人民防空工程结构设计实例分析

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　　摘    要：当今世界政治局势风云突变，各国军事力量不断发展，武器装备愈加先进，在这样的形势下，人民防空工程尤为重要。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，在平时也作为防灾、减灾指挥所及避难所。本文对人防地下室结构设计的特点、原则及设计内容等问题进行了总结，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。
　　本文通过介绍大兴区榆垡组团二期安置房项目11号楼配套服务设施项目中地下人防设计的实例，系统的展示人防设计过程中的一些关键要点， 首先应根据建筑基本条件确定结构布置体系，如本工程人防地下室顶板及底板均采用梁板结构体系;其次应确定人防抗力等级进而确定人防荷载，人防荷载需要根据《人民防空地下室设计规范》及《（北京市）平战结合人民防空工程设计规范》确定顶板、外墙、底板、门框墙、临空墙及隔墙的人防荷载，其中部分荷载还要考虑上部建筑影响分别考虑荷载;再将荷载输入模型并正确选取设计参数进行计算，根据计算结果有必要再调整构件尺寸重新计算，重复此过程以得到合理的配筋结果并满足最低构造要求。本人防工程结构设计实例分析可作为此类人民防空工程结构设计的参考。
　　关键词： 人防设计，结构选型，人防荷载
　　1  引言
　　近年来，世界政治局势风云突变，国际关系虽出现了缓和，但是战争的根源依然存在，各国军事力量及武器装备不断发展，在这样的形势下，人民防空工程尤为重要。人防工程对核武器、化学武器、生物武器的各种杀伤因素和对常规武器的袭击都有较好的防护作用。人民防空工程也叫人防工事，是指为保障戰时人员与物资掩蔽、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，在平时也作为防灾、减灾指挥所及避难所。人防工程结构设计是整个人防工程设计中至关重要的组成部分，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。本文通过介绍一个人防工程结构设计的实例，系统的介绍人防结构设计的流程及要点。
　　2  人防工程结构设计的特点
　　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，在平时也作为防灾、减灾指挥所及避难所。防常规武器抗力级别分为5、6级，简称为常5级和常6级;防核武器抗力级别分为4、4B、5、6、6B级，简称为核4级、核4B级、核5级、核6级、核6B级。
　　GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》条文说明4.1.1规定：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。常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载均属于偶然性荷载，具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。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、临空墙等部位直接承受空气冲击波的作用。其它埋入土中的围护结构构件，如有覆土顶板、土中外墙及底板等，则直接承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动荷载作用。
　　防空地下室的结构布置，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。
　　防空地下室的结构选型包括结构类别和结构体系的选择。结构类别一般可分为砌体结构和钢筋混凝土结构两种。当上部建筑为砌体结构，防空地下室抗力级别较低且地下水位也较低时，防空地下室可采用砌体结构。防空地下室钢筋混凝土结构体系常采用梁板结构、板柱结构以及箱型结构等，当柱网尺寸较大时，也可采用双向密肋楼盖结构、现浇空心楼盖结构。
　　目前在防空地下室中采用的预制装配整体式构件有叠合板、钢管混凝土柱及螺旋筋套管混凝土柱等。其它预制装配式构件，如有充分试验依据，也可逐步用于防空地下室。
　　另外，GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》4.2.3条规定：在动荷载和静荷载同时作用或动荷载单独作用下，材料强度设计值可按下列公式计算确定：
　　fd=γd×f
　　式中fd为动荷载作用下材料强度设计值;f为静荷载作用下材料强度设计值;γd为动荷载作用下材料强度综合调整系数。
