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阐述地下室人防结构设计几点分析

2020-11-04 17:39:05

本文通过人防地下室结构设计的特点及设计原则,从主体结构的设计和孔口防护的设计阐述了人防地下室结构设计内容,并对人防荷载的确定、荷载组合和内力的分析、孔口防护和平战转换的设计等进行了论述。就工程设计中的一些问题提出看法和建议。   

 根据《中华人民共和国人民防空法》,人民防空是指国家根据国防需要,动员和组织群众采取防护措施,防范和减轻空袭灾害。人民防空工程( 亦称人防工程) ,是为保障战时人员与物资掩蔽、人防指挥、医疗救护等需要而修建的地下防护建筑。防空地下室是结合地面建筑修建的战时用于人民防空的,具有一定防护能力的地下室。防空地下室是人防工程的重要组成部分。与其它类型人防工程一样,它具有国家规定的防护能力和各项战时防空功能,是实施人民防空Z重要的物质基础。地下室考虑人防设计, 有一个平战结合的问题: 既要考虑平常使用时荷载较小, 需满足建筑功能对大空间的要求, 又要考虑人防时荷载较大,结构上很难满足大空间的问题。如何协调两种状态下不同的使用要求,以下为笔者在参与人防设计方面的一些体会,以资借鉴。      

1 人防结构设计的特点    防空地下室结构设计的主要内容包含两方面: 一是主体结构设计; 包括顶板、外侧墙、底板等其它构件的结构设计,二是孔口防护设计,包括出入口的防护和消波系统( 防护设备) 。其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道( 包括风井) 的计算等几个方面,而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室(箱)的设计。那么,这些内容的结构设计与一般的结构设计有如下不同。    

第.一、结构设计的可靠性可以降低,一般建筑结构pf = 10%,而人防结构pf = 6%。

第二、考虑结构的动力响应。

第三、结构构件可考虑进入塑性工作状态,功能, 是实施人民防空Z重要的物质基础。对防空地下室中钢筋混凝土结构构件(如顶板、外墙、临空墙)来说,处于屈服后开裂状态仍属正常的工作状态,这样可充分利用材料潜力,如受弯构件,在屈服后还要经历很大变形才会完全坍塌,因此考虑塑性阶段工作,可承受更大动力荷载,有较大经济意义。

第四、材料设计强度可以提高。实验表明,在快速加载的情况下,这时材料力学性能发生比较明显的变化,这主要表现为强度提高。但变形性能包括塑性性能等基本不变,这对结构工作起到有利作用。例如钢材强度可提高1. 15~1. 5倍,砼强度可提高1. 5倍,这是在设计中考虑材料强度综合调整系数来完成的。第五、重视构造要求, 人防设计的许多构造要求是与一般的建筑与结构设计不同的,要求更为严格。故仅仅只考虑受力计算,不考虑构造措施是不合理的。    根据以上所述的结构设计的特点,我们可以确定防空地下室结构设计的一般原则:平战结合,取控制条件。在民用建筑的人防地下室的结构设计中,一般只涉及5 级或6 级人防设计,结构的顶板基本上都由战时控制。而侧墙和底板则因地下室的结构型式的不同而由实际情况确定。只进行强度的验算,由于在核爆动荷载作用下,结构构件变形极限已采用允许延性比的控制。且在确定各种构件允许延性比时,已考虑了对变形的限制,因而在防空地下室结构设计中,不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。只考虑一次核袭击; 注意各部件的协调,以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏,失去整个防护建筑的作用。地面与地下承重结构体系要协调,不能出现两者强弱相差较大的情况。了解了结构人防设计的特点及原则之后,我们首先就必须确定计算所需的荷载值。    

