地鐵人防工程結構簡化設計方法研究

劉和平，楊振坤

（1.中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100082；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

1 引言

地鐵人防工程是基于國家戰時防護要求興起的一項重要的工程。 通過利用地鐵現有條件，兼顧人民防空的需要，對關鍵部位、重要設施采用安裝人防設備，在規定轉換時限內達到防護標準及要求，達到戰時防御的重大作用。 近年來，隨著地鐵樞紐系統在國家人民防空工程中的地位不斷提高， 其作用已由最初戰時防空的單一作用，逐漸發展成戰時防空，災害時防災的多功能性設施， 這也就對地鐵人防工程結構提出了更高的要求。

2 研究背景

地鐵人防段結構具有多種不同的斷面形式， 一般分為以下幾類。

1）矩形斷面，是車站中常選用的形式，一般用于淺埋車站。 車站可設計成單層、雙層或多層；跨度可選用單跨、雙跨、三跨及多跨的形式。

2）拱形斷面。 拱形斷面多用于深埋車站，有單拱和多跨連拱等形式。

3）圓形斷面。 圓形斷面用于深埋或盾構法施工的車站。

4）其他類型斷面，有馬蹄形、橢圓形等。 由于地鐵人防工程結構斷面種類繁多，埋深差異很大，在結構設計中既要考慮平時設計荷載作用，又要考慮戰時核武器、常規武器爆炸分別與靜荷載同時作用， 而且戰時結構重要性系數與材料強度綜合調整系數和平時取值不同， 計算工作量非常繁重，因此，如何快速確定不同斷面下的控制荷載工況就成為關鍵。

地鐵項目具有投資大、站點多、施工工期緊且施工可逆性小等特點， 人防專業作為系統專業， 會參與到地鐵設計全過程，而且涉及專業多，圖紙量大，尤其對于人防結構專業，因現有地鐵人防計算標準及計算方法復雜， 人防段的單獨計算與出圖會占用結構設計人員大量的工作時間， 促使我們必須建立一套施工階段地鐵人防工程結構配筋通用圖庫， 以提高工作效率。

3 研究內容

對不同施工工法下地鐵人防結構在不同土層類別、 埋深和斷面形式下的出入口、風道、區間隧道等關鍵部位的荷載工況進行研究分析，確定一種簡化設計方法。 根據該方法能迅速判斷控制工況，避免其余復雜荷載工況的重復計算，提高工作效率， 并在此基礎上考慮人防結構與周圍土層的相互影響作用，進行優化配筋，得出地鐵人防二襯結構配筋通用圖庫，提升設計的技術優勢。

本文的研究內容包括：針對馬蹄形、橢圓形、矩形、拱形、圓形等典型性的結構斷面進行研究分析，考慮不同施工工法、不同深度土層、不同類型土質下的荷載控制工況；針對平時荷載、核爆荷載和靜荷載組合、常規武器荷載和靜荷載組合等進行比較分析，歸納出一種簡化設計方法的確定原則。

本文以某口部門框墻計算為例進行計算說明。

3.1 工程概況

工程防核武器抗力級別6 級，工程防常規武器抗力級別6 級，口部形式單向式，鋼筋HRB400，混凝土C35。 參考規范如下：

RFJ 02—2009《軌道交通工程人民防空設計規范》[1]（以下簡稱《軌道規范》）；

GB 50038—2005《人民防空地下室設計規范》[2]（以下簡稱《人民防空規范》）；

RFJ 01—2002 《人民防空工程防護設備產品質量檢驗與施工驗收標準》[3]；

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）[4]。

軌道交通工程結構計算， 應分為平時和戰時兩種使用情況計算，并應取其中不利情況進行構件截面設計；在動荷載單獨作用或動靜荷載同時作用下， 構件荷載采用等效靜荷載法進行計算。

3.2 核武器作用荷載計算

根據《軌道規范》表5.6.11-1 查得第一道防護門上的核爆空氣沖擊波超壓ΔPc=0.120 MPa。

根據《軌道規范》表5.6.11-2，第一道防護門上的等效靜荷載標準值為qf=1.5ΔPc=0.180 N/mm2。

根據《軌道規范》式（5.6.12），第一道防護門框墻上的等效靜荷載標準值qe=KdΔPc=0.240 N/mm2。 其中，Kd為門框墻的動力系數，對于防護密閉門，Kd=2.0。

