浅谈人防工程结构设计的要点

浅谈人防工程结构设计的要点人防工程结构具有振动性、动静荷载等效性、工作状态的塑性、防护密闭性、平战兼顾性等特性设计要求，只有充分理解这些特性，把握人防结构设计一般设计原则，掌握人防结构设计的主要内容，才能把人防工程结构设计做好。

近年来，随着我国城市建设的发展以及社会各界对城市地下空间开发利用的重视，地下人防工程建设的规模和总量不断增大，建设水平不断提高，对广大人防工程设计人员也提出了更高的要求。由于人防工程与地面建筑工程有一定的区别，具有其特殊性，这就要求工程设计人员应掌握必备的人防专业知识，才能很好的胜任人防工程设计任务。以下就笔者多年来对人防工程结构设计的体会，从人防工程的结构特性、设计原则、设计内容这几个方面，谈一下自己的心得体会，供同行参考。

一、掌握、理解好人防工程的结构特性是关键

结构设计工作中，许多设计人员没有经过人防专业知识的系统学习，多数人是在工作的过程中接解到人防工程的，他们在模仿和自学中完成了人防工程的结构设计任务。由于没有掌握、理解好人防工程的结构特性，所做出设计文件往往达不到人防结构设计的规范要求，因此掌握、理解好人防工程的结构特性是做好人防工程结构设计的关键，人防工程归纳起来主要有以下几个特性。

1、结构构件的振动性

人防工程结构设计均按非直接命中计算，所受爆炸动荷载属于偶然性荷载，具有量值大，作用时间短且不断衰减等特点，这就造成了结构加速度大，引起结构不断振动，结构构件所受力不断从正面到反面交换变化，正是基于此，人防构件（比如人防顶板、人防墙体、人防主要出入口楼梯）强调双层双向配筋和设置拉结筋的构造要求。

2、动静荷载等效性

在动荷载的作用下，结构构件振型与相应静荷载作用下挠曲线很接近，且动荷载作用下的破坏规律与相应静荷载作用下的破坏规律基本一致，所以在动力分析时可将爆炸动荷载转换为相应的等效静荷载。但也应当注意到，由于是等效静荷载，结构实际承受的是动荷载，在动荷载的作用下材料特性有别于静荷载，在静荷载的基础上，混凝土及钢筋均有一个材料强度综合调整系数如HRB335级钢的综合调整系数为1.35,混凝土C55及以下为1.50，混凝土的弹性模量是静载时的1.2倍，钢材的弹性模量与静载时相同。有的设计人员没有注意到、理解到这个特性，在计算人防工程的主体结构时，没有对这些系数进行调整，计算结果不经济、合理。

3、工作状态的朔性

防空地下室只考虑一次承受核（常）武器爆炸作用，结构设计只要求主体结构能承受短时间的爆炸偶然荷载，结构变形和裂缝开展均不作要求，可不进行验算，防空地下室的工作状态要求较地面建筑的低，其工作状态可以达到朔性状态。规范（GB50038-2005）第4.6.2规定“在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，结构构件的工作状态均可用结构构件的允许延性比[β]表示。人防工程的[β]一般取值为3，通过充分发挥结构较大的朔性变形，来达到消耗核（常）爆炸动荷载的目的。正是基于此，规范4.2.2条规定“防空地下室钢筋混凝土结构构件，不得采用冷轧带肋钢筋、冷拉钢筋等经冷加工处理的钢筋”，保证构件的最大延性。

4、防护密闭性

人防工程防护密闭性体现在：战时不仅能承受核（常）爆炸荷载作用，也能防早期核辐射、抵御毒气、生化武器的侵入，保证人防工事内人员的安全。有的结构设计人员在结构设计时，只考虑到结构的防护安全性，没有注意到密闭性的要求，针对一些战时和平时都没有受到荷载作用的结构构件（比如说些密闭墙体），结构厚度设计及配筋量达不到规范的最低要求，更有甚者，把一些有密闭性要求的墙体设成了砖砌筑墙体。

5、平时功能和战时功能的兼顾性

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，在平面布置、结构选型、通风防潮、给排水和供电照明等方面，应采取相应措施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。平时功能要求各建筑分区连通、连贯，洞口较多，而战时功能要求防护密闭性，各洞口必须密闭。这要求平时用的洞口，结构设计时必须采取相关技术措施，确保其在战前能快捷、安全地实现平战转换，满足工程战时的防护密闭要求。

