地鐵人防工程結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)方法研究

劉和平，楊振坤

（1.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100082；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)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(zhàn)時(shí)防護(hù)要求興起的一項(xiàng)重要的工程。 通過利用地鐵現(xiàn)有條件，兼顧人民防空的需要，對(duì)關(guān)鍵部位、重要設(shè)施采用安裝人防設(shè)備，在規(guī)定轉(zhuǎn)換時(shí)限內(nèi)達(dá)到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及要求，達(dá)到戰(zhàn)時(shí)防御的重大作用。 近年來，隨著地鐵樞紐系統(tǒng)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(zhàn)時(shí)防空的單一作用，逐漸發(fā)展成戰(zhàn)時(shí)防空，災(zāi)害時(shí)防災(zāi)的多功能性設(shè)施， 這也就對(duì)地鐵人防工程結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

2 研究背景

地鐵人防段結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(gòu)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(jié)構(gòu)斷面種類繁多，埋深差異很大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要考慮平時(shí)設(shè)計(jì)荷載作用，又要考慮戰(zhàn)時(shí)核武器、常規(guī)武器爆炸分別與靜荷載同時(shí)作用， 而且戰(zhàn)時(shí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)和平時(shí)取值不同， 計(jì)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(guān)鍵。

地鐵項(xiàng)目具有投資大、站點(diǎn)多、施工工期緊且施工可逆性小等特點(diǎn)， 人防專業(yè)作為系統(tǒng)專業(yè)， 會(huì)參與到地鐵設(shè)計(jì)全過程，而且涉及專業(yè)多，圖紙量大，尤其對(duì)于人防結(jié)構(gòu)專業(yè)，因現(xiàn)有地鐵人防計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法復(fù)雜， 人防段的單獨(dú)計(jì)算與出圖會(huì)占用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員大量的工作時(shí)間， 促使我們必須建立一套施工階段地鐵人防工程結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫， 以提高工作效率。

3 研究內(nèi)容

對(duì)不同施工工法下地鐵人防結(jié)構(gòu)在不同土層類別、 埋深和斷面形式下的出入口、風(fēng)道、區(qū)間隧道等關(guān)鍵部位的荷載工況進(jìn)行研究分析，確定一種簡化設(shè)計(jì)方法。 根據(jù)該方法能迅速判斷控制工況，避免其余復(fù)雜荷載工況的重復(fù)計(jì)算，提高工作效率， 并在此基礎(chǔ)上考慮人防結(jié)構(gòu)與周圍土層的相互影響作用，進(jìn)行優(yōu)化配筋，得出地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫，提升設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢。

本文的研究內(nèi)容包括：針對(duì)馬蹄形、橢圓形、矩形、拱形、圓形等典型性的結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)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(zhì)下的荷載控制工況；針對(duì)平時(shí)荷載、核爆荷載和靜荷載組合、常規(guī)武器荷載和靜荷載組合等進(jìn)行比較分析，歸納出一種簡化設(shè)計(jì)方法的確定原則。

本文以某口部門框墻計(jì)算為例進(jìn)行計(jì)算說明。

3.1 工程概況

工程防核武器抗力級(jí)別6 級(jí)，工程防常規(guī)武器抗力級(jí)別6 級(jí)，口部形式單向式，鋼筋HRB400，混凝土C35。 參考規(guī)范如下：

RFJ 02—2009《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡稱《軌道規(guī)范》）；

GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（以下簡稱《人民防空規(guī)范》）；

RFJ 01—2002 《人民防空工程防護(hù)設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[3]；

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）[4]。

軌道交通工程結(jié)構(gòu)計(jì)算， 應(yīng)分為平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種使用情況計(jì)算，并應(yīng)取其中不利情況進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)；在動(dòng)荷載單獨(dú)作用或動(dòng)靜荷載同時(shí)作用下， 構(gòu)件荷載采用等效靜荷載法進(jìn)行計(jì)算。

3.2 核武器作用荷載計(jì)算

根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.6.11-1 查得第一道防護(hù)門上的核爆空氣沖擊波超壓ΔPc=0.120 MPa。

根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.6.11-2，第一道防護(hù)門上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qf=1.5ΔPc=0.180 N/mm2。

根據(jù)《軌道規(guī)范》式（5.6.12），第一道防護(hù)門框墻上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe=KdΔPc=0.240 N/mm2。 其中，Kd為門框墻的動(dòng)力系數(shù)，對(duì)于防護(hù)密閉門，Kd=2.0。

3.3 常規(guī)武器作用荷載計(jì)算

3.3.1 計(jì)算常規(guī)武器入射沖擊波超壓峰值ΔP

根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.4.6，比例爆距和出入口形式對(duì)入射波的影響系數(shù)取值如下：K1=0.42，K2=0.43，K3=0.35，K4=2.07，K5=0.59，K6=0.43。 根據(jù)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(jù)《軌道規(guī)范》第5.4.6 條確定防護(hù)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(shí)間tOi=0.041 s。

3.3.2 計(jì)算反射超壓峰值ΔPr

壓力反射系數(shù)np=2.332， 反射超壓峰值ΔPr=0.096 MPa，超壓作用時(shí)間tO=0.041 s。

3.3.3 計(jì)算防護(hù)門和門框的動(dòng)力系數(shù)

1）防護(hù)門動(dòng)力系數(shù)Kdf

根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.3.1 條，常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的波形簡化為無升壓時(shí)間的三角形，門的動(dòng)力系數(shù)按式（1）計(jì)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(jù)《軌道規(guī)范》第5.4.4 條，確定[β]=1.000；確定ω，則根據(jù)《人民防空規(guī)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(jì)算。

