人防结构设计解析全套

人防结构设计解析全套1防空地下室基本特征与一般民用建筑结构（普通地下室）相比较，防空地下室结构有以下主要特征：承受爆炸（常规武器、核武器）动荷载、结构产生运动、材料强度提高、结构可靠指标降低、大部分钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作状态设计等。掌握这些特征，就可以参照民用建筑结构设计的一般方法，进行防空地下室结构设计。1.1承受爆炸动荷载防空地下室战时应能承受常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用。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。常规武器、核武器爆炸动荷载均属于偶然性荷载，具有超压瞬时由零增到峰值、作用时间短且不断衰减、一次性作用的脉冲荷载等特点。防空地下室所处位置与埋深不同，作用效应（即对工程的破坏作用及破坏特征）也不同。暴露于空气中的防空地下室结构如高出地面的外墙，不覆土的顶板，通道内临空墙、防护密闭门及防护密闭门门框墙等部位直接承受地面空气冲击波的作用；埋入土中的围护结构，如有覆土的顶板，地下室外墙，基础底板等部位则直接承受土中压缩波作用；此外，防空地下室内部的墙柱等构件还承受围护结构及上部结构动荷载的作用。防空地下室的抗力级别主要用于反映防空地下室抵御空袭能力的强弱。对于核武器，抗力级别按期爆炸冲击波地面超压的大小划分；对于常规武器，抗力级别按其爆炸的破坏效应划分，主要取决于常规武器装药量的大小及常规武器与防空地下室的爆炸距离。1.2结构产生运动“人防规范”4.1.5条防空地下室结构在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，其动力分析均可采用等效静荷载法。在爆炸荷载的作用下，结构受力的基本特征是我们高中时即学过的产生加速度，迫使结构由静止转为运动。这种运动有来回往复的特点，我们称之为振动。振动由于阻尼力的综合作用而逐渐衰减。结构在冲击波作用时间内的振动，称为强迫振动；在冲击波消失后的振动，称为自由振动。核爆作用时间以秒计，其最大的动位移发生在强迫振动；而常规武器爆炸冲击波作用的时间以毫秒计，其最大的动位移一般发生在自由振动。动力作用和静力作用是相对的，主要看外力随时间变化的迅速程度相对于结构自振周期的长、短而定，当升压时间与自振周期的比值超过4~5时，已无明显的动力作用。爆炸荷载是瞬时增加的，通常把这种爆炸荷载看成动荷载。2012年新颁布“荷载规范”增加第10章“偶然荷载”的10.2节就偶然荷载转变为等效静荷载做了概要性阐述；“人防规范”第4.6节人防荷载怎样转化为等效静荷载也做了详细说明。即先选定允许延性比，确定动力系数kd，然后动力系数与动荷载最大压力峰值的乘积就是等效均布静力荷载标准值。4.7节、4.8节还对一些常用的构件等效静荷载标准值，依照4.6节公式制成相应图表供大家直接选用，这里一定要注意图表的适用条件，如果不符合那么就自己用4.6节公式计算。事实上，动力系数kd是结构构件自振圆频率、时间、允许延性比有关因素确定的。允许延性比概念贯穿着人防设计过程的始终，所以要特别注意。1.3材料强度提高试验表明，加载速率直接影响材料的力学性能。在爆炸动荷载作用下，材料的强度有明显的提高，而变形性能（包括塑性等）基本不变。通常在人防荷载作用下，材料强度可提高20%~40%。因此在“人防规范”考虑综合因素后规定了材料强度综合调整系数γd。