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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 最后做一下广告，欢迎对土木工程防灾减灾及防护工程感兴趣的同学选修这学期我开设的清华大学新生研讨课“土木工程防灾减灾”。
图12 欢迎大家选修“土木工程防灾减灾” 说明：本文所有内容均源自公开出版物。 相关研究 |
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