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国家依据《中华人民共和国人民防空法》，会根据国防需求来动员和组织群众采取防护措施，以防范和减轻空袭灾害，这就是人民防空。人民防空工程（也叫人防工程），是为了在战时保障人员与物资的掩蔽、人防指挥以及医疗救护等需求而修建的地下防护建筑。防空地下室是与地面建筑相结合修建的，在战时用于人民防空，且具有一定防护能力的地下室。防空地下室是人防工程的重要部分。它和其他类型的人防工程一样，具备国家规定的防护能力，也具备各项战时防空功能，是实施人民防空最为重要的物质基础。
地下室要进行人防设计，存在平战结合的问题。一方面，平常使用时荷载较小，要满足建筑功能对大空间的要求；另一方面，人防时荷载较大，结构上很难满足大空间的需求。怎样协调这两种状态下不同的使用要求呢？以下是笔者参与人防设计时的一些体会，可供借鉴。
1人防结构设计的特点
防空地下室结构设计的主要内容包含两个方面。其一，是主体结构设计，涵盖了顶板、外侧墙以及底板等其他构件的结构设计。其二，是孔口防护设计，包含了出入口的防护以及消波系统（防护设备）。出入口的防护包括选用防护密闭门，对门框墙和临空墙进行计算钢材强度的标准值，以及对出入口通道（包括风井）进行计算等方面。消波系统包含选用防爆破活门和设计扩散室（箱）。这些内容的结构设计与一般结构设计的不同之处如下。
第三，结构构件可以被考虑进入塑性工作状态。功能方面，它是实施人民防空最为重要的物质基础。防空地下室中的钢筋混凝土结构构件，像顶板、外墙、临空墙等，处于屈服后开裂状态是正常的工作状态。这样做能充分利用材料潜力。比如受弯构件，在屈服后还会经历很大变形才会完全坍塌。所以考虑塑性阶段工作，就可以承受更大的动力荷载，具有较大的经济意义。第四，材料的设计强度能够提高。实验表明，在快速加载时，材料力学性能会有较明显变化，主要体现为强度提高。而变形性能，像塑性性能等基本保持不变，这对结构工作有有利影响。比如钢材强度能提升 1.15 至 1.5 倍，砼强度可提高 1.5 倍，这些都是通过在设计中考虑材料强度综合调整系数来实现的。第五，要重视构造要求。人防设计的很多构造要求和一般的建筑与结构设计不一样，并且要求更为严格。所以，仅仅考虑受力计算，而不考虑构造措施是不合理的。依据上述结构设计的特点，我们能够确定防空地下室结构设计的一般原则，即平战结合，采取控制条件。在民用建筑的人防地下室结构设计方面，通常只涉及 5 级或 6 级人防设计。其结构的顶板，大多由战时进行控制。而侧墙和底板，会因地下室的结构型式有所不同，需根据实际情况来确定。在这种情况下，只进行强度的验算，因为在核爆动荷载的作用下，结构构件的变形极限已采用允许延性比来进行控制。在确定各种构件的允许延性比时，已经将对变形的限制考虑在内了。所以在防空地下室结构设计中钢材强度的标准值，无需再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。只需考虑一次核袭击，同时要注意各部件的协调，避免因为设计控制标准不一致而使结构出现局部先行破坏的情况，进而失去整个防护建筑的作用。地面与地下承重结构体系要相互协调，不能出现两者强弱差异较大的情况。了解结构人防设计的特点和原则后，首先要确定计算所需的荷载值。
2 人防荷载的确定
地下室人防改造结构设计的主要内容有两方面。其一为主体结构设计，涵盖顶板、外侧墙以及底板等其他构件的结构设计。其二为孔口防护设计，包含出入口的防护以及消波系统（防护设备）。出入口的防护包括防护密闭门的选用，还有门框墙、临空墙的计算，以及出入口通道（包括风井）的计算等几个方面。消波系统包含防爆破活门的选用以及扩散室（箱）的设计。人防地下室结构设计重点考虑抵抗空气冲击波。核武器在空中爆炸后，冲击波会传播到地表，进而形成反射冲击波。由于反射波是在被入射波压密且加热过的空气中传播的，并且压力较高，所以反射波的传播速度比入射波快。当反射波波阵面最终赶上入射波波阵面后，就会汇合成为单一的冲击波，也就是合成波。合成波波阵面靠近地面的部分呈垂直于地面的状态。这意味着合成波是在水平方向进行传播的。对于对抗力等级较低的防空地下室而言，它所遭受的冲击波就是这种合成波，也就是地面冲击波。防空地下室的顶板通常直接承受地面冲击波的超压和负压作用。对于侧壁和底板，空气冲击作用于地表，会压迫土体并使其产生运动。上层土体受压后会连续向下传递压力，这种土体的压缩状态由上向下逐层传播的过程被称为土中压缩波的传播。当遇到侧壁或底板的阻挡后，就会产生超压、动压和负压作用，这就是侧壁和底板需要考虑的问题。具体如下：（此处应详细列出各部位等效静荷载取值的具体内容）