这对防空地下室结构是一个有利因素。1.4结构可靠指标降低防空地下室结构主要承受爆炸动荷载，而这类荷载是一种偶然性荷载，建筑结构可按荷载效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，保证主要承重结构不致因出现规定的偶然事件而丧失承载力。人防荷载比平时的静荷载大很多，结构承受的爆炸动荷载，是基于工程必须达到抗力要求而确定的。按国家规定的防护级别所对应的地面冲击波最大超压值进行承载力计算时，只考虑一次作用，不考虑超载。在一般情况下人防动荷载分项系数取1.0，即能达到防空地下室必须满足的抗力。依照“可靠度统一标准”从安全与经济两方面考虑，当按偶然荷载组合验算结构的承载力时，所采用的可靠指标值允许比基本组合有所降低。所以人防荷载当为主控荷载时，其承载能力极限状态的可靠指标，比一般工业与民用建筑结构构件的可靠指标低。“人防规范”4.1.3条规定甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用，乙类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。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。1.5弹塑性工作状态设计在人防爆炸动荷载作用下，结构构件的变形通常是随时间的增长至最大值，随之即出现衰减。因此，可以考虑由结构构件产生的塑性变形来吸收爆炸动荷载的能量，即在爆炸动荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性工作状态。考虑结构构件的弹塑性性能，可承受更大的爆炸动荷载，具有较大的经济意义。对于既考虑弹性工作阶段又考虑塑性工作阶段的结构称为按弹塑性阶段设计，如钢筋混凝土的顶板、底板、外墙、和临空墙等。在此需要指出的是，防空地下室结构设计中，也有些构件必须按弹性阶段设计，如砌体外墙、非常重要钢筋混凝土防护密闭门的门框墙、及防水要求高的结构等。2有关防空地下室设计的基本原则和规定防空地下室是为战时防空袭服务的，所以其设计必须满足预定的防护要求和战时使用要求。所以防空地下室结构设计的核心有两方面内容：一是防空地下室结构设计必须满足预定的抗力要求，在预定的爆炸动荷载作用下，防空地下室不能破坏，并具有足够的承载能力。防空地下室的结构设计，应根据防护要求和受力情况做到结构各个部位抗力相协调。即在预定爆炸动荷载作用下，保证结构各部位（如出入口、防护设备、与主体结构）都能正常工作，防止由于局部薄弱破坏主体，这就是人防设计的指导原则。二是防空地下室结构设计，必须满足预定的密闭要求，在预定的爆炸动荷载作用下，满足防毒要求和辐射防护要求。对一般密闭、防水要求的防空地下室结构构件，可按弹塑性工作阶段设计。在满足设计抗力及防毒密闭要求的前提下，为了结构构件在最终破坏前有较好的延性，应使其具有较好的变形能力。为体现抗爆概念设计思想，与抗震结构相同，钢筋混凝土结构构件宜实现“强柱弱梁，强剪弱弯”的设计准则。在抗爆结构中，应充分利用受弯构件和大偏心受压构件的延性。在构造上还应特别注意梁、柱节点核心区要有足够的抗剪、抗压能力和钢筋锚固长度。不论结构内力是按弹性分析或弹塑性分析，都应将结构设计成最终为延性破坏而不是脆性破坏，这样可以提高整体结构的抗爆能力。即使作用在结构上的荷载稍有增加和局部超载，也不致于引起结构的倒塌，这样就具有较大的经济和现实意义。