非人防地下室戰時應急掩蔽潛能的研究

上海市地下空間設計研究總院有限公司 趙寒青

根據2001年建設部出臺的《城市地下空間開發利用管理規定》及2014年上海市出臺的《上海市地下空間規劃建設條例》的政策導向，地下空間結合人防工程建設為平戰結合以發揮地下工程綜合效益的研究勢在必行。本文旨在深度挖掘大量現存非設防地下室戰時防護常規武器的潛能，以便更高效地利用現有工事對人民群眾進行戰時防護。本文采用ANSYSAUTODYN軟件建立地下車庫有限元模型并開展數值模擬。根據計算分析結果制定非人防地下空間生存概率區域劃分原則，建立地下空間標準模型，提出了根據生存概率劃分非人防地下室戰時安全等級的理論。研究結論亦可用于指導新建非人防地下工程，具有較大的戰略意義。

一、研究背景

建設部1997年頒布《城市地下空間開發利用管理規定》，標志著我國城市地下空間開發利用進入了嶄新的階段。2014年上海市出臺《上海市地下空間規劃建設條例》，對上海地下空間建設提出了更規范的要求，地下空間結合人防工程建設為平戰結合、為發揮地下工程綜合效益提供良好的范例。

本文從各類型地下空間兼顧防空需求進行可能性分析，在模型分析基礎上提出各類型安全區域劃分的概念，通過分析上海市現狀地下空間形態，研究現代戰爭中常規武器空氣沖擊波侵入地下空間的特點，建立地下空間標準模塊模型并建模計算分析地下空間的防護潛能問題。根據計算分析結果，提出非人防地下空間相對安全區域劃分的理念，并給出標準化模塊劃分示意圖，用于指導非專業人員在臨戰情況下快速識別和選擇相對安全的區域進行掩蔽。

二、計算假定

1）基于概率理論為基礎的極限狀態設計方法

2）定性分析與定量分析相結合的研究方法

3）常規武器非直接命中

4）等效T N T裝藥量C（○密參數隱）

5）人體所能承受最大沖擊波超壓值參考美國輕傷標準（○密參數隱）

6）混凝土強度等級：C30

三、計算分析

1）計算條件：

a）非人防地下室出入口不設置防護門，按照無垂直遮擋進行分析。

b）出入口橫斷面積F1=12㎡，出入口高度3m。

c）假定工程內部面積為2000㎡，層高3.7m（按小區隔），出入口處等效直徑D=1.128F1=1.128×12=3.9m，工程內部橫斷面積F2=40×3.7=165㎡。

2）計算理論

當空氣沖擊波從小截面洞室傳入大截面洞室時強度將減小。激波管中的長時間作用的脈沖強度基本與洞室截面積的平方根成正比，國內外大量試驗證明當小截面洞室與大截面洞室面積比小于0.01時，有如下線性關系：

?P2=F1F2?P1

其中F1F2=12165=0.0727

令?P2=0.016MPa代入上式得

?P1=0.22MPa

參考規范GB50225○密（公式隱）L為

爆心至敞開口距離（m）

3）直通式出入口計算

0.22=0.55×3.9-0.17×L-0.48

解得：L=4.2m

4）單向式出入口計算

0.22=0.42×3.9-0.43×L-0.35

解得：L=1.19m

5）穿廊式出入口計算

0.22=0.31×3.9-0.58×L-0.33

解得：L=0.25m

上述計算模型均為理想模型狀態下距開口端一定距離的理論計算。

現針對上述三種典型開口形式，利用ANSYSAUTODYN軟件建立有限元模型，并開展數值模擬；采用AUTODYN里的2D Multi-material算法，建立了TNT炸藥在空氣中爆炸的二維模型（圖1）。在AUTODYN里建立相應的三維模型，將第一步計算得的爆炸作用采用remap映射到三維有限元模型中。

a）直通式出入口模塊

圖1 TNT在空氣中爆炸二維模型

圖 2 直通式出入口三維模型

橘色部分代表空氣自由場，設置了flow-out邊界。計算得出不同時間的模型的應力分布云圖如圖3(a)-3(e)所示，從壓力云圖中可以看到壓力波的傳播過程。根據距爆心不同距離處的超壓-歷史曲線如圖4所示，可以看到各壓力曲線均有明顯的升壓段、降壓段和負壓段，且最終均穩定于大氣壓值。各壓力曲線均有波動，距離爆心11～21m處各測點的波動更為明顯，這是因為這些測點位于出入口通道內，而通道內壁面狹窄，壓力波在壁面間來回地入射與反射。此外，從超壓歷史曲線還可以看出，壓力值在進入地下室后有較為明顯的降低。

