非人防地下室战时应急掩蔽潜能的研究

上海市地下空间设计研究总院有限公司 赵寒青

根据2001年建设部出台的《城市地下空间开发利用管理规定》及2014年上海市出台的《上海市地下空间规划建设条例》的政策导向，地下空间结合人防工程建设为平战结合以发挥地下工程综合效益的研究势在必行。本文旨在深度挖掘大量现存非设防地下室战时防护常规武器的潜能，以便更高效地利用现有工事对人民群众进行战时防护。本文采用ANSYSAUTODYN软件建立地下车库有限元模型并开展数值模拟。根据计算分析结果制定非人防地下空间生存概率区域划分原则，建立地下空间标准模型，提出了根据生存概率划分非人防地下室战时安全等级的理论。研究结论亦可用于指导新建非人防地下工程，具有较大的战略意义。

一、研究背景

建设部1997年颁布《城市地下空间开发利用管理规定》，标志着我国城市地下空间开发利用进入了崭新的阶段。2014年上海市出台《上海市地下空间规划建设条例》，对上海地下空间建设提出了更规范的要求，地下空间结合人防工程建设为平战结合、为发挥地下工程综合效益提供良好的范例。

本文从各类型地下空间兼顾防空需求进行可能性分析，在模型分析基础上提出各类型安全区域划分的概念，通过分析上海市现状地下空间形态，研究现代战争中常规武器空气冲击波侵入地下空间的特点，建立地下空间标准模块模型并建模计算分析地下空间的防护潜能问题。根据计算分析结果，提出非人防地下空间相对安全区域划分的理念，并给出标准化模块划分示意图，用于指导非专业人员在临战情况下快速识别和选择相对安全的区域进行掩蔽。

二、计算假定

1）基于概率理论为基础的极限状态设计方法

2）定性分析与定量分析相结合的研究方法

3）常规武器非直接命中

4）等效T N T装药量C（○密参数隐）

5）人体所能承受最大冲击波超压值参考美国轻伤标准（○密参数隐）

6）混凝土强度等级：C30

三、计算分析

1）计算条件：

a）非人防地下室出入口不设置防护门，按照无垂直遮挡进行分析。

b）出入口横断面积F1=12㎡，出入口高度3m。

c）假定工程内部面积为2000㎡，层高3.7m（按小区隔），出入口处等效直径D=1.128F1=1.128×12=3.9m，工程内部横断面积F2=40×3.7=165㎡。

2）计算理论

当空气冲击波从小截面洞室传入大截面洞室时强度将减小。激波管中的长时间作用的脉冲强度基本与洞室截面积的平方根成正比，国内外大量试验证明当小截面洞室与大截面洞室面积比小于0.01时，有如下线性关系：

∆P2=F1F2∆P1

其中F1F2=12165=0.0727

令∆P2=0.016MPa代入上式得

∆P1=0.22MPa

参考规范GB50225○密（公式隐）L为

爆心至敞开口距离（m）

3）直通式出入口计算

0.22=0.55×3.9-0.17×L-0.48

解得：L=4.2m

4）单向式出入口计算

0.22=0.42×3.9-0.43×L-0.35

解得：L=1.19m

5）穿廊式出入口计算

0.22=0.31×3.9-0.58×L-0.33

解得：L=0.25m

上述计算模型均为理想模型状态下距开口端一定距离的理论计算。

现针对上述三种典型开口形式，利用ANSYSAUTODYN软件建立有限元模型，并开展数值模拟；采用AUTODYN里的2D Multi-material算法，建立了TNT炸药在空气中爆炸的二维模型（图1）。在AUTODYN里建立相应的三维模型，将第一步计算得的爆炸作用采用remap映射到三维有限元模型中。

a）直通式出入口模块

图1 TNT在空气中爆炸二维模型

图 2 直通式出入口三维模型

橘色部分代表空气自由场，设置了flow-out边界。计算得出不同时间的模型的应力分布云图如图3(a)-3(e)所示，从压力云图中可以看到压力波的传播过程。根据距爆心不同距离处的超压-历史曲线如图4所示，可以看到各压力曲线均有明显的升压段、降压段和负压段，且最终均稳定于大气压值。各压力曲线均有波动，距离爆心11～21m处各测点的波动更为明显，这是因为这些测点位于出入口通道内，而通道内壁面狭窄，压力波在壁面间来回地入射与反射。此外，从超压历史曲线还可以看出，压力值在进入地下室后有较为明显的降低。