“人防规范”规定了各种构件的允许延性比，此时已经考虑了对变形的限制和防护密闭要求，所以可不再单独进行爆炸动荷载作用下的结构变形，裂缝开展的验算。人防工程因在爆炸动荷载作用下，地基承载力有较大提高，一般不进行战时动荷载作用下的地基承载力及地基变形的验算。但为了保证基础承载力，应验算战时动荷载作用下基础强度。防空地下室战时与平时的荷载效应组合不同，因此“人防规范”规定，防空地下室结构除按“人防规范”设计外，尚应遵守平时使用条件的相应设计规范、规程，并应取其中控制条件作为防空地下室结构设计的依据。防空地下室的构造与三级抗震一致。当所处部位抗震等级大于三级时，须符合所处部位的抗震构造要求。3防空地下室结构设计步骤防空地下室结构设计和一般民用建筑结构设计一样，一般步骤是：确定结构选型→确定荷载组合（等效静荷载、静荷载）→内力分析→确定控制内力→截面设计。3.1结构选型防空地下室的结构选型应根据防护要求、平时和战时使用要求、上部建筑结构类型、工程地质和水文地质条件以及材料供应和施工条件等因素综合分析确定。防空地下室结构的选型包括结构类别和结构体系的选择，结构类别除少数情况可采用砌体结构外，一般采用钢筋混凝土结构。防空地下室的结构布置，应选用受力明确、传力简单和具有较好的整体性和延性的结构。防空地下室钢筋混凝土结构体系常采用梁板结构、板柱结构以及箱形结构等，也可以采用预制装配整体式结构。当柱网尺寸较大时，也可以采用双向密肋楼盖结构、现浇空心板楼盖结构。出入口通道一般采用矩形封闭框架结构。3.2确定荷载组合由于防空地下室战时荷载组合中不考虑一般活荷载，所以在战时荷载组合中只包括动荷载和静荷载两类。静荷载计算同一般的民用结构，包括土压力、水压力、地面堆载、上部建筑传来的荷载、结构自重、战时不拆迁的的固定设备自重等；动荷载是根据国家有关规定，按地面空气冲击波最大超压值?PM算（地面超压）确定。动荷载指战时的核武器或常规武器爆炸空气冲击波或土中压缩波形成的荷载，动荷载分正压与负压。除特殊注明外，设计中考虑的动荷载作用方向垂直结构表面。按照防空地下室的类别、抗力级别、是否考虑上部建筑影响等因素确定防空地下室各部位结构构件的等效静荷载。防空地下室的结构设计，正确确定等效静荷载是成功设计的关键。特别应该注意“人防规范”中各公式和图表的使用条件，弄清各个名词术语的解释，了解人防工程的工作流程原理。爆炸动荷载用动力系数乘以动荷载峰值可以得到等效静荷载标准值。等效静荷载标准值与静荷载标准值确定后按规范要求即得到结构的组合荷载值。3.3内力分析“人防规范”在第4.10.1条规定：防空地下室结构在确定等效静荷载和静荷载后，可按静力计算方法进行结构内力分析。即将动力作用下求内力问题转化为静力作用下求内力问题。根据荷载组合计算出不同受力状态下结构构件的内力值后，应取其控制条件作为截面设计依据。有了组合荷载值还有确定分析方法确定后，可按静力学的一般方法和计算图表求得构件的内力，对于超静定的钢筋混凝土结构，可以由非弹性变形产生的塑性内力重分布计算内力。当板的周边与梁为整体现浇时，对板的中间跨跨中弯矩可以乘以0.7；对边跨的跨中弯矩可以乘以0.8；对于无梁楼盖可以乘以0.9；如在板的计算中已计入轴力的作用，则不应再乘以以上折减系数。3.4截面设计由于爆炸动荷载作用下防空地下室对结构的变形和裂缝的开展可不进行验算，因此，在截面设计中我们只进行承载能力极限状态计算。在动荷载和静荷载同时作用或动荷载单独作用下，防空地下室结构构件在承载力设计中采用材料动力强度设计值。其值为静荷载作用下材料强度设计值乘以动荷载作用下材料强度综合调整系数，其余基本上与地面建筑结构的截面设计相同。