人防地下室结构设计中存在的若干问题分析

徐云中

（苏州市天地民防建筑设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

人民防空是我国城市建设中的一项重要内容。由于人防地下室除考虑平时使用外，还需按战时标准进行设计，因此与普通地下室结构设计存在诸多不同，文章就此问题展开探讨，切实推动我国城市稳定发展。

1 人防地下室结构设计特点

人防地下室往往平时作为车库、储藏实等使用，也可承担防灾、减灾指挥所、避难所的作用，战时可用作防空。根据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）（以下简称《规范》）可知，防空地下室根据其功能有甲、乙两种，区别在于是否防核武器，具体应由当地人防主管部门结合区域实际情况合理确定，防常规武器抗力级别分为5、6级；防核武器抗力级别分为 4、4B、5、6、6B 级。

1.1 人防地下室结构设计包括两大内容

1）主体结构设计，如顶板、外墙、底板等；

2）孔口设计，如门框墙、临空墙、防护单元隔墙等。

1.2 人防地下室结构设计特点

1）需考虑战时核/常规武器爆炸所致的动荷载；

2）兼顾平时和战时两种不同效应的组合的要求；

3）钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计[1]；

4）材料的设计强度提高，混凝土、砌体弹性模量取静荷载作用时1.2倍，钢材取值不变；

5）核爆动荷载是偶然性荷载，钢筋混凝土构件允许开裂，与静荷载作用相比，构件安全度可适当降低。

2 人防地下室结构设计中若干问题分析

人防地下室要求做到长期准备、重点建设、平战结合，文章结合工程实践经验，从结构选型、人防荷载的确定、荷载组合、构件设计等方面分析了人防地下室结构设计中若干问题。

2.1 结构选型问题

人防地下室的结构选型主要包括两方面的内容：①结构类别，分为砌体、钢筋砼结构两种，前者只有在上部为砌体结构、地下室抗力等级低、地下水位低的情况下方可使用；②结构体系，要求受力明确、传力简单，不仅可作为上部建筑基础，更可满足战时要求，如梁板结构、板柱结构、箱型结构[2]。

2.2 人防荷载的确定问题

人防荷载来源于常规武器或核武器爆炸冲击波，具有量值大、作用时间短的特点，其作用次数可按一次考虑，在人防地下室结构设计时，需在明确抗力级别的基础上，使用相关设计软件确定顶板、外墙、底板人防荷载。由于动、静荷载下人防地下室结构破坏规律具有一致性，因此可采用等效静荷载法，确定各构件等效静荷载值后进行结构计算。

2.3 荷载组合问题

防空地下室不同部位等效静荷载、静荷载同时作用，需考虑荷载组合问题，在结构设计时可根据工程实际情况查看《规范》，合理确定荷载组合项目。

在对荷载组合进行分析时，需考虑好以下两个问题：上部建筑自重标准值问题，《规范》中对不同建筑结构形式加以说明，具体需根据实际情况选择全部考虑、考虑一半、不考虑；上部建筑物的倒塌荷载值问题，此荷载在冲击波峰值之后方才作用，《规范》取值50kN/m2，＜冲击波对顶板等效静荷载值，顶板荷载组合中可不必考虑[3]。

2.4 构件设计问题

严格按照规范对各类人防构件展开设计，人防构件配筋套用人防图集时，必须要严格控制计算假定、适用条件等，若出现条件不符的情况，做好计算调整工作。此外，人防构件需重视延性设计问题，严格遵循《规范》要求开展截面设计，人防结构计算符合规定，人防构件配筋形式与计算模型一致。

3 实例分析人防地下室结构设计

3.1 工程概况

文章仅以某城市广场的地下室为例展开分析，此地下室主要用作商场、停车库，上部无建筑物。此地下室面积南北、东西向长度分别为128m、144m，地下面积为 9900m2，柱网尺寸为800mm×800mm，建筑抗震设防烈度7度、抗震类别丙类、场地土类别Ⅱ类，框架柱抗震等级4级。在此地下室中，停车库部分兼作战时人防，根据综合分析决定按核6级人防物资储备库设计。