二、人防结构设计原则

在充分理解人防工程结构特性后，遵循人防结构设计原则，做好人防工程结构设计任务。人防结构设计原则主要有以下几条：

1、甲类防空地下室结构应能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，乙类防空地下室应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。对常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载，设计时均按一次作用。

2、防空地下室的结构设计，应根据防护要求和受力情况做到结构各部位抗力相协调。

3、防空地下室结构在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，其动力分析均可采用等效静荷载法。

4、防空地下室结构在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，应验算结构承载力；对结构变形、裂缝开展以及地基承载力与地基变形可不进行验算。

5、对乙类防空地下室和核5级、核6级、核6B级甲类防空地下室结构，当采用平战转换设计时，应通过临战时实施平战转换达到战时防护要求。

6、防空地下室，应根据其上部建筑在平时使用条件下对防空地下室结构的要求进行设计，并应取其中控制条件作为防空地下室结构设计的依据。

三、人防工程结构设计的主要内容

人防工程结构设计的主要内容包括：防空地下室防护类别及抗力等级的确定、防空地下室荷载取值、组合及内力分析、防空地下室主体结构的计算设计、防空地下室口部设计、防空地下临战转换设计、防空地下室构造设计等内容。

3.1、防护等级及类别的确定

防空地下室按承受核爆炸动荷载与否来划分成甲类和乙类；按抗力级别来划分为核4级、核4B级、核5级、常5级、核6级、核6B级、常6级；按战时用途划分成：专业队员掩蔽部、医疗救护站、二等人员掩蔽所、人防物资库、人防汽车库等。人防地下室的类别及防护等级由当地人防主管部门根据国家的有关规定，结合当地的具体情况在方案评审时提出并定防护等级和工程类别。

3.2、防空地下室荷载取值、组合及承载力设计

防空地下室荷载取值一般有公式计算法和查表法两种方法。

3.2.1公式计算法

甲类防空地下室核爆炸荷载取值按公式计算法可按规范第4.4-4.6节公式按下列顺序进行。

ΔPmΔPmsΔPhΔPcqe

式中ΔPm―核武器爆炸地面空气冲击波最大超压，根据抗力级别直接选用。

ΔPms―核武器爆炸地面空气冲击波最大超压计算值。

ΔPh―核武器爆炸土中压缩波的最大压力值。

ΔPc―核武器爆炸地面空气冲击波作用在结构构件上的动荷载。

qe―核武器爆炸地面空气冲击波作用在结构构件上的等效静荷载。

甲、乙类防空地下室常规武器爆炸荷载取值按规范附录B公式计算按下列顺序进行。CΔPcmΔPchΔPcqe

式中C―等效TNT装药量（kg），按国家现行有关规定取值。

ΔPcm―常规武器地面爆炸空气冲击波最大超压值。

ΔPch―地面空气冲击波在深度h（m）处感生的土中压缩波最大压力

ΔPc―常规武器地面爆炸空气冲击波作用在结构构件上的动荷载。

qc―常规武器地面爆炸空气冲击波作用在结构构件上的等效静荷载。

3.2.2查表法

为了便于设计人员快速、便捷取等效荷载值，规范第4.7节和4.8节分别列出了各类人防结构构件在核（常）武器作用下的等效静荷载值。特别注意的是，列表所给的等效静荷载值，是在特定的条件下按照公式计算得出，如果不符特定条件，不能直接取用表中所提供的数值。

3.3荷载组合及内力分析

无论核武器爆炸荷载或是常规武器爆炸荷载，均作偶然荷载参与组合。规范第4.9.1条规定：甲类防空地下室结构应分别按下列第1、2、3款规定的荷载（效应）组合进行设计，乙类防空地下室结构应分别按下列第1、2款规定的荷载（效应）组合进行设计，并应取各自的最不利的效应组合作为设计依据。其中平时使用状态的荷载（效应）组合应按国家现行有关标准执行。

1、平时使用状态的结构设计荷载；

2、战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用；

3、战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。

规范4.9节用列表形式给出了各结构构件的荷载组合情况。

其承载力设计应采用极限状态设计表达式:

1.0*(1.2SGK+1.0SQK)≤R(3.3-1)

R＝R(fcd,fyd,aK,……)(3.3-2)

