地铁人防工程结构简化设计方法研究

刘和平，杨振坤

（1.中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100082；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

1 引言

地铁人防工程是基于国家战时防护要求兴起的一项重要的工程。 通过利用地铁现有条件，兼顾人民防空的需要，对关键部位、重要设施采用安装人防设备，在规定转换时限内达到防护标准及要求，达到战时防御的重大作用。 近年来，随着地铁枢纽系统在国家人民防空工程中的地位不断提高， 其作用已由最初战时防空的单一作用，逐渐发展成战时防空，灾害时防灾的多功能性设施， 这也就对地铁人防工程结构提出了更高的要求。

2 研究背景

地铁人防段结构具有多种不同的断面形式， 一般分为以下几类。

1）矩形断面，是车站中常选用的形式，一般用于浅埋车站。 车站可设计成单层、双层或多层；跨度可选用单跨、双跨、三跨及多跨的形式。

2）拱形断面。 拱形断面多用于深埋车站，有单拱和多跨连拱等形式。

3）圆形断面。 圆形断面用于深埋或盾构法施工的车站。

4）其他类型断面，有马蹄形、椭圆形等。 由于地铁人防工程结构断面种类繁多，埋深差异很大，在结构设计中既要考虑平时设计荷载作用，又要考虑战时核武器、常规武器爆炸分别与静荷载同时作用， 而且战时结构重要性系数与材料强度综合调整系数和平时取值不同， 计算工作量非常繁重，因此，如何快速确定不同断面下的控制荷载工况就成为关键。

地铁项目具有投资大、站点多、施工工期紧且施工可逆性小等特点， 人防专业作为系统专业， 会参与到地铁设计全过程，而且涉及专业多，图纸量大，尤其对于人防结构专业，因现有地铁人防计算标准及计算方法复杂， 人防段的单独计算与出图会占用结构设计人员大量的工作时间， 促使我们必须建立一套施工阶段地铁人防工程结构配筋通用图库， 以提高工作效率。

3 研究内容

对不同施工工法下地铁人防结构在不同土层类别、 埋深和断面形式下的出入口、风道、区间隧道等关键部位的荷载工况进行研究分析，确定一种简化设计方法。 根据该方法能迅速判断控制工况，避免其余复杂荷载工况的重复计算，提高工作效率， 并在此基础上考虑人防结构与周围土层的相互影响作用，进行优化配筋，得出地铁人防二衬结构配筋通用图库，提升设计的技术优势。

本文的研究内容包括：针对马蹄形、椭圆形、矩形、拱形、圆形等典型性的结构断面进行研究分析，考虑不同施工工法、不同深度土层、不同类型土质下的荷载控制工况；针对平时荷载、核爆荷载和静荷载组合、常规武器荷载和静荷载组合等进行比较分析，归纳出一种简化设计方法的确定原则。

本文以某口部门框墙计算为例进行计算说明。

3.1 工程概况

工程防核武器抗力级别6 级，工程防常规武器抗力级别6 级，口部形式单向式，钢筋HRB400，混凝土C35。 参考规范如下：

RFJ 02—2009《轨道交通工程人民防空设计规范》[1]（以下简称《轨道规范》）；

GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》[2]（以下简称《人民防空规范》）；

RFJ 01—2002 《人民防空工程防护设备产品质量检验与施工验收标准》[3]；

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）[4]。

轨道交通工程结构计算， 应分为平时和战时两种使用情况计算，并应取其中不利情况进行构件截面设计；在动荷载单独作用或动静荷载同时作用下， 构件荷载采用等效静荷载法进行计算。

3.2 核武器作用荷载计算

根据《轨道规范》表5.6.11-1 查得第一道防护门上的核爆空气冲击波超压ΔPc=0.120 MPa。

根据《轨道规范》表5.6.11-2，第一道防护门上的等效静荷载标准值为qf=1.5ΔPc=0.180 N/mm2。

根据《轨道规范》式（5.6.12），第一道防护门框墙上的等效静荷载标准值qe=KdΔPc=0.240 N/mm2。 其中，Kd为门框墙的动力系数，对于防护密闭门，Kd=2.0。

3.3 常规武器作用荷载计算

3.3.1 计算常规武器入射冲击波超压峰值ΔP

根据《轨道规范》表5.4.6，比例爆距和出入口形式对入射波的影响系数取值如下：K1=0.42，K2=0.43，K3=0.35，K4=2.07，K5=0.59，K6=0.43。 根据面积等效原则确定通道等效直径Deq，通道口宽W=6.600 m，通道口高H=6.500 m，Deq=7.391 m。

