建筑结构丨不忘战争,才能守望和平,谈谈防护工程的重要性!

摘要: 老祖先早就告诉我们“天下虽安,忘战必危”。如何通过工程措施在战争时期减少人员伤亡是一个非常重要的问题,因此土木工程“防灾减灾工程与防护工程”学科研究非常重要。

10-01 16:41 首页 建筑结构

近日我国东北方向有重要新状况,大家都非常关心。根据挪威NORSAR测得的地震记录数据,近6次试验的威力一次比一次大(参见图1)。

图1 挪威NORSAR测得的地震记录数据


这事也告诉我们,危机和战争并不遥远。老祖先早就告诉我们“天下虽安,忘战必危”。如何通过工程措施在战争时期减少人员伤亡是一个非常重要的问题,是土木工程领域的一个重要学科分支“防灾减灾工程与防护工程”的主要研究内容之一。 

图2 “防灾减灾工程与防护工程”的定义


从地缘政治上说,中国的安全形势是非常严峻的,东南西北都有核武器(图3)。 

图3 世界核武器分布示意图(资料来源于网络) 

核武器的杀伤效应主要包括光辐射、核辐射、冲击波、放射性污染和电磁脉冲(图4)。

 

图4 核武器能量比例


对工程结构而言,破坏作用最强烈的杀伤效应是冲击波。前几天台风“天鸽”的巨大威力大家都在新闻上看到了,“天鸽”最大的风速达到了185km/h,折合风压大约是1.6kN/m2。而防护工程需要抵抗的冲击波压力,可以达到“天鸽”的数百甚至数千倍。所以常规地上工程结构一般都无法抵抗这样巨大的冲击波(参见图5动画)。因此,人防工程主要采用地下工程的形式来抵抗冲击波的巨大破坏作用。 

图5 冲击波对建筑的破坏作用


近代中国是从贫穷落后挨打中走过来的,所以我国除国防工程外,还有一套非常庞大的人民防空体系。1996年我国人大版布了《中华人民共和国人民防空法》,以法律的形式规定“人民防空实行长期准备、重点建设、平战结合的方针”、“一切组织和个人都有得到人民防空保护的权利,都必须依法履行人民防空的义务”。 

图6 《中华人民共和国人民防空法》


在《人防法》的指导下,全国都制定了本地的人防规划要求,比如北京市就规定:“凡是在本市市区、近郊区和卫星城镇新建民用建筑(指住宅、旅馆、招待所、商店、大专院校教学楼和办公、科研、医疗用房下同)和外资民用建筑,均应配套建设人防工程。10层以上建筑应修建“满堂红”防空地下室;9层以下基础埋深大于3m的建筑,应按其总建筑面积的3%修建防空地下室;9层以下基础埋深小于3m的建筑,应按其总建筑面积的2%修建防空地下室;单建地下建筑应按其总面积的30%修建人防工程”。所以北京几乎所有的住宅小区都配套建设了人防掩体。大家平时生活中可以留意一下,其实我们身边的很多地下室、地铁,都安装有厚重的防爆门。一旦战争爆发,整个城市就可以变成一个巨大的兵营。大家都知道我国近40年来正在进行着人类历史上最大规模的土木工程建设,但是大家可能都没有留意到,我国同时还在进行着人类历史上规模最大的人防工程建设。  

图7 地下车库人防工程(图片来源于网络)


我国人防工程有不同的防常规武器、核武器和化学武器等级。人防工程除了主体结构必须可以抵抗各种武器作用外,出入口设计非常关键。出入口应具备足口的抗爆、密闭、消洗、防倒塌等能力。大家不知是否注意过,北京很多老的地铁线(1号线、2号线)的出入口都很简单。有人笑话北京人傻不会做生意,为什么不在地铁的出入口上盖个大楼,这样做买卖多赚钱啊。其实这些出入口都是按战备要求建设的。一旦发生战争,出入口被炸塌,这样简单的出入口可以很快重新挖开,保障内部人员安全。 

图8 北京地铁人防出入口(图片来源于网络)


清华大学土木工程专业在防护工程领域有着长期而深入的研究积累。早在上世纪60-70年代,在陈肇元院士等清华大学前辈学者领导下,就为我国地铁人防工程建设做出过重大贡献。经过全国专家数十年的艰苦研究,我国在人防工程设计上取得了很多重要成果。但是随着我国城市和工程建设的发展,人防工程仍然有很多新的问题值得进一步去研究。陈肇元院士和宋二祥教授曾经指导我们做过一个很有意思的课题:我国很多人防工程是建在建筑的地下室里面的。人防工程主要考虑从空气和土体中传来的冲击作用(图9)。但是随着我国城市的发展,高层建筑越来越多,在冲击波作用下,人防地下室可能会因为上部结构的倾覆作用而破坏(图10)。这个倾覆作用在我们人防工程设计时没有考虑。 

图9 《人民防空地下室设计规范》GB50038-2005建议的人防地下室荷载

 

图10 高层建筑对人防地下室的倾覆破坏


陈肇元院士和宋二祥教授指导我们开发了专用的结构、土体、基础模型,对这个问题进行了系列研究。具体成果可以参阅我们发表在《防护工程》等刊物的论文。 

(a) 动画

(b) 土压力分布

图11 上部高层建筑倾覆造成人防地下室破坏的模拟

说明:本文所有内容均源自公开出版物。

来源:陆新征课题组。


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