当由战时荷载（效应）组合计算出的内力起控制作用时，防空地下室结构设计中不能直接采用静力作用下计算图表进行截面设计，否则将造成不应有的浪费，这是由于加入材料强度综合调整系数后，使等效静荷载与等量静荷载并不等价。还要注意在承载力极限状态设计中，几项主要技术参数：结构重要性系数：取1.0;等效静荷载分项系数，取1.0;永久荷载分项系数：当其效应对结构不利时取1.2；有利时取1.0。截面设计中保证结构构件延性的几项规定：结构构件的允许延性比[β]，是指构件允许出现的最大变位与弹性极限变位的比值。显然，当[β]≤1时，结构处于弹性工作阶段；当[β]＞1时，构件处于弹塑性工作阶段。因此允许延性比虽然不完全反映结构构件的强度、挠度及裂缝等情况，但与这三者都有密切的关系，且能直接表明结构构件所处极限状态。根据试验资料，用允许延性比表示结构构件的工作状态，既简单实用，又比较合理，故“人防规范”采用按允许延性比表示结构构件工作状态。结构构件的允许延性比，主要与结构构件的材料、受力特征及使用要求有关。如结构构件具有较大的允许延性比，则能较多地吸收动能，对于抵抗动荷载是十分有利的。“人防规范”4.10.3条规定结构构件按弹塑性工作阶段设计时，受拉钢筋的配筋率不宜大于1.5%；当大于1.5%时，受弯构件或大偏心受压构件的允许延性比[β]值应满足以下公式，[β]≤0.5/（x/h0）（1）说了半天，对于延性比的概念,我们一语道破的话，其实就是有关混凝土受压区高度的那点事，实际上就是要求混凝土受压区高度不要太大，以保证其延性。其中这个x/h0=ξ就是混凝土受压区相对高度，受压区高度不要太大，以保证其延性，就这么简单！怎样控制构件的延性比呢？我们接着往下看：ξ=x/h0=(ρ-ρ’)fyd/(αcfcd)（2）在构件配筋后，我们可以求出受压区相对高度，从而求出构件的计算延性比“0.5/（x/h0）”。由“人防规范”钢筋混凝土结构人防构件的允许延性比[β]，以一般防水防毒条件下梁受弯状态下为3.0为例，由规范要求可以得到梁为3.0，则受压区相对高度为0.5/3=0.167;同理，大偏压柱、墙面外为2.0，则受压区相对高度为0.5/2=0.25。总之，人防构件设计时，严格控制配筋率、保证延性比，就是要确保在爆炸荷载作用下，构件还有一定的变形能力，从而达到耗能、延缓失效的目的。4有关防空地下室结构设计的个人理解与思考实际工程中，人防工程有“挡”和“扩”两个渠道。通常情况下我们会采用“挡”（“抵挡防御”）人防冲击波，各种人防构件的设计无不包含抵挡预定人防动荷载的工况。对于“扩”（“扩散削减”）其实也有很多例子。只是需要仔细思考，体会就会发现。比如扩散室，比如普通地下室下的人防地下室顶板（普通地下室起着扩散削减作用）等这些都会在人防荷载取值中得到反映。主体是防空地下室中，能满足战时防护及其主要功能要求的部分。对防毒要求的防空地下室，是指最后一道密闭门以内的部分。对于无防毒要求的防空地下室，指防护密闭门以内的部分。作为结构专业主要研究对象应该是围护主体的人防围护结构，明确了人防围护结构构件（顶、底板，外墙，临空墙，门框墙等），根据以上结构设计思路及原理，就能完成人防结构的大部分设计内容。除人工手算外，目前计算机软件例如PKPM及其他一些软件均能实现人防顶底板的计算机程序计算。只需要选对荷载，注意相对受压区高度等延性比要求，及其他构造要求即可；同理外墙，临空墙，门框墙等等可以借助其他考虑人防各种软件人防工具箱来实现设计。