由圖5和表1可以看出超壓峰值隨著傳播距離的增大而減小，距爆心20～22m間的超壓峰值有一個顯著的下降，這是因為壓力從截面較小的出入口傳入截面較大的地下室時壓力產生突變式衰減。從表中可知，距離地下室入室門2m處（距離爆心23m）的超壓峰值為0.017MPa，故只要在地下室入口2m外，地下室內部是安全的。

圖3帶直通式出入口地下室的壓力分布云圖

圖4帶直通式出入口地下室的超壓歷史曲線

圖5帶直通式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表1 帶直通式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

b）單向式出入口

圖 6 單向式出入口三維模型

建立單向式出入口的地下室三維模型（如圖6所示）。由計算結果設計的模型的壓力分布云圖和超壓歷史曲線分別如圖7和圖8所示。由圖9和表2可知，超壓先隨著距爆心的等效距離的增大而減小，然后在距爆心16m處突然增大（這是由于壓力波傳播至通道端部受到了墻體的反射作用），隨后超壓又明顯減弱（因為壓力波在通過90度拐彎的通道時壓力波會衰減）。同樣地，壓力波從截面通道傳入大截面地下室后，壓力波也發生衰減。超壓在距離地下室入室門1m處（距爆心等效距離為22m）的超壓峰值為0.0166MPa，故只要在入室門1m的范圍外，地下室內部是安全的。

圖7帶單向式出入口地下室的壓力分布云圖

圖8帶單向式出入口地下室的超壓歷史曲線

圖9帶單向式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表2 帶單向式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

c）穿廊式出入口

建立穿廊式出入口的地下室的三維模型，如圖10所示。由計算結果設計的壓力分布云圖和超壓歷史曲線分別見圖11和圖12，從超壓歷史曲線可以看出同前所述的一些規律。

圖 10 穿廊式出入口三維模型

圖11帶穿廊式出入口地下室的壓力分布云圖

圖12帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

圖13和表3則給出了帶穿廊式出入口地下室的不同測點的超壓峰值。從圖13和表3可以看出，超壓峰值隨著距起爆點等效距離的增大而增大，分別在等效距離為14～18m和20～22m發生明顯降低，前者是由于壓力在三岔路口向轉90度傳播時發生了衰減，后者則是由于從小截面洞室傳向大截面洞室造成的。超壓在地下室入室處已經低于0.016MPa，故整個地下室內部是安全的。

圖13帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

表3帶穿廊式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值

由前述可知，在避開出入口一定范圍內，地下室是安全的。從圖14中可以看出，對于地下室而言，采用上述三種出入口的安全性的排序為穿廊式>單向式>直通式。

圖14帶不同形式出入口地下室的距離爆心不同距離處超壓峰值曲線

四、安全等級區域劃分示意圖

根據以上研究結論，結合工程實例，給出如下區域劃分示意圖及標準模塊劃分示意圖，用于較為直觀地指導人民群眾戰時疏散掩蔽。

圖15.1 直通式出入口非直接命中區域劃分示意圖

圖15.2 單向式出入口非直接命中區域劃分示意圖

圖15.3 穿廊式出入口非直接命中區域劃分示意圖

五、結論及建議

1）研究結論

a）直通式出入口理論計算得出的安全距離為4.2m 。

b）單向式出入口理論計算得出的安全距離為1.19m 。

c）穿廊式出入口理論計算得出的安全距離為0.25m 。

2）指導建議

a）工程建設在有條件的情況下應盡量采用單向式出入口，以便更大限度地發揮非人防地下室戰時防常規武器非直接命中下的潛能。

b）建議人員掩蔽時避開直通式出入口或敞開口垂直對應區域。

c）建議人員掩蔽時避開地下工程內部有柱子及內部隔墻兩米范圍內區域。

d）建議平時設計結合防火規范，在消防疏散通道和疏散間設置混凝土墻體，提高戰時防護能力，使之成為安全屋。

六、未來展望

隨著新時代戰技戰術形勢的變化，精確打擊已不可避免。現行規范對于常規人員掩蔽并未考慮精確打擊情況，這方面內容有待進一步研究。

通過上述計算分析可以看出，現存大量的非人防地下室擁有著很大的戰時防護潛能。本課題研究給出了非直接命中工況下的區域劃分規則，將來可根據此結論指導人防地下室進行安全區域劃分，以便更好地適應現代戰爭的特殊性。

本論文研究結論正在申請國家發明專利。