2 人防荷载的确定    地下室人防改造结构设计的主要内容包含两方面: 一是主体结构设计,包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计; 二是孔口防护设计,包括出入口的防护和消波系统( 防护设备) ,其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道( 包括风井) 的计算等几个方面,而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室( 箱) 的设计。人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。当核武器在空中爆炸,冲击波传播到地表时,形成反射冲击波。因反射波是在被入射波压密和加热过的空气中传播,且压力又高,所以反射波的传播速度要比入射波快,当反射波波阵面终于赶上入射波波阵面后,则汇合成为单一的冲击波,即合成波。合成波波阵面靠近地面部分是垂直于地面的,即合成波是水平方向传播的,对抗力等级较低的防空地下室来说,所受的冲击波即为这 种合成波( 即地面冲击波) 。防空地下室的顶板一般就直接承受地面冲击波的超压和负压作用; 而对于侧壁和底板,因空气冲作用于地表,压迫土体并使其产生运动,上层土体受压后连续向下传递压力(这种土体的压缩状态由上向下逐层传播过程称为土中压缩波的传播) ,当遇到侧壁或底板的阻挡后,则会产生超压、动压和负压作用,这就是侧壁和底板需考虑的问题。以防护等级为6 级、全埋式现浇钢筋混凝土人防地下室的工程为例,其各部位等效静荷载取值分别参考如下。    

①顶板: 首层外墙为180mm实心砖填充墙,且墙面开孔面积大于50%,故不计上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响,等效静荷载标准值q=60kN/ mm2 。    ②侧墙: (上部建筑物为抗震设防的框架) 剪力墙结构,故应放入上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响。根据本工程地质条件,人防地下室侧壁范围内分别有非饱和土和饱和土,取其加权平均值,并考虑周围基坑支护的阻隔作用,故地下室侧壁等效静载荷标准值q =40kN/ mm2。    

③底板: 本工程采用桩基础, 当核爆荷载作用于顶板时,荷载随板、梁、柱传至桩上,因人防设计时不考虑地基承载力和地基变形,由产生的由桩与底板共同承受, 故小于规范中按箱形地下室底板的等效静荷载值( 40~50)KN/ mm2, 与平时荷载作用下因桩不均匀沉降而产生的底板受力相比,不起控制作用,故不予考虑。    

④门框墙: 所受荷载由两部分组成,一是直接作用在墙上的荷载=200/� 2; 二是由门扇传来的等效静载标准值,分别按门扇的型号、大小计算确定。    

⑤临空墙: 依工程实际情况和规范表4. 5. 7取其等效静荷载标准值为130kN/ mm2。    

⑥隔墙: 隔墙分两种, 一是相邻防护单元间隔墙的设计压力值为50kN/ mm2; 二是6 级人防地下室与普通地下室相邻间的隔墙,其普通地下室一侧的设计压力选用值为90kN/ mm2 。其他各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均从规范中有关规定选用,当所有构件的等效静荷载值确定后,即可进行结构计算。    

3 荷载组合和内力分析    人防地下室分为甲类和乙类, 甲类人防地下室应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用, 乙类人防地下室应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。甲类人防地下室结构应按下列①,②,③条规定的荷载组合进行设计,乙类人防地下室结构应分别按下列①,②条规定的荷载组合进行设计,并应取各自的Z不利效应组合作为设计依据。    

①平时使用状态的结构设计荷载。    

②战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。    

③战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。    

作用在人防地下室结构上的荷载包括爆炸动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及人防地下室的自重等,结构设计时可结合各工程的结构特点根据规范确定荷载组合的项目。在进行荷载组合时,需要明确的一个问题就是上部建筑物自重标准值的确定。规范中已说明根据不同的上部结构形式,在进行荷载组合时上部建筑物自重分考虑全部、考虑一半和不考虑三种情况,设计时应认真分析确定。人防地下室在确定等效静荷载和静荷载后,可按静力计算方法进行结构内力分析。其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式:    γ 0( γ GSGK  γ QS QK) R, R=R(fcd, f yd,ak,…,) 。    

其中, γ0 为结构重要性系数, 可取1. 0; γG为荷载分项系数; γQ为等效静荷载分项系数, 可取1. 0;fcd为混凝土强度动力设计值; f yd为钢筋( 钢材)动力强度设计值; ak为几何参数标准值。由上式可以看出人防设计的特点,与平时状态下的内力情况进行比较,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力由战时控制,底板、基础由平时控制。求出构件的内力和配筋后,需注意的问题是结构构造措施,规范中作了详细的规定,结构设计人员应认真研究体会规范条文的条件和适用范围,结合工程实际情况完成人防地下室各主要构件的设计。    