人防围护结构为防空地下室中承受冲击波或土中压缩波直接作用的顶板、墙体、和底板的总称。即包括：人防防护单元顶板，人防防护单元底板，人防单元土中外墙、人防单元空气中外墙（极个别，其实属于临空墙范畴），人防单元临空墙（包括防护密闭门框墙，人防防护单元间隔墙）。“人防规范”第4.8.12条对于对多层地下室结构，当防空地下室未设在最下层时，若在临战时不对防空地下室以下各层采取封堵加固措施，可以采用。但为了确保空气冲击波不进入以下各层，则防空地下室底板及防空地下室以下各层中间墙柱都要考虑核武器爆炸动荷载作用，这样做不仅使计算复杂，也不经济，故不宜采用，北京民防办明确禁止采用此类做法。防护单元间隔墙也是临空墙，门框墙也是临空墙的概念是本人依据临空墙的定义得出的，考虑某个防护单元战时被破坏失效才有另一防护单元仍能发挥作用的思考得出。有了这个思考，对于理解门框墙“人防技术措施”第3.7.1.2.4）及“人防规范”第4.8.14条就容易多了。相邻防护单元之间隔墙上荷载的确定，是个比较复杂的问题。当相邻两个单元抗力级别相同时，应考虑某一单元遭受常规武器破坏后，爆炸气浪、弹片及其它飞散物不会波及相邻单元；当相邻两单元抗力级别不同时，还应考虑当低抗力级别防护单元遭受核袭击被破坏时，核武器爆炸冲击波余压对与其相邻的防护单元的影响。“人防规范”对甲类核爆动荷载取相应冲击波地面超压值作为作用在隔墙(含门框墙)上的等效静荷载值。当相邻两防护单元抗力级别相同时，取地面超压值作为作用在隔墙两侧的等效静荷载标准值；当相邻两防护单元抗力级别不相同时，高抗力级别一侧隔墙取低抗力级别的地面超压值作为等效静荷载标准值；低抗力级别一侧隔墙取高抗力级别的地面超压值作为等效静荷载标准值。当防空地下室与普通地下室相邻时，冲击波将从普通地下室的楼梯间或窗孔处直接进入，考虑到普通地下室空间较大，冲击波进入后会有一定扩散作用，因此作用在防空地下室与普通地下室相邻隔墙上荷载值会小于室内出入口通道内临空墙上荷载值，按减少15％计入，并按此确定作用在相邻普通地下室一侧隔墙上和门框墙上的等效静荷载值。口部设计，口部是防空地下室主体与地表面或其他地下建筑的连接部分。口部是防冲击波的薄弱环节，若其防护措施不能与主体抗力相适应，将直接影响整体防护能力。口部分为出入口和通风口，水电口。出入口可又细分为室外出入口、室内出入口、备用出入口以及连通口；通风口细分为进风口、排风口和排烟口；水口“人防规范”仅提了一下洗消污水集水井；电口“人防规范”提到了防爆波电缆井（因其尺寸一般较小，构造钢筋多数情况应该满足人防要求）。竖井式出入口作为备用出入口时常与通风口合并设置。所以对于有防毒要求的防空地下室（人员掩蔽所、人防物资库等）其口部指最里面一道密闭门以外的部分，如密闭通道、防毒通道、滤毒室、洗消间（简易洗消间）、竖井、扩散室、除尘室和防护密闭门以外的通道等。对于无防毒要求的防空地下室（如人防汽车库），其口部包括竖井，扩散室、除尘室和防护密闭门以外的通道等。通风口即进、排风口、排烟口是防冲击波的薄弱环节，消波设施是指设在进风口、排风口、排烟口用来削弱冲击波强度的防护设施。消波设施通常包括防爆波活门和扩散室（或扩散箱）。若其通风口防护措施不能与主体抗力相适应，将影响整体防护能力。孔口防冲击波的基本措施是“挡”、“扩”结合。“挡”就是采用防爆波活门将冲击波的大部分阻挡在室外，“扩”就是从活门孔进入的少量冲击波通过扩散室（或扩散箱）的扩散膨胀作用削弱其压力，从而使其进入内部的压力不超过允许压力。因此孔口的设计首先是选择一适合的消波系统，使预计的孔口外部冲击波压力通过消波系统后能降到允许压力。