进行布置。在外墙选筋时，可以按照细直径与大密度间距的方式进行处理，保证最大间距在200mm 以内，这对于裂缝控制具有十分积极的意义[10]。

3.3 底板设计

对于无桩基底板，当反力没有对水的浮力进行计算时，人防荷载则不会同水压力进行组合。在地基反力中将水浮力计算到其中时，则需要做好水压力同人防荷载的组合。在实际设计当中，对于无桩基底板，可以使用专门的电算软件分析内力，而对于存在桩基的底板，则可以根据定量板类似建模，根据倒楼盖算法进行处理。在软件使用中，可以在有限元计算中做好上部结构人防荷载的读取。在实际工作当中，需要做好多层与局部人防情况的考虑。以JCCAD 软件为例，在筏板有限元与基础梁板弹性地基计算模块中即可以计算基础人防。在程序当中，可以将顶板等效静荷载作为荷载进行输入与计算，将其同在基础连接楼面房间均布面荷载做好作用考虑，以楼面荷载导算的方式在墙体构件、人防荷载作用中进行处理。在具体计算基础时，可以做好这部分墙、柱人防荷载的读取。同时，可以在基础底面位置反向作用底板等效荷载[11]。

4 结构细化配合

在具体进行人防结构设计时，做好设计的配合细化处理也十分关键，这也将直接关系到结构的设计质量。具体来说，需要能够做好以下方面内容的把握：①细化人防方案。在做好方案制定的基础上，需要结合其他专业要求做好对方案的细化处理。要以使用功能为基础，根据一定面积在防护单元中做好对抗爆单元的划分。以人防口部位置的设计为例，这是人防工程当中地表同地下室主体连接的位置，包括有进排风口、人员出入口与物资出入口等。在要求当中，需要保证甲类防空地下室主要出入口通道的出地面段（即无防护顶盖段），所处位置宜在地面建筑的倒塌范围之外，但如果受到实际条件的限制与影响，必须在倒塌范围内设置，则需要在出地面段做好防倒塌棚架的设置。同时，在战时阶段地面建筑也有较高的概率发生火灾，将在短时间内大量增加有毒有害的气体，如果人防工程的密闭性不好，则将直接对内部人员造成伤害，在人防工程当中形成人员无法忍受的热环境。对此，即需要在实际设计口部位置时做好密闭性的强调控制，如果确实需要也可以牺牲一定的采光与通风，这也可以说是不可避免的一种处理情况[12]。②强化专业配合。要在设计当中做好不同专业的兼顾，积极做好内部矛盾的解决与处理，在内部做好优化设计。如可以结合掩蔽人数情况对密闭通道以及防护密闭门的宽度进行缩小，以此起到成本控制的作用。对于在工程设计当中的不同管井，也需要做好位置的隐蔽处理，要避开人员经常出入的场。③做好后续控制。这也可以说是经常被忽视的一项内容。对于人防工程来说，其自身具有一定的特殊性、密闭性、隐蔽性，在实际施工中，经常存在没有做好细节处理或者没有严格按照设计要求施工的情况。在施工中与施工后，工作人员需要能够强化对该方面的检查，确保建筑情况能够符合设计要求，对于不同环节的工作落实做好监督。在此当中，也需要能够做好设计资料的保密处理，严禁发生资料外泄的情况，最大限度保障项目安全。

5 常见问题控制

5.1 科学布置结构

在具体人防结构设计当中，需要能够充分结合功能需求做好对结构的合理布置。同时，也需要能够科学建立计算模型，充分实现建筑构件与结构构件的结合，做好设计参数的选用，同时做好软件参数的调整，以此才能够保证结构在设计经济性、科学性方面具有好的表现。

5.2 地下室净高

在平时运行状态中，地下室主要作为地下商场、游乐设施与车库使用，平时应用具有较小的荷载，且在空间方面具有一定的需求。在人防作战当中，在面对到来的袭击时，则需要成为能够保障人民安全的建筑物，具有功能的特殊性，将承受到几十倍甚至上百倍的荷载，密闭性方面的要求较高，需要对直通外部的孔口进行适当的缩小与减少。功能特殊情况的存在，对层高具有较高的要求，也因此对施工便利性产生了影响。在部分设计当中，会存在应用反梁的方式处理，但该方式将使得地下室顶板具有着复杂的排水方式，也使得不同专业在施工中具有一定的矛盾，如何对不同状态的使用要求进行协调，则成为现今设计当中需要重点考虑的一项问题。对于该问题，因人防在抗力方面具有着较高的要求，则可以对无梁楼盖类型进行使用，也正是地下室设计的首选楼板类型。但近几年无梁楼盖在实际工程中，经常因为在顶板堆载问题而出现坍塌事件，给大众心理带来一定的恐慌，因此采用这种结构形式仍需慎重。

6 结语

人防工程是现阶段我国城市发展当中的重要组成部分，对于人们生活以及紧急状况下的生命安全都具有重要的作用。在上文中，我们对地下室人防结构设计中的主要构件设计进行了一定的研究。对于人防工程设计这项工作来说，不仅需要做好基础功能性的解决，还需要做好给排水、通风、结构与电气之间的协调配合以及建筑设计优化，保证工程在平时阶段具有合理、经济与舒适的特点，而在战时阶段则需要具有安全、便捷的特征。对此，作为设计人员则需要在普通建筑结构设计的基础上做好人防地下室设计特点的把握，在不断实践总结的情况下进一步提升设计水平，掌握人防结构设计规律，从多方面入手提升设计水平，最大限度保证人防地下室的功能发挥作用。