3.3 常規武器作用荷載計算

3.3.1 計算常規武器入射沖擊波超壓峰值ΔP

根據《軌道規范》表5.4.6，比例爆距和出入口形式對入射波的影響系數取值如下：K1=0.42，K2=0.43，K3=0.35，K4=2.07，K5=0.59，K6=0.43。 根據面積等效原則確定通道等效直徑Deq，通道口寬W=6.600 m，通道口高H=6.500 m，Deq=7.391 m。

根據《軌道規范》第5.4.6 條確定防護門至出入口的直線距離L=66.000 m，則超壓峰值ΔP=0.041 MPa，超壓作用時間tOi=0.041 s。

3.3.2 計算反射超壓峰值ΔPr

壓力反射系數np=2.332， 反射超壓峰值ΔPr=0.096 MPa，超壓作用時間tO=0.041 s。

3.3.3 計算防護門和門框的動力系數

1）防護門動力系數Kdf

根據《軌道規范》第5.3.1 條，常規武器爆炸動荷載的波形簡化為無升壓時間的三角形，門的動力系數按式（1）計算。

首先需確定公式中的自振圓頻率ω 和允許延性比[β]。 確定[β]，根據《軌道規范》第5.4.4 條，確定[β]=1.000；確定ω，則根據《人民防空規范》的條款C.0.2。a=3.250m，b=2.800 m，由于a/b=1.161，大于1，按式（2）和式（3）計算。

式中，a、b 為板的計算跨度，m；D 為板的抗彎剛度；mˉ為板的單位面積質量，＝γd/g，γ 為材料重力密度，kN/m3，g 為重力加速度，m/s2，d 為板的厚度，m；Ωa、Ωb為頻率系數。

式中，ψ 為剛度折減系數；υ 為材料泊松比；Ed為動荷載作用下材料彈性模量，kN/m2。

查表可得ψ=1.000； 靜荷載時鋼材彈性模量E=2.06×108kN/m2，動荷載情況下，鋼材的彈性模量Ed=2.06×108kN/mm2，泊松比υ=0.300，板厚d=0.300 m，則D=509 340.659。γ=78.000kN/m3，g 取9.800 m/s2，m=2.388。

綜上，ω=393.537。

因此，防護門的動力系數計算得Kdf=1.905。

2）門框墻動力系數Kde

根據《軌道規范》第5.3.1 條，常規武器爆炸動荷載的波形簡化為無升壓時間的三角門的動力系數按式（1）計算。 需首先確定公式中的自振圓頻率ω 和允許延性比[β]。 確定[β]，根據軌道規范第5.4.4 條，確定[β]=1.000；確定ω，根據《人民防空規范》C.0.1，門框墻按照單跨等截面梁撓曲型確定的自振圓頻率ω。

式中，B 為梁的抗彎剛度；Ω 為頻率系數，按照《人民防空規范》C.0.1-1 采用，確定為Ω=3.520。門框墻厚h=0.700 m，懸臂長度l=0.750 m。 剛度折減系數ψ=0.600。 混凝土彈性模量按照C35，動荷載情況下， 混凝土的彈性模量Ed=3.78×107kN/mm2。 γ=25.000 kN/m3，g 取9.800 m/s2。

綜上，ω=3 770.441，計算得Kde=1.999。

3.3.4 常規武器作用下的等效靜荷載

按照《軌道規范》第5.4.4 條計算，防護門在常規武器作用下的等效荷載qf=0.182 MPa，門框墻的等效荷載qe=0.191 MPa。

3.4 總作用配筋計算

核武器和常規武器作用取不利的情況進行計算。 因此，防護門等效靜荷載標準值為qf=0.182 MPa=182.162 kPa。

第一道防護密閉門配筋計算：門框墻劃分為側墻、上擋墻和門檻。 門框墻的等效荷載包括門扇傳給的等效靜荷載qi和直接作用在墻上的等效靜荷載qe。

3.4.1 側墻配筋

1）側墻尺寸

門框墻懸挑長度l=0.750 m， 門扇在墻上的搭接長度l0=0.150 m，qi作用點至根部距離l1=0.700 m，qe分布寬度l2=0.600 m，墻厚h=0.700 m。

2）內力計算

門扇傳給側墻的荷載qi按照《軌道規范》5.9.3 計算。 其中γb反力系數，單扇門按《軌道規范》表5.9.3-1，雙扇門按《軌道規范》表5.9.3-2。 γb=0.322，qf=0.182 MPa，a=3 250.000 mm，門扇傳給門框側墻單位長度的等效靜荷載標準值qib=190.633kN/m。

按照《軌道規范》第5.9.5 條計算彎矩M 和剪力V，M=176.643 kN·m，V=334.633 kN，根據《軌道規范》第5.9.5 條，C/h0≤1，按牛腿設計；當C/h0＞1，按懸臂梁設計。其中C=M/V，h0=0.650，此處C/h0=0.812 小于1， 按牛腿計算。 其中，h0為截面有效高度；C 為換算剪跨。

