防空地下室结构设计的探讨

张永谦  张静波

摘  要：本文通过设计实例，对人防工程设计中遇到的若干问题进行了分析与探讨。
关键词：防空地下室   临空墙  防护单元

0前言
人民防空是指国家根据国防需要，动员和组织群众采取防护措施，防范和减轻空袭灾害。人民防空工程(亦称人防工程)，是为保障战时人员与物资掩蔽、人防指挥、医疗救护等需要而修建的地下防护建筑。
防空地下室是结合地面建筑修建的战时用于人民防空的，具有一定防护能力的地下室。防空地下室是人防工程的重要组成部分。与其它类型人防工程一样，它具有国家规定的防护能力和各项战时防空功能，是实施人民防空最重要的物质基础。
防空地下室设计必须贯彻“长期准备、重点建设、平战结合”的方针，并应坚持人防建筑与经济建设协调发展、与城市建设相结合的原则。下面，通过一个工程设计实例，对在含人防的多高层建筑地下室的结构设计中遇到的若干问题进行了分析与探讨。
1防空地下室结构设计的主要特点
  1.1与普通地下室相比，防空地下室结构设计的主要特点是要考虑战时规定武器爆炸动荷载的作用。武器爆炸动荷载属于偶然性荷载，荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。暴露于空气中的防空地下室结构构件，如高出地面不覆土的外墙、不覆土的顶板、口部防护密闭门及门框墙、临空墙等部位直接受空气冲击波的作用。其它埋入土中的围护结构构件，如有覆土的顶板、土中外墙及底板等，则直接受土中压缩波的作用。此外防空地下室内部的墙、柱等构件则间接承受围护结构及上部结构爆炸动荷载作用。
1.2地面建筑的防空地下室结构，是整个建筑结构体系的一部分，不仅要满足战时的抗力要求，而且应满足平时使用的结构要求，即防空地下室结构设计应同时满足平时和战时二种不同荷载效应组合的要求。
1.3平战结合的防空地下室应满足平时使用的要求。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。采取的转换措施应能在规定的时限内完成防空地下室的功能转换。
1.4上部建筑物受冲击波荷载作用而产生的作用于防空地下室结构上的荷载一般不考虑。
1.5钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计。对防空地下室中钢筋混凝土结构构件(如顶板、外墙、临空墙)来说，处于屈服后开裂状态仍属正常的工作状态，这样可充分利用材料潜力，如受弯构件，在屈服后还要经历很大变形才会完全坍塌，因此考虑塑性阶段工作，可承受更大动力荷载，有较大经济意义。
1.6材料设计强度可提高
试验表明，加载速率直接影响材料的力学性能。在武器爆炸动荷载作用下，结构构件所经受的是毫秒级快速变形过程，与标准静载试验速度相比要快千百倍，这时材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高。
1.7由于武器爆炸动荷载是偶然性荷载，钢筋混凝土构件又允许开裂，因此比之静荷载作用下构件的安全度可适当降低，如民用建筑结构设计延性构件的失效概率为10-3～10-4；人防结构的失效概率为5％～8％。
1.8在武器爆炸动荷载作用下，地基承载力有较大提高，同时安全系数也可取较低，在这种瞬间荷载作用下，一般不会产生因地基失效引起结构破坏。因此防空地下室结构在核爆炸动荷载作用下，可不验算地基承载力与地基变形。
2工程实例
我县华侨大酒店是餐饮、娱乐、商住为一体的综合性酒店，其中地下一层，地上为18层，结构型式为框架—剪力墙结构。建筑高度为61m，地震设防烈度为6度，框架抗震等级为4级，剪力墙抗震等级为3级，人防设计等级为6级。总建筑面积为12300m2，其中地下室面积为4012 m2(含人防面积2641 m2)，分4个人防防护单元设计。地下室层高为3．90m，桩基采用机械钻孔桩。
2．1结构选型及设计内容
防空地下室的结构体系布置，必须考虑地面建筑结构体系。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。
结构内容分为二部分，一是主体结构设计，包括顶板，外侧墙、底板等构件的结构设计；二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统(防护设备)，其中出入口的防护包含防护密闭门的选用，门框墙、临空墙的计算，出人口通道(包括风井)的计算等几个方面，而消波系统的设计包含防爆破活门的选用和扩散室的设计，了解了上述人防地下室结构设计的特点和内容后，首先就必须确定计算所需的荷载值。
2．2人防荷载的确定
规范GB50038—2005明确规定人防工程按可能受到的空袭威胁划分为甲、乙二类，该工程是按甲类防空工程设计的，因此在设计时不仅考虑了满足核武器爆炸的防护要求，还考虑了按常规武器和生化武器的各项防护要求。
该工程采用了全埋式现浇钢筋砼结构、考虑到小区内部的环境绿化问题，在地下室顶板上设置了1．0m厚的覆土，以满足绿化的需要。各部位的等效静荷载取值分别如下：
顶板：因上部建筑底层为框架结构的填充墙，且墙面开孔面积大于50％，故不计上部建筑物对地面冲击波超压作用的影响，等效静荷载标准值按核6级取值为：70kN／m2。