根据《轨道规范》第5.4.6 条确定防护门至出入口的直线距离L=66.000 m，则超压峰值ΔP=0.041 MPa，超压作用时间tOi=0.041 s。

3.3.2 计算反射超压峰值ΔPr

压力反射系数np=2.332， 反射超压峰值ΔPr=0.096 MPa，超压作用时间tO=0.041 s。

3.3.3 计算防护门和门框的动力系数

1）防护门动力系数Kdf

根据《轨道规范》第5.3.1 条，常规武器爆炸动荷载的波形简化为无升压时间的三角形，门的动力系数按式（1）计算。

首先需确定公式中的自振圆频率ω 和允许延性比[β]。 确定[β]，根据《轨道规范》第5.4.4 条，确定[β]=1.000；确定ω，则根据《人民防空规范》的条款C.0.2。a=3.250m，b=2.800 m，由于a/b=1.161，大于1，按式（2）和式（3）计算。

式中，a、b 为板的计算跨度，m；D 为板的抗弯刚度；m¯为板的单位面积质量，＝γd/g，γ 为材料重力密度，kN/m3，g 为重力加速度，m/s2，d 为板的厚度，m；Ωa、Ωb为频率系数。

式中，ψ 为刚度折减系数；υ 为材料泊松比；Ed为动荷载作用下材料弹性模量，kN/m2。

查表可得ψ=1.000； 静荷载时钢材弹性模量E=2.06×108kN/m2，动荷载情况下，钢材的弹性模量Ed=2.06×108kN/mm2，泊松比υ=0.300，板厚d=0.300 m，则D=509 340.659。γ=78.000kN/m3，g 取9.800 m/s2，m=2.388。

综上，ω=393.537。

因此，防护门的动力系数计算得Kdf=1.905。

2）门框墙动力系数Kde

根据《轨道规范》第5.3.1 条，常规武器爆炸动荷载的波形简化为无升压时间的三角门的动力系数按式（1）计算。 需首先确定公式中的自振圆频率ω 和允许延性比[β]。 确定[β]，根据轨道规范第5.4.4 条，确定[β]=1.000；确定ω，根据《人民防空规范》C.0.1，门框墙按照单跨等截面梁挠曲型确定的自振圆频率ω。

式中，B 为梁的抗弯刚度；Ω 为频率系数，按照《人民防空规范》C.0.1-1 采用，确定为Ω=3.520。门框墙厚h=0.700 m，悬臂长度l=0.750 m。 刚度折减系数ψ=0.600。 混凝土弹性模量按照C35，动荷载情况下， 混凝土的弹性模量Ed=3.78×107kN/mm2。 γ=25.000 kN/m3，g 取9.800 m/s2。

综上，ω=3 770.441，计算得Kde=1.999。

3.3.4 常规武器作用下的等效静荷载

按照《轨道规范》第5.4.4 条计算，防护门在常规武器作用下的等效荷载qf=0.182 MPa，门框墙的等效荷载qe=0.191 MPa。

3.4 总作用配筋计算

核武器和常规武器作用取不利的情况进行计算。 因此，防护门等效静荷载标准值为qf=0.182 MPa=182.162 kPa。

第一道防护密闭门配筋计算：门框墙划分为侧墙、上挡墙和门槛。 门框墙的等效荷载包括门扇传给的等效静荷载qi和直接作用在墙上的等效静荷载qe。

3.4.1 侧墙配筋

1）侧墙尺寸

门框墙悬挑长度l=0.750 m， 门扇在墙上的搭接长度l0=0.150 m，qi作用点至根部距离l1=0.700 m，qe分布宽度l2=0.600 m，墙厚h=0.700 m。

2）内力计算

门扇传给侧墙的荷载qi按照《轨道规范》5.9.3 计算。 其中γb反力系数，单扇门按《轨道规范》表5.9.3-1，双扇门按《轨道规范》表5.9.3-2。 γb=0.322，qf=0.182 MPa，a=3 250.000 mm，门扇传给门框侧墙单位长度的等效静荷载标准值qib=190.633kN/m。

按照《轨道规范》第5.9.5 条计算弯矩M 和剪力V，M=176.643 kN·m，V=334.633 kN，根据《轨道规范》第5.9.5 条，C/h0≤1，按牛腿设计；当C/h0＞1，按悬臂梁设计。其中C=M/V，h0=0.650，此处C/h0=0.812 小于1， 按牛腿计算。 其中，h0为截面有效高度；C 为换算剪跨。