防爆波活门设置于通风口的外侧，在冲击波到来时能够迅速自动关闭的防冲击波设备。常用的防爆波活门有：悬板式防爆波活门和胶管式防爆波活门。扩散箱消波系统使用较少，在这里主要介绍扩散室。扩散室设于通风口的防爆波活门的内侧，利用其内部空间的扩散作用来削弱冲击波强度的，用钢筋混凝土构筑的防护设施。扩散室用于进风口、排风口的防爆波活门，一般采用悬板式防爆波活门（以下简称悬板活门）。为了保证在冲击波到达时能使悬板活门迅速地关闭，悬板活门应该保证其嵌入深度应不小于300mm。扩散室中安装悬板活门的墙称为前墙；与前墙相对的墙称为后墙；连接前墙和后墙的墙称为侧墙。扩散室前墙（即悬板活门门框墙）为临空墙，其本身承受的荷载及活门传来的荷载均可按临空墙等效静荷载标准值取值。扩散室与防空地下室室外空气相邻的顶板、底板及外墙，其等效静荷载可按临空墙等效静荷载标准值取值；若扩散室与土相邻，顶、底板及外墙，其等效静荷载标准值应按“人防规范”顶、底板及外墙取值；扩散室与防空地下室室内相邻的墙，作用在扩散室一侧的水平等效静荷载与扩散室的允许压力有关。在核爆动荷载下允许余压值按防空地下室的室内有、无人员确定。并规定：室内有掩蔽人员的(如医疗救护工程、人员掩蔽工程、专业队队员掩蔽部、物资库等)防空地下室各通风口的扩散室允许余压均按0.03Mpa考虑(即30kpa)；室内没有掩蔽人员的(如电站发电机房)防空地下室各通风口的扩散室允许余压均按0.05Mpa考虑(即50kpa)。根据“人防规范”第4.6.7条，扩散室与防空地下室相邻临空墙动力系数可取1.3得到，当对防空地下室有人情况按1.3x30=39kpa,无人时1.3x50=65kpa考虑。扩散室与防空地下室相邻临空墙可不考虑于常规武器爆炸动荷载，进而按“人防规范”第4.11节构造配置即可。口部的临空墙（包括防护密闭门框墙），地下室的外墙，通道顶、底板，扩散室的墙体，还有主体的外墙，临空墙（规范定义为人防隔墙），主体顶、底板的注意事项。出入口按建筑形态上分阶梯式、坡道式出入口，还有竖井式；按冲击波由通道入口至防护密闭门法线走向分为直通式、单向式（至少一个水平90度拐弯）、竖井式（至少一个竖向90度拐弯）、穿廊式（失少一个水平90度拐弯，冲击波能有效分流）、楼梯式（至少一个竖向90度拐弯）；从战时空袭后应用与否分主、次要出入口及备用出入口（仅甲类人防考虑）；按出地面段位于防空地下室上部建筑投影范围内外分室内、外出入口。室内出入口多为楼梯间。室外出入口与上部建筑相邻与否分为附壁式室外出入口与独立式室外出入口。当还有需要保证主要出入口采用楼梯式时，为保障战时正常出入使用，我们需要做“人防楼梯”设计。“人防荷载”第4.8.11条关于“人防楼梯”的等效静荷载标准值。人防楼梯设计应该注意反面荷载作用下，楼梯梁成为反梁，箍筋增多，应注意验算，这里不赘述。口部建筑即在室外出入口通道出地面段的上方建造的小型地面建筑物。与“人防楼梯”相似，战时需要应用的各种出入口，及通风口，需要考虑防护以保证各种口部的战时空袭后应用，即战时不允许这些位置倒塌、堵塞，甚至被埋！这时应该设置的口部建筑应按防倒塌棚架设计，通风口也应在局部顶板设置与主体脱开的防倒塌棚架或考虑人防荷载或倒塌荷载。甲类人防出入口核武器爆炸所造成的地面建筑破坏范围很大，因此甲类防空地下室需要重视地面建筑倒塌的影响。作为战时主要出入口的室外出入口和备用出入口在空袭之后也需保证能够正常的出入，因此要求尽可能的将通道的出地面段布置在倒塌范围之外，以免在核袭击之后被倒塌物堵塞。出地面段设在倒塌范围之外时，其