侧墙：因地下室处于地下水位以下，且地基土为淤泥质饱和土，故按常6级取值为：60kN／m2。
底板：按核6级取值，因本工程为甲类防空地下室，且桩基为按单桩承载力特征值设计，故底板上的等效静荷载标准值取值为：25 kN／m2。
门框墙：均按核6级取值，因它所受的荷载由2部分组成，一是直接作用在墙上的荷载200kN／m2。二是由门扇传来的等效静载标准值，分别按门扇的型号及大小计算确定。
临空墙：按核6级设计取值为：130kN／12m2。
隔墙：按核6级取值，隔墙有2类，一是相邻防护单元间的隔墙，取值为：50 kN／m2，二是6级人防单元与普通地下室间的隔墙，取值为：110 kN／m2。
2．3荷载组合及内力分析
作用在防空地下室结构上的荷载，应包括爆动荷载，上部建筑物自重，上部结构荷载，土压力、水压力及防空地下室自重等。
在确定战时常规武器与静荷载同时作用的荷载组合时，可按上部建筑不倒塌考虑。对于战时核武器与静荷载同时作用下的荷载组合，因本工程为6级人防，规范规定上部建筑物倒塌时间大于防空地下室结构构件达到最大变位时间乙，故计入全部上部建筑物的自重值。
该工程桩基在地下水位以下，故底板荷载组合中应计入水压力。据现行《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求，该结构设计采用可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法，结构可靠度用可靠指标，以分项系数表达的设计表达式进行设计，本工程等效静荷载的分项系数1．o，永久荷载的分项系数取1．2，可变荷载的分项系数取1．40。该工程主体结构设计时应用了中国建研院开发的PKPM、SATWE软件。
2．4构造要求
本工程砼墙的抗渗等级为S6。外墙及柱的砼强度等级为C35，其它部分的砼强度等级为C30。地下室内没有设置沉降缝和伸缩缝，而是设置了多条纵横交错的后浇带。对双面配筋的钢筋砼顶、底板及墙板，为保证震动环境中钢筋与受压区混凝土共同工作，在上、下层或内、外层钢筋之间设置一定数量的拉结筋。
2．5孔口防护及平战转换设计
2.5.1孔口防护包含三部分的设计内容：一是防护密闭门与消波系统的设计，二是出人口通道内临空墙、门框墙的设计．三是孔口其它构件，如风井、防倒塌棚架、开蔽式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计，其中第二、三条中的临空墙、相邻单元之间的隔墙已在上面谈到了荷载确定，设计人员可按一般墙体的计算模式，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，但需注意的就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，这种情况下，可考虑在不影响功能使用的前提下，加设柱、梁改变门框墙的受力形式，得到较为经济的设计效果，风井的设计中只计算土中压缩波的压力，对空气冲击波则不予考虑，因两者不会同时作用。当空气冲击波到达出入口通道时，虽然有通道出入口的扩散作用，但遇墙体和门的反射作用使作用在门上的总效应大于空气冲击波的压力，约为2．0一3．5倍。为方便工作设计人员，将防密门进行系列化处理，依据设计压力和门洞尺寸就可轻松地选择定型的防密门。扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙，墙面本身受的荷载均按临空墙荷载取值，扩散室与土相邻的顶底板及外墙按土中压缩波压力确定荷载。
2.5.2由于防空地下室平时与战时的使用要求有时会出现矛盾，因此设计中如何既能满足战时要求又能满足平时要求，常会遇到困难。为较好地解决这一矛盾，规范提出可采用“平战转换设计”这一设计方法。其基本思路是：在设计中对防空地下室的某些部位(如专供平时使用的较大出入口)，可以根据平时使用需要进行设计，但与此同时，设计中也考虑了满足战时防护要求所必需的平战转换措施(包括转换的部位，如何适应转换后结构支承条件的变化及如何在规定的转换时间内实施全部转换工作的具体措施)。通过这种设计，防空地下室既能充分地满足平时使用需要，又能通过战前实施平战转换达到战时各项防护要求。采用平战转换的防空地下室，应进行一次性的平战转换设计。实施平战转换的结构构件在设计中应满足转换前、后二种不同受力状态的各项要求，并在设计图纸中说明转换部位、方法及具体实施要求。平战转换措施应按不使用机械，不需要熟练工人能在规定的转换期限内完成。临战时实施平战转换不应采用现浇混凝土；对所需的预制构件应在工程施工时一次做好，并做好标志，就近存放。
3结束语
通过该工程的设计，发现含人防地下室的设计，关键是要求防空地下室在规定的设计使用年限内，除了满足平时使用功能的要求外，甲类防空地下室还应满足“能够承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用”的战时防护功能的要求，通过“平战转换设计”这一设计方法来解决平时与战时使用要求上，可能出现的矛盾并实现长期准备、重点建设，使其在确保战备效益的前提下充分发挥社会效益和经济效益。