人防結構設計與抗震結構設計的比較

摘要：本文對抗震結構與人防結構設計進行比較，并提出提高延性的構造措施。

關鍵詞：人防結構設計 抗震結構設計

甲類人防地下室應能承受常規(guī)武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載的分別作用，乙類人防地下室應能承受常規(guī)武器爆炸動荷載的作用，人防地下室一般也有抗震設防要求，設計時需要能承受地震動荷載及武器爆炸動荷載作用。人防結構設計與抗震結構設計有相同之處也有不同之處。

1 荷載

兩者均為動荷載，設計時均按一次作用考慮，荷載作用時間都很短。人防荷載具有量值大、作用時間短且不斷衰減等特點。人防地下室結構設計主要考慮抵抗空氣沖擊波，因此人防荷載對結構構件外表面的是直接作用，其動荷載直接作用于構件，其作用為外力；而地震動荷載則是由于地震時地面運動引起的動態(tài)作用，是間接的作用。抗震區(qū)的建筑物均會承受地震作用。由于核爆動荷載是偶然性荷載，鋼筋混凝土構件又允許開裂，因此比之靜荷載作用下構件的安全度可適當降低。在核爆動荷載作用下，地基承載力有較大提高，同時安全系數(shù)也可取較低，在這種瞬間荷載作用下，一般不會產生因地基失效引起結構破壞，因此基礎計算一般可以不考慮人防荷載，但一些建筑需要考慮地震作用效應。

《人防規(guī)范》將人防荷載簡化成等效靜荷載，它只代表作用效果的等效，等效靜荷載并不是實際作用的力，但它方便了設計計算可以用靜力分析的模式進行內力計算；設計時等效靜荷載的大小的確定主要與設防抗力等級有關。人防荷載的分項系數(shù)=1，原因是偶然性荷載不乘分項系數(shù)；人防結構可靠度要求比工民建結構低。

地震作用大小與筑物所處的場地條件及土質情況、及建筑物自振周期、振型、阻尼及抗震設防烈度有關。根據(jù)抗震設防烈度和場地條件確定不同的抗震等級。

2 設計理念

抗震設計方法通常為“三水準、二階段”的設計方法，設防目標為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。為實現(xiàn)設防目標取小震下地震動參數(shù)計算結構彈性下的地震作用效應，進行截面承載力驗算。第二階段是大震下的結構彈塑性變形驗算。并通過概念設計和抗震構造措施來滿第三水準的設計要求。

在人防動荷載作用下，防空地下室結構動力分析采用等效靜荷載法，即將動力作用下求內力問題轉化成靜力作用下求內力問題，防空地下室結構的內力可按一般靜力結構進行結構內力分析，并可采用靜力計算手冊和相應圖表來計算內力。

由于在動荷載作用下，結構構件振型與相應靜荷載作用下?lián)锨€很相近，且動荷載作用下結構構件的破壞規(guī)律與相應靜荷載作用下破壞規(guī)律基本一致，所以在動力分析時，可將結構構件簡化為單自由度體系，用動力系數(shù)乘以動荷載峰值得到等效靜荷載，這時結構構件在等效靜荷載作用下的各項內力就是動荷載作用下相應內力的最大值。按等效靜荷載分析計算的模式代替動力分析，給防空地下室結構設計帶來很大方便。采用等效靜荷載分析時，為滿足抗力要求，結構材料參數(shù)應乘以材料強度綜合調整系數(shù)。最后結構構件在動荷載作用下的變形極限用允許延性比[β]來控制。按允許延性比進行彈塑性工作階段的防空地下室，即可認為滿足防護和密閉要求。

3 設計原則

人防設計與抗震結構設計的設計原則一樣：

3.1 脆性破壞的構件安全儲備小，延性破壞的構件安全儲備大，因此結構應盡可能有足夠的延性，避免脆性破壞，鋼筋砼結構構件均應采取“強柱弱梁”“強剪弱彎”的設計原則。

3.2 各結構構件抗力相協(xié)調的原則，避免出現(xiàn)薄弱部位。防空地下室的結構，應充分考慮各部位作用荷載值不同，破壞形態(tài)不同以及安全儲備不同等因素，保證在規(guī)定的動荷載作用下，結構各部位（如出入口和主體結構）都能正常地工作，防止由于存在個別薄弱環(huán)節(jié)致使整個結構抗力明顯降低。如果某個部位失效，將導致整個人防區(qū)失效。同樣抗震設計也十分強調避免出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)（如薄弱層，軟弱層等），因為大震時薄弱層或軟弱層出失效將導致建筑物倒塌，產生嚴重后果。

4 提高延性的設計構造措施

4.1 核武器與常規(guī)武器爆炸均屬于偶然性荷載，具有量值大，作用時間短且不斷衰減的特點，結構構件承受動荷載時已經處于彈塑性工作階段，因此，結構構件具有較大的延性，對吸收動能，抵抗動荷載是十分有利的。人防結構設計時，構造上應采取“強剪弱彎”“強柱弱梁”“強節(jié)點弱桿件”的設計原則。如可充分利用受彎構件和大偏心受壓構件的變形吸收武器爆炸動荷載作用的能量，以減輕支座截面的抗剪與柱子抗壓的負擔，確保結構在屈服前不出現(xiàn)剪切破壞和屈服后有足夠的延性，最終形成塑性破壞，提高結構的整體承載能力；又如受彎構件應雙面配筋，對承受動荷載作用下可能的回彈和防止在大撓度情況下構件坍塌十分重要。

4.2 對梁、柱剪跨比和梁、柱剪壓比及柱軸壓比都需限制在合理范圍內，規(guī)范中也有一定的規(guī)定。在塑性鉸區(qū)需配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應變值，提高抗壓強度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且鋼箍作為縱向鋼筋的側向支承，阻止縱筋壓屈，使縱筋充分發(fā)揮抗壓強度。為了避免地震作用下框架柱過早地進入屈服階段，增大屈服時柱的變形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部縱向鋼筋的配筋率不應過小。

4.3 強節(jié)點弱構件”設計原則。由于節(jié)點區(qū)的受力狀況非常復雜，所以在結構設計時只有保證各節(jié)點不出現(xiàn)脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分發(fā)揮其承載能力和變形能力。即在梁、柱塑性鉸順序出現(xiàn)完成之前，節(jié)點區(qū)不能過早破壞。

4.4 強柱弱梁。較合理的框架破壞機制應是梁比柱的塑性屈服盡可能早發(fā)生和多發(fā)生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應錯開，不要集中在某一層。這種破壞機制的框架，就是強柱弱梁型框架。

4.5 強剪弱彎。適筋梁或大偏壓柱，在截面破壞時可以達到較好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使內力重分布得以充分發(fā)展；而鋼筋混凝土梁柱在受到較大剪力時，往往呈現(xiàn)脆性破壞。所以在進行框架梁、柱設計時，應使構件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構件發(fā)生延性較好的彎曲破壞，避免發(fā)生延性較差的剪切破壞，而且保證構件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞，這就是“強剪弱彎”的設計原則，它實際上是控制構件的破壞形態(tài)。

這些都可以提高結構構件的延性上述這些措施人防設計抗震設計的原則是一致的。