3）配筋計算

系數α1=1.000，混凝土軸心抗壓強度設計值fc=16.700N/mm2，截面寬度B=1 000.000 mm， 截面高度H0=650.000 mm， 系數αs=0.017， 系數ζ=0.017， 受拉區縱向普通鋼筋的截面面積As=634.410 mm2，又根據最小配筋率為0.3/100，最小配筋面積Asmin=2 100.000 mm2，查鋼筋面積表，取φ25 mm@200 mm，實配鋼筋面積為2 455 mm2。

3.4.2 門檻配筋

門檻高度較小，因此彎矩小，一般按照最小配筋率和構造配筋即可。 根據最小配筋率0.3%，門檻尺寸：h=550.000 mm，得As=1 650.000 mm2。 取φ22 mm@200 mm， 實配鋼筋面積1 901 mm2。

3.5 上擋墻配筋

上擋墻如果按懸臂梁計算配筋率較高。 此時在上擋墻端部加梁，按照梁和臨空墻分擔荷載計算。 本案例首先按懸臂梁計算配筋，如果配筋率較高，再增加端部梁計算。

1）尺寸

門在墻上的搭接長度為0.150 mm，h=0.700 m，l=1.000 m，l1=0.950 m，l2=0.850 m。

2）內力計算

門扇傳給上擋墻的荷載qi按照《軌道規范》第5.9.3 條計算。 其中γa反力系數，單扇門按《軌道規范》表5.9.3-1，雙扇門按《軌道規范》表5.9.3-2。 γa=0.362，qf=0.182MPa，a=3250.000mm。則門扇傳給上擋墻和門檻單位長度的等效靜荷載標準值qia=214.314 kN/m，qe=240.000 kN/m2。

按照 《軌道規范》 第5.9.5 條計算彎矩M 和剪力V，M=290.298 kN·m，V=418.314 kN。 根據 《軌道規范》 第5.9.5條，C/h0≤1， 按牛腿設計； 當C/h0＞1， 按懸臂梁設計。 其中C=M/V，h0=0.650 m，此處，C/h0=1.068 大于1，按懸臂梁計算。

3）配筋計算

α1=1.000，fc=16.700 N/mm2，B=1 000.000 mm，H0=650.000 mm，αs=0.027，ζ=0.028，As=1 048.407 mm2， 又根據最小配筋率為0.003，Asmin=2 100.000 mm2，查鋼筋面積表，取φ25 mm@200 mm，實配鋼筋面積為2 455 mm2。

按照計算過程，可歸納總結不同荷載下的取值，運用軟件進行統計分析，達到快速計算的過程。 通過統籌程序，合理安排，利用基數，連續計算，一次算出，多次使用，結合實際，靈活機動的原則，對計算過程進行分段、分層、補加或補減的方式來達到快速計算出結果的目的。

4 主要解決問題

1）人防結構的簡化設計方法，主要是考慮在平時和戰時兩種工況下種類繁多的結構斷面控制荷載的快速確定， 建立人防二襯結構控制荷載選用表。

2）模擬人防結構與周圍支護的相互影響作用，并結合分析結果與工程設計中常用的不考慮土結相互作用的計算結果進行對比，對人防結構配筋進行優化；

3）建立地鐵人防二襯結構配筋通用圖庫，進一步完善相關設計圖庫。

5 創新點

1）系統性地對人防結構典型斷面形狀、不同施工工法、不同厚度、不同性質的土層進行研究分析，建立簡單有效的判斷方式和荷載圖表，快速確定控制荷載工況，提高工作效率。

2） 通過數值計算模擬人防結構與周圍支護的相互影響，考慮作用與反作用，并與工程設計的靜定計算結果進行對比，得出更為經濟合理的優化配筋， 對于地鐵這種規模大投資大的公共項目，能節約大量的費用。

3）建立地鐵人防二襯結構配筋通用圖庫，使沒接觸人防的普通設計人員能迅速熟悉人防工程設計并應用于實際，提高設計院的競爭實力， 從而在人防總包業務的競爭中能繼續占據技術優勢。

4）通過調研，廣泛收集國內外關于地鐵人防結構二襯荷載確定的最新研究；通過全面的研究分析，對以往的研究成果進行繼承和消化吸收；通過理論計算、仿真模擬等方法，確定簡化計算方法的原則；結合某條新地鐵線路，開展研究成果的應用、示范工作。