首层外墙是 180mm 实心砖填充墙，并且墙面开孔面积超过了 50%。因为这个原因，上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响不予计算，等效静荷载标准值为 q = 60kN/mm²。
侧墙方面，上部建筑物是抗震设防的框架 - 剪力墙结构，所以要计算上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响。依据本工程的地质条件，人防地下室侧壁范围内存在非饱和土和饱和土，需取其加权平均值，同时考虑周围基坑支护的阻隔作用，因此地下室侧壁等效静载荷标准值 q 为 40kN/mm²。
本工程采用桩基础。核爆荷载作用于顶板时，荷载会通过板、梁、柱传递到桩上。由于人防设计不考虑地基承载力和地基变形，所以由桩与底板共同承受该荷载。这样产生的荷载小于规范中按箱形地下室底板的等效静荷载值（40～50）kN/mm²。与平时荷载作用下因桩不均匀沉降而产生的底板受力情况相比，这种由核爆荷载产生的底板受力不起控制作用，因此不予考虑。
门框墙所受荷载由两部分构成。其一，直接作用在墙上的荷载为 200 除以 2；其二，由门扇传来的等效静载标准值，需依据门扇的型号以及大小分别进行计算并确定。
临空墙：根据工程的实际情况以及规范表 4.5.7，其等效静荷载标准值被取为 130kN/mm²。
隔墙分为两种。一种是相邻防护单元间隔墙，其设计压力值为 50kN/mm²。另一种是 6 级人防地下室与普通地下室相邻间的隔墙，在普通地下室一侧的设计压力选用值为 90kN/mm²。
其他各类防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力都从规范里的有关规定来选用。在确定了所有构件的等效静荷载值之后，就能够进行结构计算了。
3 荷载组合和内力分析
人防地下室有甲类和乙类之分。甲类人防地下室能够承受常规武器爆炸动荷载的作用，同时也能够承受核武器爆炸动荷载的作用。乙类人防地下室则能够承受常规武器爆炸动荷载的作用。甲类人防地下室结构需按照以下规定进行设计：①规定的荷载组合；②规定的荷载组合；③规定的荷载组合。乙类人防地下室结构则要分别按照①规定的荷载组合和②规定的荷载组合进行设计，并且要选取各自最不利的效应组合作为设计依据。
①平时使用状态的结构设计荷载。
②战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。
③战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。
人防地下室结构所受的荷载包含爆炸动荷载、上部建筑物的自重、土压力、水压力以及人防地下室自身的自重等。在进行结构设计时，能够结合各个工程的结构特点，依据规范来确定荷载组合的项目。在进行荷载组合的过程中，有一个需要明确的问题，那就是上部建筑物自重标准值的确定。规范已表明，依据不同的上部结构形式，在进行荷载组合时，上部建筑物自重存在考虑全部、考虑一半以及不考虑这三种情况，在设计时需要认真进行分析并确定。对于人防地下室，在确定了等效静荷载和静荷载之后，能够按照静力计算方法来进行结构内力的分析。其承载力设计应当采用以下极限状态设计表达式：
γ0 与 (γGSGK 加上 γQSQK) 相乘得到 R，其中 R 等于 R 与 (fcd、fyd、ak 等等)相关。
其中，结构重要性系数为γ0，其值可取 1.0；永久荷载分项系数是γG；等效静荷载分项系数为γQ，其值可取 1.0；混凝土强度动力设计值是 fcd；钢筋（钢材）动力强度设计值是 fyd；几何参数标准值为 ak。从上述式子能够看出人防设计的特点。将其与平时状态下的内力情况加以比较，会发现顶板、侧壁以及人防区域内构件的水平受力是由战时来控制的，而底板和基础则是由平时来控制的。求出构件的内力和配筋后，需要注意结构构造措施。规范中对其作了详细规定，结构设计人员应认真研究体会规范条文的条件和适用范围，并且要结合工程实际情况来完成人防地下室各主要构件的设计。