4 孔口防护和平战兼顾    

孔口防护包含三部分的设计内容:一是防护密闭门与消波系统的设计;二是出入口通道内临空墙、门框墙的设计; 三是孔口其他构件,如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。其中第二、三条中的临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模式, 考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋。而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算,但需注意的就是因平时使用时需要的出入口通道均较宽,而战时又相应较窄,有可能会使门框墙的悬臂长度过长,水平筋过大。这种情况下,可考虑在不影响功能使用的前提下,加设柱、梁改变门框墙的受力型式,得到较为经济的设计效果。风井的设计中只计算土中压缩波的压力,对空气冲击波则不予考虑,因两者不会同时作用。开敞式通道更不考虑核爆动荷载,只考虑静土侧压力, 而防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项。竖向力即为倒塌荷载50kN/ mm2, 属静载, 横向力即动压设计值,由《规范》第4. 5. 10条确定。这两项受力作用时间存在间隔,故不考虑同时作用。下面主要谈谈防护密闭门与消波系统的设计。当空气冲击波到达出入口通道时,虽然有通道出入口的扩散作用,但遇墙体和门的反射作用使作用在门上的总效应大于空气冲击波的压力,约为2.0~3. 5倍。为方便工程设计人员,国家将防密门进行系列化处理,依据设计压力和门洞尺寸就可轻松地选择定型的防密门。    而消波系统的产生是因为滤毒通风设备所能承受的允许压力远小于空气冲击波,若其防护措施不能与主体抗力相适应,将直接影响整体工程防护能力。消波系统的基本思想是以堵为主,堵消结合: 堵就是采用防爆波活门将冲击波的大部分阻挡在室外; 消就是使从活门孔进入的少量冲击波通过扩散室的扩散膨胀作用削弱其压力, 使其进入内部的压力不超过设备的允许压力。规范表4. 9. 1 给出了消波系统选择表,可按抗力等级与允许余压值予以确定,一般由防爆波活门及扩散室组成,防爆波活门的选用和扩散室各部分尺寸的确定均可在《规范》中找到相应的表格和公式得到落实。这项工作在设计过程中既可由结构专业完成,也可由建筑、通风专业完成。    

扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙,墙面本身受的荷载及活门传来荷载均按临空墙荷载取值,扩散室与土相邻的顶底板及外墙按土中压缩波压力确定荷载。平战兼顾设计是深入贯彻“平战结合”建设方针一个重要环节,由于人防工程是战时遭受敌袭击时作为保障城市居民生命安全和坚持工作的一种具有特殊功能要求的建筑物,因此它需要承受的荷载较一般结构大几十倍至数百倍,而且密闭要求很高。所以在设计中应尽量减小结构跨度,减少并缩小直通大气的各种孔口,而这种处理原则,给平时使用造成诸多困难。《规范》第4. 8条中对此点作了指导性的规定,所以具体做法应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件综合研究确定。   

通过多年的人防工程设计,湖北宏泽建设有限公司发现含人防地下室的设计关键是要求防空地下室在规定的设计使用年限内,除了满足平时使用功能的要求外,甲类防空地下室还应满足“能够承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用”的战时防护功能的要求,通过“平战转换设计”这一设计方法来解决平时与战时使用要求上可能出现的矛盾并实现长期准备。合理利用地下空间,可以在旧城改造方面拓展思维,打破旧的拆、迁模式及拆迁与文物保护方面矛盾,能合理解决新老建筑结合和功能拓展,并为地面创造了开敞空间,符合现代城市建设紧凑化及人文关怀的新理念。同时发展地下工程技术和各项保障技术,提高建设、规划改造和管理的科技含量,提高城市地下空间开发利用的现代化水平。加强地下工程的改造设计和施工技术的研究,加强防水、防火、防护等防灾技术的研究,并创造条件,加以改造,提高地下空间的生活质量。

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