由图5和表1可以看出超压峰值随着传播距离的增大而减小，距爆心20～22m间的超压峰值有一个显著的下降，这是因为压力从截面较小的出入口传入截面较大的地下室时压力产生突变式衰减。从表中可知，距离地下室入室门2m处（距离爆心23m）的超压峰值为0.017MPa，故只要在地下室入口2m外，地下室内部是安全的。

图3带直通式出入口地下室的压力分布云图

图4带直通式出入口地下室的超压历史曲线

图5带直通式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值曲线

表1 带直通式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值

b）单向式出入口

图 6 单向式出入口三维模型

建立单向式出入口的地下室三维模型（如图6所示）。由计算结果设计的模型的压力分布云图和超压历史曲线分别如图7和图8所示。由图9和表2可知，超压先随着距爆心的等效距离的增大而减小，然后在距爆心16m处突然增大（这是由于压力波传播至通道端部受到了墙体的反射作用），随后超压又明显减弱（因为压力波在通过90度拐弯的通道时压力波会衰减）。同样地，压力波从截面通道传入大截面地下室后，压力波也发生衰减。超压在距离地下室入室门1m处（距爆心等效距离为22m）的超压峰值为0.0166MPa，故只要在入室门1m的范围外，地下室内部是安全的。

图7带单向式出入口地下室的压力分布云图

图8带单向式出入口地下室的超压历史曲线

图9带单向式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值曲线

表2 带单向式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值

c）穿廊式出入口

建立穿廊式出入口的地下室的三维模型，如图10所示。由计算结果设计的压力分布云图和超压历史曲线分别见图11和图12，从超压历史曲线可以看出同前所述的一些规律。

图 10 穿廊式出入口三维模型

图11带穿廊式出入口地下室的压力分布云图

图12带穿廊式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值曲线

图13和表3则给出了带穿廊式出入口地下室的不同测点的超压峰值。从图13和表3可以看出，超压峰值随着距起爆点等效距离的增大而增大，分别在等效距离为14～18m和20～22m发生明显降低，前者是由于压力在三岔路口向转90度传播时发生了衰减，后者则是由于从小截面洞室传向大截面洞室造成的。超压在地下室入室处已经低于0.016MPa，故整个地下室内部是安全的。

图13带穿廊式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值曲线

表3带穿廊式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值

由前述可知，在避开出入口一定范围内，地下室是安全的。从图14中可以看出，对于地下室而言，采用上述三种出入口的安全性的排序为穿廊式>单向式>直通式。

图14带不同形式出入口地下室的距离爆心不同距离处超压峰值曲线

四、安全等级区域划分示意图

根据以上研究结论，结合工程实例，给出如下区域划分示意图及标准模块划分示意图，用于较为直观地指导人民群众战时疏散掩蔽。

图15.1 直通式出入口非直接命中区域划分示意图

图15.2 单向式出入口非直接命中区域划分示意图

图15.3 穿廊式出入口非直接命中区域划分示意图

五、结论及建议

1）研究结论

a）直通式出入口理论计算得出的安全距离为4.2m 。

b）单向式出入口理论计算得出的安全距离为1.19m 。

c）穿廊式出入口理论计算得出的安全距离为0.25m 。

2）指导建议

a）工程建设在有条件的情况下应尽量采用单向式出入口，以便更大限度地发挥非人防地下室战时防常规武器非直接命中下的潜能。

b）建议人员掩蔽时避开直通式出入口或敞开口垂直对应区域。

c）建议人员掩蔽时避开地下工程内部有柱子及内部隔墙两米范围内区域。

d）建议平时设计结合防火规范，在消防疏散通道和疏散间设置混凝土墙体，提高战时防护能力，使之成为安全屋。

六、未来展望

随着新时代战技战术形势的变化，精确打击已不可避免。现行规范对于常规人员掩蔽并未考虑精确打击情况，这方面内容有待进一步研究。

通过上述计算分析可以看出，现存大量的非人防地下室拥有着很大的战时防护潜能。本课题研究给出了非直接命中工况下的区域划分规则，将来可根据此结论指导人防地下室进行安全区域划分，以便更好地适应现代战争的特殊性。

本论文研究结论正在申请国家发明专利。