4 孔口防护和平战兼顾
在这其中，第二、三条里的临空墙以及相邻单元之间的隔墙，可以按照一般墙体的计算模式，将人防设计的特点考虑进去，从而计算出内力和钢筋。门框墙的设计通常按悬臂梁进行计算。需要注意的是，平时使用时所需的出入口通道较宽，而战时则相应较窄，这可能会导致门框墙的悬臂长度过长，水平筋过大。在这种情况下，可以在不影响功能使用的前提下，加设柱、梁来改变门框墙的受力形式，从而获得较为经济的设计效果。风井的设计中仅计算土中压缩波的压力，对于空气冲击波不加以考虑，这是因为两者不会同时发挥作用。开敞式通道更是不考虑核爆动荷载，仅仅考虑静侧压力。防倒塌棚架的设计分为竖向和横向两项。其中竖向力是倒塌荷载 50kN/mm²，属于静载；横向力是动压设计值，由《规范》第 4.5.10 条来确定。这两项受力作用的时间存在间隔，所以不考虑它们同时作用。接下来主要来讲讲防护密闭门与消波系统的设计。当空气冲击波抵达出入口通道时，即便有通道出入口的扩散作用，然而遇到墙体和门的反射作用，会导致作用在门上的总效应比空气冲击波的压力要大，大约是 2.0 到 3.5 倍。国家为了方便工程设计人员，对防密门进行了系列化处理。这样一来，依据设计压力以及门洞尺寸，就能够轻松地选择定型的防密门了。
滤毒通风设备所能承受的允许压力比空气冲击波小很多，所以产生了消波系统。如果其防护措施不能与主体抗力相适应，就会直接对整体工程防护能力产生影响。消波系统的基本思想包含以堵为主且堵消结合。堵的方式是利用防爆波活门，将冲击波的大部分阻挡在室外。消的做法是让从活门孔进入的少量冲击波，通过扩散室的扩散膨胀作用，以此来削弱其压力，使得进入内部的压力不会超过设备的允许压力。规范表 4.9.1 给出了消波系统选择表，能够依据抗力等级与允许余压值来进行确定。消波系统一般由防爆波活门及扩散室组成。防爆波活门的选用以及扩散室各部分尺寸的确定，都可以在《规范》中找到相应的表格和公式，从而得以落实。在设计过程中，这项工作既可以由结构专业完成，也可以由建筑、通风专业完成。
扩散室前墙是安装悬板活门的墙面，此墙面为临空墙。墙面自身所受的荷载以及活门传来的荷载，都按照临空墙荷载来取值。扩散室与土相邻的顶底板以及外墙，是按照土中压缩波压力来确定荷载的。平战兼顾设计是很重要的一个环节，它深入贯彻了“平战结合”的建设方针。人防工程在战时会遭受敌袭击，它是一种具有特殊功能要求的建筑物，能保障城市居民的生命安全并让人们坚持工作。所以，人防工程需要承受的荷载比一般结构大几十倍至数百倍，并且密闭要求非常高。所以在设计时应尽可能让结构跨度变小，对直通大气的各种孔口进行减少和缩小处理。而这种处理原则，给日常使用带来了很多困难。《规范》第 4.8 条针对这一点作出了指导性规定，因此具体做法需要根据平时和战时的具体要求以及工程本身的实际条件进行综合研究和确定。
5 结语
多年进行人防工程设计后，笔者发现含人防地下室的设计关键在于，防空地下室需在规定设计使用年限内，既要满足平时使用功能要求，甲类防空地下室还要能满足“可分别承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用”的战时防护功能要求，借助“平战转换设计”这一方法，以解决平时与战时使用要求可能存在的矛盾并达成长期准备。合理利用地下空间，能在旧城改造方面拓展思维。它可以打破旧的拆、迁模式，化解拆迁与文物保护方面的矛盾。还能合理解决新老建筑结合以及功能拓展的问题，为地面创造开敞空间，符合现代城市建设紧凑化及人文关怀的新理念。发展地下工程技术，同时也发展各项保障技术。提升建设的科技含量，提升规划改造的科技含量，提升管理的科技含量。提高城市地下空间开发利用的现代化水平。加大对地下工程改造设计和施工技术的研究力度，加大对防水、防火、防护等防灾技术的研究力度。并且创造条件，对地下空间进行改造，以提高地下空间的生活质量。
END
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