结构工程中的地震防灾结构设计与施工技术研究

结构工程中的地震防灾结构设计与施工技术研究

吴先群

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摘要：本文主要先是从对人防地下室结构的特点出发，再对人防地下室结构在常规武器和核武器爆炸的假设下，对其人防荷载的确定、荷载组合和内力的分析以及孔口防护和平战转换的设计进行了分析探讨。

关键词：人防地下室；结构设计；人防荷载；等效静荷载

随着冷战的结束和科技的兴起，现在的战争模式已经有了较大改变，虽然核武器以及大规模常规武器使用的可能性较小，但其仍具有潜在的威胁，因而在现代化的城市建设中，必须从战略的角度去考虑，在城市地下室的建设中要考虑到这些因素。以下就常规武器与核武器的爆炸冲击对地下室结构荷载设计问题进行了探讨。

一、人防结构设计的主要内容

与一般的地下室相比，人防地下室的主要任务是防空，因而要在其结构设计过程中对其地下室构件进行严格的计算，以达到规定的防空标准。在现在的城市建设中，人防地下室结构设计主要有以下内容：一是地下室主要构件的设计，主要有顶板、外墙、底板、内承墙等的设计；二是孔口防护问题设计和平战转换设计，其内容主要是出入口的防护设计问题。

二、人防地下室设计具体内容

（一）人防荷载的确定

1．常规武器下人防荷载的确定

（1）常规武器爆炸动荷载

一般情况下，常规武器在爆炸时，人防地下室的主体受到的动荷载不是均匀分布的，因而是不可以采用等效静荷载法来计算荷载的。所以，要确定常规武器爆炸的动荷载就必须采取一定的措施对地下室所受的荷载均匀化处理，鉴于篇幅问题，这里就不作讨论，其详细的计算方法可以参见《人防规范》附录B来处理。

（2）如何计算在常规武器爆炸动荷载作用下的地下室的主要构件的等效静荷载标准值

在常规武器爆炸动荷载作用下，地下室顶板、外墙的均布等效静荷载标准值，一般是由以下公式进行计算确定：

2．核武器爆炸动荷载作用下的人防地下室的等效静荷载计算

在核武器的爆炸作用下，人防地下室的主要构件主要受压缩波产生的核武器爆炸动荷载作用，其动荷载的计算因受力较常规武器复杂，具体可参照人防规范来具体的对主体构件进行讨论。以下重点讲述常用结构在核爆动荷载作用下的等效静荷载标准值相关计算：

（二）荷载组合和内力分析

（1）常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用

与核武器的爆炸冲击波相比，人防地下室的主体结构受到的的常规武器爆炸产生的等效静荷载和静荷载的作用主要是非平面性的一维波，这种作用形式主要是局部的对地下室产生作用，不会使得整个建筑物崩溃，因而不需要考虑建筑物的距离地面一段距离的建筑。而在常规武器非直接命中地面爆炸产生的压缩波作用下，对于常5级和常6级的人防地下室，底板由于受到的作力较小，其设计计算可以不计入常规武器产生的等效静荷载。

在常规武器的爆炸冲击下，如下是人防地下室主体结构部位的荷载：

顶板的荷载组合是爆炸等效静荷载和顶板静荷载，顶板静荷载主要是一些战时不拆迁的固定设施设备、顶板自身重量及覆土重量；外墙的荷载组合是建筑物上部自身重量和外墙的自身重量，顶板处传来的爆炸的等效静荷载及静荷载，爆炸产生的水平等效静荷载及静荷载，还有土压力、水压力；内承重墙柱的荷载组合是建筑物上部自身重量，顶板处传来的常规武器爆炸作用的等效静荷载及静荷载，还有内承重墙柱自重。

（2）核武器爆炸时的等效静荷载与静荷载同时作用

考虑核武器等效静荷载与静荷载的的组合作用，上面已经写了等效静荷载的计算问题，因此主要是要确定静荷载的问题。在受到核武器爆炸的冲击作用下，建筑物上部分出现的情况往往不一样，因此要计算静荷载，必须要先确定建筑物的自重。一般来讲建筑物的上部自重主要是指人防地下室上部建筑的墙柱和楼板传来的静荷载。