3.4、主体结构设计

主体结构包括人防基础、人防底板、人防墙（柱）及人防顶板等外围结构。目前许多专业建筑结构软件技术成熟，只要在结构模型上输入正确的等效静载，就能计算得出人防基础、底板（梁）、顶板（梁）的配筋值。需要说明的是，荷载组合和内力分析是基于战时极限承载能力状态，规范也注明了防空地下室战时应验算结构承载力，对结构变形、裂缝开展不进行验算。但是，人防地下室一般埋深较深，地下水丰富，平时使用时对变形及裂缝要求较高，战时荷载比平时荷载大得多，战时极限承载能力满足平时极限承载能力要求，战时[β]=3，而平时的正常使用极限状态[β]≤1，基于此，笔者建议，在用战时荷载与静载组合验算主体结构的极限承载力前提下，用平时荷载验算外围结构（对防水防潮要求高部件）的平时使用极限状态，确保防空地下室平时的正常使用。

3.5、人防口部结构设计

人防口部结构设计包括门框墙配筋、临空墙、密闭墙、扩散室墙体、人防门扇（有标准图集，只需选用），各种竖井壁、车道、人防主要出入口楼梯等的配筋。人防口部是人防结构工程的薄弱部位，所受荷载力很大是人防结构设计的重点内容，弄清楚各部件的受力状态是关键。

人防门框墙按悬臂构件来考虑，其上除了作用有核爆均布荷载外，还有门扇上传来的线集中荷载。这两个荷载很大，为了改善其受力状态，当门洞边墙体悬挑长度大于1/2倍该边边长时，宜在门洞边设梁或柱。应该注意到，人防门框墙主要承受水平力作用，受力筋应按是悬臂构件来设置，而在用一些专业软件建模计算时，将门框墙体按短肢剪力墙进行计算，导致人防门框墙水平钢筋成了约束边缘构件筋，这是不对的。

人防墙体（包括外围护墙体、临空墙体、扩散室墙体、防护单元间墙体）一般按下端固结，上端铰支，左右两边自由的单向板进行计算。只要截面厚度符合规范要求，荷载取值正确，一般不会出现大多问题。

在对各种竖井壁配筋计算时，许多人认为井壁侧压力与爆炸荷载同时作用，而爆炸荷载比侧压力大得多，所以井壁截面计算应以爆炸荷载考虑为主。其实经过土压的传播，侧压力与爆炸荷载有个时间差，计算配筋时只需考虑在侧压力作用下，竖井壁安全就行了。

车道和人防主要出入口楼梯配筋计算。作为战时主要出入口，战时有人员和车辆的出入，车道和出入口楼梯应按人防荷载计算和相关的构造措施。应注意到的是，这只对战时主要出入口有要求，次要出入口及其他出入口就没有这方面的要求。

3.6、临战转换结构设计

临战转换一般是针对平时使用，战时不用的各类洞口。搞好临战转换结构设计，首先要理解临战转换的含义。人防工程要平战兼顾，为了满足平时要求而大量设计洞口的临战转换是不可取的。临战转换有技术上及时限上的要求，所以规范规定“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、后两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。”每个防护单元的临战转换不宜超过两个。再次要分受力方向各类型，临战转换一般分为单元外及单元间两种类型，对于单元外类型的，预埋构件应设在受力的外侧方，而对于单元间类型的，由于相邻两个防护单元受到破坏的机率相同，两外受力的机率也相同，所以预埋件一般在两防护单元间洞口的中央设置。

3.7、结构构造设计

由于人防工程结构固有的振动性、塑性、防护密闭性等特性，人防工程的执行的构造要求比普遍工程要严格得多，只有这样才能保证战时功能要求。设计上主要出现的问题可以归纳为以下几点：

1、结构构件厚度达不到最小厚度要求。有些设计人员只注重于结构计算，一旦计算通过就认为万事大吉，结构计算通过只保证结构受力的安全性，殊不知人防工程还有防早期核辐射的功能，只要同时满足于结构计算和防早期核辐射的构件厚度，才是安全的构件厚度。

2、结构变形缝的设置。有些设计人员只考虑到地面建筑结构规范上的要求，随意在人防地下室中设置各种缝忽略了人防地下室内不可设缝的要求，造成人防工程的战时防护密闭性得不到保障；

3、由于人防地下室振动性及塑性,防空地下室钢筋混凝土结构构件，其纵向受力钢筋的锚固长度