　　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。
　　3  人防工程结构设计的原则
　　人防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。
　　《人民防空工程战术技术要求》将人民防空工程按可能受到的空袭威胁划分为甲、乙两类：甲类工程防核武器、常规武器、化学武器、生物武器袭击;乙类工程防常规武器、化学武器、生物武器的袭击。
　　GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》4.1.3条规定：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，乙类防空地下室结构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。4.1.4条至4.1.6条规定：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个部位抗力相协调;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;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。 　　另外，4.1.7条规定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;以及4.1.8条规定防空地下室结构除按本规范设计外，尚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。
　　4  工程实例
　　北京市大兴区榆垡组团二期安置房项目11号楼配套服务设施，地上两层，地下两层。建筑高度8.1m，地下一及地下二层高3.9m。建筑面积2836m2，地下室建筑面积1655m2，其中人防建筑面积1002m2。其中地下二层为人防区，人防单元战时为专业队掩蔽所，平时功能为社区活动，人防抗力等级为甲5级，防化等级为二等人员掩蔽所防化等级为丙级。
　　本工程结构形式为钢筋混凝土框架结构，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为8度，设计基本加速度峰值为0.2g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组。基础采用梁板式筏基。
　　本工程人防地下室结构设计依据GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》，DB11/994—2013《（北京市）平战结合人民防空工程设计规范》以及防空地下室结构设计（国家建筑标准设计图集FG01～05）（2007年合订本）等现行国家标准规范、图集等进行设计。以下将通过本工程对人防地下室的结构设计进行实例分析。
　　4.1  结构选型及构件尺寸
　　依据相关规范、图集及工程实际情况，采用钢筋混凝土结构，基础为梁板式筏形基础。
　　基础底板厚度为400mm，基础梁截面尺寸均为700mm[×]800mm;框架柱均为600mm[×]600mm;人防顶板厚度为300mm，C轴线以北及6轴线以东区域为无上部结构的纯地下室，顶板覆土厚度为3.9m，此范围人防顶板厚度为400mm。人防地下室的框架梁截面尺寸为600mm[×]900mm、700mm[×]1000mm等;人防外墙，人防临空墙，人防隔墙厚度均为300mm;人防内墙厚度为200mm，门框墙厚度为300mm、500mm，防爆破活门门框墙厚度为600mm及700mm。混凝土强度为C40，钢筋强度为HRB400。
　　4.2  人防荷载的取值
　　本工程是按甲类防空工程设计的 ，因此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，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。依据相关规范，各部位的等效静荷载取值分别如下：
　　顶板： 根据顶板短边净跨，板上覆土的厚度及是否考虑上部建筑的影响，按核5级取值。C轴线以北及6轴线以东区域的等效静荷载标准值为： 130kN/m2及145kN/m2;其他区域的等效静荷载标准值为： 100kN/m2。
　　外墙： 本工程基础底板位于地下水位以上，因此按照非饱和土中外墙等效静荷载标准值取值，地基土为粉土，按核5级取值为： 50 kN/m2。
　　底板： 本工程基础底板位于地下水位以上，根据顶板短边净跨，板上覆土的厚度及是否考虑上部建筑的影响，按核5级取值，核5级防空地下室底板的等效静荷载标准值按考虑上部建筑影响计算，当按不考虑上部建筑影响计算时，可将表中数值除以0.95后采用。底板上的等效静荷载标准值取值为： 75kN/m2。
