关于人防结构设计分析
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摘要：本文作者总结自己设计经验，阐述了人防地下室结构的设计特点、原则、内容、方法与常见问题，并对此类结构设计经常遇到的问题、设计要点作了相关探讨。
关键词：人防地下室；结构设计；荷载；平战结合；孔口防护
1 人防结构设计的特点
1）核武器、常规武器爆炸动荷载作用属于偶然性荷载，具有量值大、作用时间短(1s左右)且不断衰减等特点，整个结构寿命期内只考虑一次作用，钢筋混凝土构件又允许开裂，因此构件安全度可降低，人防荷载的分项系数取1.0。
2）地面多层或高层建筑物，对于普通爆破航弹、核爆炸冲击波早期核辐射等破坏因素都有一定的削弱作用，防空地下室设计时可考虑这一因素。
3）应同时满足平时和战时两种不同荷载效应组合的要求。
4）钢筋混凝土结构构件可按弹塑性设计，对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。
5）在人防荷载作用下，材料强度会提高，但变形性能包括塑性性能等基本不变，这对结构有利，在设计中通过材料强度综合调整系数体现。
6）在核爆炸动荷载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，试验中不论是整体基础还是单独基础，均未发现地基有剪切或滑动破坏的情况，因此结构设计可不验算地基的承载力及变形，但对甲类防空地下室的桩基，不论何种情况，桩本身都应按计入上部墙、柱传来的核武器爆炸动荷载的荷载组合来验算承载力。
2 人防结构设计的原则
1）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）平战结合，取控制条件，在5级或6级人防设计中，结构的顶板基本上都由战时控制，而侧墙和底板则因地下室结构形式的不同而由实际情况确定。
3）只进行承载力的验算，由于在核爆炸动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比来控制，因而在防空地下室结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝进行验算。
4）注意各部位的抗力（强度）协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用。
5）地面与地下承重结构体系要协调，不能出现两者强弱相差较大的情况。
6）人防地下室墙、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。
7）重视构造要求，人防设计的许多构造要求与一般的建筑设计不同，要求更为严格，应充分保证结构的延性，“强柱弱梁（板）”、“ 强剪弱弯” 。
3 人防结构设计的内容、方法及常见问题
3.1 人防荷载取值 人防荷载取值根据人防地下室抗力级别（是当地人防部门根据国家制订的《人民防空工程战术技术要求》确定的）采用公式计算或规范查表，实际设计时常用“理正人防工程结构设计软件”计算顶板、侧墙及无桩基底板人防荷载，确定各构件人防荷载时要注意比较核武器和常规武器爆炸动荷载作用，取较大值控制。当所有构件的等效静荷载值确定后，即可进行结构计算。
3.2 荷载组合和内力分析
1）顶板参与组合的荷载有人防等效静荷载、自重、覆土重等，平时使用活荷载战时不需要叠加，具体设计时，顶梁板可采用“PKPM-SATWE电算软件”进行内力分析，该软件有人防计算功能，顶板也可用“理正软件”计算。顶板战时工况可采用塑性算法，平时工况应采用弹性算法，板配筋取两种工况计算结果较大值，板面筋除按0.25%配筋率贯通外，支座筋不足者可另加非贯通筋，这样较经济，但要注意板底筋、板面贯通筋及非贯通筋间距应协调，以便拉筋布置；另外注意坡道作为战时主入口时，口部以外的顶盖板也应考虑人防荷载作用。
2）外墙参与组合的荷载有人防等效静荷载（包括水平荷载及顶板传来的荷载）、外墙自重、上部建筑自重、地面活荷载、土压力、水压力等，外墙配筋主要由垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩确定，设计时为简化计算通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算墙的配筋。地下室外墙可根据支承情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等，有的相距较远，因此在工程设计中一般把楼板和基础底板作为外墙板的支点（单跨或多跨）计算， 在基础底板处按固端，顶板处按铰支座。具体设计时，外墙可采用“MorGain结构快速设计软件”按连续梁模型计算内力，也可用“理正软件”计算。按上述计算模式，外侧竖向筋宜设置在外排，与顶板类似，外墙外侧竖向筋也可采用贯通筋与非贯通筋交错布置方式。外墙选筋时宜按“直径细且间距密”的原则，最大间距不宜大于200mm，有利于控制裂缝。
3）底板对带桩基的底板，人防荷载与水压力及板自重组合；对无桩基的底板：a. 地基反力中没有计入水浮力时，人防荷载不与水压力组合；b.地基反力中计入水浮力时，人防荷载应与水压力组合。具体设计时，对无桩基的底板可采用“PKPM-JCCAD 电算软件”进行内力分析；对带桩基的底板可参照顶梁板类似建模，采用相同软件按倒楼盖算法即可，采用该软件作内力分析时，注意活载应输非0数，人防荷载才能传递，底板钢筋按倒楼盖配置。
4）内承重墙、柱荷载组合相对简单，要注意的是在进行荷载组合时，常规武器爆炸动荷载作用时上部建筑物自重全部考虑，核爆炸动荷载作用应根据抗力等级、上部结构形式，在进行荷载组合时上部建筑物自重可区分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况，设计时应认真分析确定。具体设计时，对主楼塔数较多、地下室作为上部结构的嵌固端且大底盘地下室通常又不设缝时，为提高计算效率，各塔可独自带地下室分析计算，各塔的地下室结构层宜比主楼多出1~2跨参与内力分析计算，主楼的承重墙、柱计算结果即可采用。设计顶梁时可不带主楼，另行建模计算，其与带主体建模计算结果比较，多个实际工程均表明，顶梁配筋误差很小，其中支座筋误差约3%，梁底筋基本无误差，故可采用，这种方法对体量较大的多塔楼结构可有效缩短设计周期。
3.3 孔口防护和平战转换设计 孔口防护包含三部分的设计内容：1）防护密闭门与消波系统的设计，由建筑、通风专业完成；2）出入口通道内临空墙、相邻单元之间的隔墙、门框墙等的设计，其中临空墙、相邻单元之间的隔墙，设计人员可参照外墙的计算模式设计，而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，有时门框墙的悬臂长度过长，而使水平筋过大，这种情况下，加暗柱或暗梁、壁柱或壁梁，可得到较为经济的设计效果；3）孔口其他构件，如风井、通信、电力防爆波电缆井、防倒塌棚架、开敞式通道的设计，其中开敞式通道不考虑核爆炸动荷载，只考虑静土、水侧压力，而风井、通信、电力防爆波电缆井、防倒塌棚架的设计一般直接选用通用图，注意钢结构防倒塌棚架土建需配相应基础图。
平战转换设计的基本原则是：1）工程平战用途相近；2）转换工作要小；3）一次设计，分两步施工；4）考虑兼容性和通用性；5）转换措施要求快速、经济、简便、可靠。各部位封堵构件上的荷载种类较多，设计中一般直接选用通用的封堵构件，不再单独设计。
3.4 构造要求 《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）第4.11节中已作了很详细的构造规定，结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围，结合工程实际情况就可顺利地完成人防地下室各主要构件的构造设计了。 总之，人防构件结构厚度应首先满足防早期核辐射要求，然后满足受力要求。
4 结语
由此可见，人防地下室的结构设计是一个复杂的工程，涉及内容繁多，既要考虑平时工况又要考虑战时工况，且目前电算软件功能都不是很完善，需要更深入地研究人防结构设计的技术问题，总结设计经验，提高设计水平。
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