式中，a、b 為板的計(jì)算跨度，m；D 為板的抗彎剛度；mˉ為板的單位面積質(zhì)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(shù)。

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

查表可得ψ=1.000； 靜荷載時(shí)鋼材彈性模量E=2.06×108kN/m2，動(dòng)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(hù)門的動(dòng)力系數(shù)計(jì)算得Kdf=1.905。

2）門框墻動(dòng)力系數(shù)Kde

根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.3.1 條，常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的波形簡化為無升壓時(shí)間的三角門的動(dòng)力系數(shù)按式（1）計(jì)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(jù)軌道規(guī)范第5.4.4 條，確定[β]=1.000；確定ω，根據(jù)《人民防空規(guī)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(shù)，按照《人民防空規(guī)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(shù)ψ=0.600。 混凝土彈性模量按照C35，動(dòng)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(jì)算得Kde=1.999。

3.3.4 常規(guī)武器作用下的等效靜荷載

按照《軌道規(guī)范》第5.4.4 條計(jì)算，防護(hù)門在常規(guī)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(jì)算

核武器和常規(guī)武器作用取不利的情況進(jìn)行計(jì)算。 因此，防護(hù)門等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qf=0.182 MPa=182.162 kPa。

第一道防護(hù)密閉門配筋計(jì)算：門框墻劃分為側(cè)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(cè)墻配筋

1）側(cè)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(diǎn)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(nèi)力計(jì)算

門扇傳給側(cè)墻的荷載qi按照《軌道規(guī)范》5.9.3 計(jì)算。 其中γb反力系數(shù)，單扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-1，雙扇門按《軌道規(guī)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(cè)墻單位長度的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qib=190.633kN/m。

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

3）配筋計(jì)算

系數(shù)α1=1.000，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=16.700N/mm2，截面寬度B=1 000.000 mm， 截面高度H0=650.000 mm， 系數(shù)αs=0.017， 系數(shù)ζ=0.017， 受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積As=634.410 mm2，又根據(jù)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(shí)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(gòu)造配筋即可。 根據(jù)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(shí)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(jì)算配筋率較高。 此時(shí)在上擋墻端部加梁，按照梁和臨空墻分擔(dān)荷載計(jì)算。 本案例首先按懸臂梁計(jì)算配筋，如果配筋率較高，再增加端部梁計(jì)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(nèi)力計(jì)算

門扇傳給上擋墻的荷載qi按照《軌道規(guī)范》第5.9.3 條計(jì)算。 其中γa反力系數(shù)，單扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-1，雙扇門按《軌道規(guī)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(biāo)準(zhǔn)值qia=214.314 kN/m，qe=240.000 kN/m2。

按照 《軌道規(guī)范》 第5.9.5 條計(jì)算彎矩M 和剪力V，M=290.298 kN·m，V=418.314 kN。 根據(jù) 《軌道規(guī)范》 第5.9.5條，C/h0≤1， 按牛腿設(shè)計(jì)； 當(dāng)C/h0＞1， 按懸臂梁設(shè)計(jì)。 其中C=M/V，h0=0.650 m，此處，C/h0=1.068 大于1，按懸臂梁計(jì)算。

3）配筋計(jì)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(jù)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(shí)配鋼筋面積為2 455 mm2。

按照計(jì)算過程，可歸納總結(jié)不同荷載下的取值，運(yùn)用軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，達(dá)到快速計(jì)算的過程。 通過統(tǒng)籌程序，合理安排，利用基數(shù)，連續(xù)計(jì)算，一次算出，多次使用，結(jié)合實(shí)際，靈活機(jī)動(dòng)的原則，對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行分段、分層、補(bǔ)加或補(bǔ)減的方式來達(dá)到快速計(jì)算出結(jié)果的目的。

4 主要解決問題

1）人防結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)方法，主要是考慮在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種工況下種類繁多的結(jié)構(gòu)斷面控制荷載的快速確定， 建立人防二襯結(jié)構(gòu)控制荷載選用表。

2）模擬人防結(jié)構(gòu)與周圍支護(hù)的相互影響作用，并結(jié)合分析結(jié)果與工程設(shè)計(jì)中常用的不考慮土結(jié)相互作用的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)人防結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行優(yōu)化；

3）建立地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫，進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)圖庫。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

1）系統(tǒng)性地對(duì)人防結(jié)構(gòu)典型斷面形狀、不同施工工法、不同厚度、不同性質(zhì)的土層進(jìn)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(shù)值計(jì)算模擬人防結(jié)構(gòu)與周圍支護(hù)的相互影響，考慮作用與反作用，并與工程設(shè)計(jì)的靜定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出更為經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化配筋， 對(duì)于地鐵這種規(guī)模大投資大的公共項(xiàng)目，能節(jié)約大量的費(fèi)用。

3）建立地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫，使沒接觸人防的普通設(shè)計(jì)人員能迅速熟悉人防工程設(shè)計(jì)并應(yīng)用于實(shí)際，提高設(shè)計(jì)院的競爭實(shí)力， 從而在人防總包業(yè)務(wù)的競爭中能繼續(xù)占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢。

4）通過調(diào)研，廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于地鐵人防結(jié)構(gòu)二襯荷載確定的最新研究；通過全面的研究分析，對(duì)以往的研究成果進(jìn)行繼承和消化吸收；通過理論計(jì)算、仿真模擬等方法，確定簡化計(jì)算方法的原則；結(jié)合某條新地鐵線路，開展研究成果的應(yīng)用、示范工作。