　　门框墙： 均按核5级取值 ，因它所受的荷载由两部分组成 ，一是直接作用在墙上的荷载 380kN/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： 按允许延性比[β]等于2.0计算时，按核5级设计取值为： 270kN/m2。
　　隔墙： 按核5级取值 ，按照人防单元与普通地下室间的隔墙 ，取值为： 180kN/m2。
　　楼梯：按核5级取值 ，正面荷载120kN/m2，反面荷载60kN/m2，中间有支撑墙的封闭式楼梯间或中间无支撑墙的开敞式楼梯间，在楼梯休息平台或踏步板正面受冲击波荷载后， 经过几毫秒时间冲击波就绕射到反面，因此对楼梯休息平台和踏步板应按正面与反面不同时受荷分别计算。
　　4.3  荷载组合和内力分析
　　人防地下室结构上的负载主要包括爆炸荷载、上部建筑自重、土压力、水压力和防空地下室自重。在进行结构设计的过程中，需要结合工程结构的特点选择合适的荷载组合，保证工程的质量。在进行荷载组合时，应当确定好上部建筑物自重标准值，并对上部结构进行详细说明，在设计的过程中需要进行仔细分析。本工程为甲类防空地下室结构应分别按平时使用状态的结构设计荷载;战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用;战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用的荷载（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。本工程各个部位参与组合的荷载如表1所示。
　　GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》，DB11/994—2013《（北京市）平战结合人民防空工程设计规范》中对人防工程结构内力分析有详细的规定，防空地下室结构在确定等效静荷载和静荷载后，可按静力计算方法进行结构内力分析。对于超静定的钢筋混凝土结构，可按由非弹性变形产生的塑性内力重分布计算内力。本工程具体设计时，人防顶板采用盈建科建筑结构计算软件YJK-A进行内力分析，人防底板采用盈建科基础设计软件YJK-F进行内力分析;人防外墙、临空墙、隔墙、门框墙及人防楼梯均采用理正人防电算软件进行内力分析。地下二层梁、柱配筋计算结果简图，地下二层板配筋计算结果简图，配筋均满足配筋率要求，且构件尺寸合理。
　　4.4  构造要求
　　本工程人防构件均采用C40 混凝土，设计抗渗等级为P6，人防构件截面尺寸均满足相关规范的要求。最外层钢筋的保护层厚度如表2所示。
　　其他需注意的构造要求还有以下几点：钢筋混凝土结构构件纵向受力钢筋的锚固长度laF=1.05lad;地下室基础底板上层筋必须从地基反梁上层主筋下部穿过，顶板下层筋必须从顶板反梁下层主筋上部穿过;人防围护结构和密闭墙体门洞四角必须设置加强筋：长度1000mm，斜45[°]绑扎，墙厚≦400mm，每角2φ16;墙厚>400mm，每角3φ16;被止水钢板割断的附墙柱箍筋应搭接焊在止水钢板上;人防围护结构和密闭墙体（均为钢筋混凝土内墙）模板对拉螺杆不允许穿PVC套管，且螺杆中部应设止水片;管割断的墙筋应点焊在穿墙管上;人防区顶、底板、临空墙必须设拉结筋，形式S型，≧φ6，间距≦500mm，梅花形布置。
　　梁与边柱交接处，外墙与顶、底板交接处钢筋构造要求为：边柱外侧纵向钢筋伸入地、顶梁内的锚固长度应≧1.5lad;当顶板厚度<外墙厚度时，顶板上排筋伸入外墙内锚固长度应≧1.5lad;当顶板厚度≧外墙厚度时，外墙外侧纵向钢筋伸入顶板内锚固长度应≧1.5lad;外墙外侧纵向钢筋伸入底板内锚固长度应≧1.5lad。
　　5  结论
　　本项目系统的展示人防设计过程中的一些关键要点， 首先应根据建筑基本条件确定结构布置体系，如本工程人防地下室顶板及底板均采用梁板结构体系;其次应确定人防抗力等级进而确定人防荷载，人防荷载需要根据《人民防空地下室设计规范及《（北京市）平战结合人民防空工程设计规范》确定顶板、外墙、底板、门框墙、临空墙及隔墙的人防荷载，其中部分荷载还要考虑上部建筑影响分别考虑荷载;再将荷载输入模型并正确选取设计参数进行计算，根据计算结果有必要再调整构件尺寸重新计算，重复此过程以得到合理的配筋结果并满足最低构造要求。
　　本人防工程結构设计实例分析可作为此类人民防空工程结构设计的参考。
　　参考文献：
　　[1] GB 500038—2005.人防地下室设计规范[S].
　　[2] DB11/994—2013.（北京市）平战结合人民防空工程设计规范[S].
　　[3] 防空地下室结构设计（国家建筑标准设计图集FG01～05）（2007年合订本） [S].
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