（3）地下室结构承载力分析

在防空地下室结构的设计中，其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式：

（三）孔口防护和平战转换设计

1．孔口防护要点设计

在孔口设计当中，涉及到的内容较多，本小节主要是对一些具有特殊性的构件设计。

2．平战转换设计

平战设计基本原则：主要是要保证在临战转换中，要做到可以不使用机械、不需要借助熟练的技术人员且能在较短的时间内实现转换，还要在施工当中标志一些预制构件。

平战转换设计主要有二方面的设计要点：

（1）人防地下室的主体结构平战转换设计

这种转换主要对一些工程采取在临战前加柱的方法，如一些平时可用作商场而在战时就可供人掩藏的一些战时是小跨度的工程。对于加柱设计，可以按中心主要受压构件的承受等效荷载为标准进行设计，其材料主要是型钢柱钢管柱等一些可靠的支撑构造件。

（2）临战时人防地下室平时出入口和通风口封堵设计

对于平时使用的出入口，按照规范，应当采取以构件为主的封堵方式。常用的构件主要是钢构件和钢筋混凝土构件。在此设计过程中，要考虑到常规武器及核武器爆炸所给地下室出入口的正压和负压作用，通过对其计算，再结合平战转换基本原则来确定构件的规格。

3人防结构设计与抗震结构设计的对比分析

3.1设计原则的对比

从理论讲，人防结构和抗震结构的设计原则大体一致，都是为了提高建筑的延性，尽量避免脆性破坏，两者的施工特点都是提高建筑物的抗震动的能力，确保在遭受重大自然灾害或者人为因素而带来的剧烈震动时建筑物能够尽可能保持完好。两者的基本原则一致。①由于脆性破坏构件安全储备比较小，但是延性破坏的构件安全储备大，所以建筑结构选取的延性好而且能够避免脆性破坏的材料，因此“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的原则是两个设计的基本原则；②防空地下室结构，必须考虑各部位的作用安全储备、荷载值以及坏形态等各个因素的不同，使建筑在规定的动荷载作用下，能够保证各部位的结构正常工作，避免出现由于个别薄弱环节出现问题导致整体结构抗力降低的情况。如果人防的某个部位失效，可能导致整个人防区失效。如果抗震设计中出现薄弱环节，当由于自然突发状况或者人为的突发状况出现巨大震动时可能会导致整个建筑物出现倒塌的现象，后果十分严重。因此在设计中必须遵循结构构件抗力相协调的原则，避免出现薄弱环节。

3.2设计方法的对比

人防结构设计的主要目的是增强建筑物的承受能力，从物理学的角度，现在的人防设计方法是采取等效静荷载的办法进行人防设计。而抗震结构设计是在拟建工程结构的基础上，通过对一系列的在施工或使用的建筑的摸索的一个设计过程。建筑结构的构建在不同的荷载的作用下，其震型和挠曲线基本一致，并且在不同的动荷载的作用力下结构构件的破坏规律也基本一致，所以我们可以通过基础的动力学分析，然后构建一种单自由度体系，建筑结构构件在各种动荷载的综合作用下，结构构件振型与相应静荷。而且提高人防结构的质量，一定选用科学的设计方案，通过多个方案比较分析，得到最佳方案，而且建筑结构材料的选用也是非常重要的。为了保证施工质量施工单位通常采用在建筑材料内加入材料强度综合调整系数的方式进行修正，最后根据建筑结构构件是否能在综合动荷载作用下承受变形的极限是否存在延性比而加以控制，最后根据允许延性比与进行弹塑性能得到设计的最终结果。但是由于地震灾害的不可预测性，所以地震灾害的预防工作难度系数比较大。抗震结构设计的理念是当较低级别的地震灾害发生时建筑物能够确保质量安全并且不发生破坏；当相对高的地震灾害发生时，可以出现轻微的破坏，但是能够通过修补维护继续使用；当较高级别地震灾害发生时，能够保证建筑物不坍塌，而且内部居住居民能够安全撤离。上述防震的设计理念和人防结构设计理念不同，人防结构设计通过小震地震动的参数完成“二阶段”设计要求，最后完成“大震不倒”的第三水准设计要求。

四、结束语

由于目前战争的根源并未消除，常规武器和核武器的威胁依然存在，针对现时期的人民防空需要，再结合现在的人防地下室在城市建设中的作用，修建人防地下室的重要性就越来越突出。本文主要结合本人的人防地下室的工程实践经验，对其结构设计提出了自己的一些看法。

参考文献：

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[2]亢智敏，王立伟.论建筑结构设计中的抗震设计.科技资讯，2009，12（18）：102～104.

[3]肖世健.浅谈人防地下室结构设计.山西建筑，2007，17（35）：90～91.