3.2 基础设计

本工程地下水位处于顶板面位置，底板承受5m水头浮力，基础设计考虑了3种方案：（1）平板式筏基；（2）梁板式筏基+抗拔桩；（3）梁板式筏基+板面覆毛石混凝土。

根据分析可知：方案（1）中，地下底板的厚度需达到1.7m，造价最高，开挖深度-6.25m；方案（2）开挖深度-5.05m；方案（3）中，造价最低，开挖深度-7.15m，由此基坑开挖、支护要求均提高，因此也导致相应的费用提高[4]。

通过综合分析，决定采用方案（2），地下底板厚500mm，柱下双向拉梁，梁宽、高分别为800mm、700mm。通过对场地条件、工程地质的综合分析，决定采用沉管灌注桩作为抗拔桩，直径377mm，有效桩长分为6.5m（590根）、10.2m（345根），单桩抗拔承载力设计值分别为75kN、170kN。

3.3 预应力梁设计

本工程基础设计中从经济性方面考虑，采用的方案（2）中开挖深度只有-6.25m，因此层高有限，同时地下商场部分需作暖通、消防喷淋系统等，因此主梁高度进一步压缩，经综合比较后决定采用宽扁梁，为设备管线布置提供足够的空间。为减小挠度、控制裂缝，主梁按有粘结预应力钢筋砼梁设计，本工程中扁梁横截面为1000mm×500mm，局部荷载大、考虑人防荷载大，则截面调整为1000mm×700mm。

3.4 荷载取值与内力分析

本工程顶板厚350mm，板面覆土恒载取33kN/m2，活荷载不考虑上消防车取5kN/m2，核爆破等效静荷载取65kN/m2。本工程作为人防地下室，主要考虑以下3种荷载组合，如表1所示。

本工程采用PKPM程序计算得到梁在不同的荷载组合下弯矩图，并做好配筋设计，现以G轴梁YKLG（1000mm×700mm）为例展开分析。

表1 荷载组合

在PKPM计算荷载输入时，活荷载=人防等效荷载÷（1.3（活荷载分项系数）×1.35（材料强度综合调整系数）），见式（1）。

一般使用状态下活荷载值5kN/m2，两数值相差较大，因此组合一可不计算。如图1所示即为各荷载工况下的弯矩包络图。

在对预应力配筋进行分析计算时，需估算好有效预应力值，本工程恒载偏大，因此以预应力钢筋平衡80%恒载，张拉控制应力σcon=0.75fptk，计算需21根j15.2钢铰线，本工程采用的是宽梁，因此钢绞线分为3束（以7根为一束）排放至梁；同时根据相关公式计算非预应力钢筋，得到：需要15根φ25非预应力钢筋。

3.5 构件裂缝的控制

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），预应力梁在无腐蚀性水、也不与土壤直接接触的情况下，裂缝控制等级为二级。根据相关实践经验：短期荷载组合下，低、中等侵蚀环境，允许裂缝宽度为0.2mm、0.10mm，本工程据决定按照裂缝0.10mm展开设计，以名义拉应力法控制，根据计算结果显示YKLG实际名义拉应力≤允许值，满足设计要求。

图1 各荷载工况下的弯矩包络图

3.6 实际效果

本项目已经投入运营所念，未出现渗漏水问题，预应力梁底部也未产生肉眼可看到的裂缝，整个地下室结构可靠、安全[5]。

4 结语

综上所述，人防地下室与普通地下室均为地下工程，在外表和平时用途上难以区分，但人防地下室除考虑平时使用外，还需按战时标准设计。在进行人防地下室结构设计时，需结合工程实际，严格按照规范确定人防荷载，合理进行荷载取值与内力分析，做好各个构件的设计，保证整个结构安全、可靠，真正为社会安全保障奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]王超，王向明.人防地下室建筑口部设计初探[J].煤炭工程，2016（04）：31-32，35.

[2]陈星.人防地下室门框墙荷载取值和内力计算方法[J].结构工程师，2014（06）：1-9.

[3]汤华，王松帆，陆少芹.某大型地下空间项目结构设计[J].地下空间与工程学报，2012，8（04）：772-776.

[4]袁正如.地下室外墙结构设计中的问题探讨[J].地下空间与工程学报，2010，6（03）：548-551.

[5]李树林，王先沛，赵中伟，等.已增景观荷载的人防地下室结构加固设计和施工新技术研究[J].工业建筑，2008（11）：109-111.