3）配筋计算

系数α1=1.000，混凝土轴心抗压强度设计值fc=16.700N/mm2，截面宽度B=1 000.000 mm， 截面高度H0=650.000 mm， 系数αs=0.017， 系数ζ=0.017， 受拉区纵向普通钢筋的截面面积As=634.410 mm2，又根据最小配筋率为0.3/100，最小配筋面积Asmin=2 100.000 mm2，查钢筋面积表，取φ25 mm@200 mm，实配钢筋面积为2 455 mm2。

3.4.2 门槛配筋

门槛高度较小，因此弯矩小，一般按照最小配筋率和构造配筋即可。 根据最小配筋率0.3%，门槛尺寸：h=550.000 mm，得As=1 650.000 mm2。 取φ22 mm@200 mm， 实配钢筋面积1 901 mm2。

3.5 上挡墙配筋

上挡墙如果按悬臂梁计算配筋率较高。 此时在上挡墙端部加梁，按照梁和临空墙分担荷载计算。 本案例首先按悬臂梁计算配筋，如果配筋率较高，再增加端部梁计算。

1）尺寸

门在墙上的搭接长度为0.150 mm，h=0.700 m，l=1.000 m，l1=0.950 m，l2=0.850 m。

2）内力计算

门扇传给上挡墙的荷载qi按照《轨道规范》第5.9.3 条计算。 其中γa反力系数，单扇门按《轨道规范》表5.9.3-1，双扇门按《轨道规范》表5.9.3-2。 γa=0.362，qf=0.182MPa，a=3250.000mm。则门扇传给上挡墙和门槛单位长度的等效静荷载标准值qia=214.314 kN/m，qe=240.000 kN/m2。

按照 《轨道规范》 第5.9.5 条计算弯矩M 和剪力V，M=290.298 kN·m，V=418.314 kN。 根据 《轨道规范》 第5.9.5条，C/h0≤1， 按牛腿设计； 当C/h0＞1， 按悬臂梁设计。 其中C=M/V，h0=0.650 m，此处，C/h0=1.068 大于1，按悬臂梁计算。

3）配筋计算

α1=1.000，fc=16.700 N/mm2，B=1 000.000 mm，H0=650.000 mm，αs=0.027，ζ=0.028，As=1 048.407 mm2， 又根据最小配筋率为0.003，Asmin=2 100.000 mm2，查钢筋面积表，取φ25 mm@200 mm，实配钢筋面积为2 455 mm2。

按照计算过程，可归纳总结不同荷载下的取值，运用软件进行统计分析，达到快速计算的过程。 通过统筹程序，合理安排，利用基数，连续计算，一次算出，多次使用，结合实际，灵活机动的原则，对计算过程进行分段、分层、补加或补减的方式来达到快速计算出结果的目的。

4 主要解决问题

1）人防结构的简化设计方法，主要是考虑在平时和战时两种工况下种类繁多的结构断面控制荷载的快速确定， 建立人防二衬结构控制荷载选用表。

2）模拟人防结构与周围支护的相互影响作用，并结合分析结果与工程设计中常用的不考虑土结相互作用的计算结果进行对比，对人防结构配筋进行优化；

3）建立地铁人防二衬结构配筋通用图库，进一步完善相关设计图库。

5 创新点

1）系统性地对人防结构典型断面形状、不同施工工法、不同厚度、不同性质的土层进行研究分析，建立简单有效的判断方式和荷载图表，快速确定控制荷载工况，提高工作效率。

2） 通过数值计算模拟人防结构与周围支护的相互影响，考虑作用与反作用，并与工程设计的静定计算结果进行对比，得出更为经济合理的优化配筋， 对于地铁这种规模大投资大的公共项目，能节约大量的费用。

3）建立地铁人防二衬结构配筋通用图库，使没接触人防的普通设计人员能迅速熟悉人防工程设计并应用于实际，提高设计院的竞争实力， 从而在人防总包业务的竞争中能继续占据技术优势。

4）通过调研，广泛收集国内外关于地铁人防结构二衬荷载确定的最新研究；通过全面的研究分析，对以往的研究成果进行继承和消化吸收；通过理论计算、仿真模拟等方法，确定简化计算方法的原则；结合某条新地铁线路，开展研究成果的应用、示范工作。