摘要：在科学技术迅猛发展的当今社会 ,采用全新的技术设计理念 ,先进的设备设施 ,现代化的施工工艺水平来对原有的老、旧人防地下工程进行改造 ,让老工事焕发新青春 ,再创辉煌 ,更好地实现“三个效益 ”是摆在我们面前的新课题。本文详细阐述了人防地下室结构设计的特点及设计原则 ,并从荷载的确定、荷载组合和内力分析等几方面来探讨地下室的结构设计。
关键词：人防地下室；结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引 言：目前的人防工程主要是地下室工程 ,可以充分利用现有的地下车库作为防护体 ,提供掩蔽条件 ,达到有效的防护目的。地下室人防改造设计涉及到一个平战结合的问题 ,即既要考虑平常使用时荷载较小 ,满足建筑使用上大空间的问题 ;又要考虑人防时荷载较大 ,结构上很难满足大空间的问题。
1 地下室人防结构设计的特点
地下室人防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、门框墙及临空墙的计算、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。因此地下室人防结构设计具有以下特点 :
1.1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% 。
1.2考虑结构的动力响应。
1.3结构构件可考虑进入塑性工作状态。
1.4 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 ,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 ,对砼强度可提高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。
1.5 重视构造要求。人防设计的许多构造要求与一般的建筑设计不同 ,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。
2 地下室人防结构设计的原则
2.1 平战结合 。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。
2.2 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 ,因而在地下室人防结构设计中 ,不必再单独对结构构件的变形与裂缝展开进行验算。
2.3 只考虑一次核袭击。
2.4 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。
2.5 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。
了解结构人防设计的特点及原则之后 ,必须确定计算所需的荷载值。
3 地下室人防改造设计的具体技术
3.1 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 :
3.1.1 顶板 :首层外墙为 180 mm 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 /m2 。
3.1.2 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 /m2 。
3.1.3 底板 :本工程采用桩基础 ,当核爆荷载 q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 q产生的 q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 ～50KN /m2,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。
3.1.4 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 q e = 200KN /m2;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。
3.1.5 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 /m2 。
3.1.6 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 /m2;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 /m2 。
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。
3.2 荷载组合和内力分析
作用在防空地下室结构上的荷载 ,应包括核爆动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等 ,规范中对防空地下室不同部位应考虑的荷载组合给出了一个表格 ,进行结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目。本工程实例的各个部位参与组合的荷载分别为 :
3.2.1. 顶板 :顶板核爆动荷载标准值 ,顶板静荷载标准值。
3.2.2 侧墙 :竖向 :顶板传来的核爆动荷载标准值、静荷载标准值 ,上部建筑物自重标准值 (仅有局部剪力墙部位 ) ,外墙自重标准值。横向 :核爆动荷载产生的水平动荷载标准值、土压力、水压力。
3.2.3 内承重墙 (柱 ) :将平时和战时的荷载值进行对比不难发现 ,战时所增加的顶板核爆动荷载标准值小于平时各楼层的荷载标准值之和 ,故此部位构件不由战时条件控制。在进行荷载组合时 ,需要明确两个问题 :一是上部建筑物自重标准值的确定 ,规范的条文说明中第 4. 3. 14条已详细说明了各种不同的上部结构型式 ,在进行荷载组合时可分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况 ,设计时应认真分析确定。二是顶板的组合中是否考虑上部建筑物的倒塌荷载值。因为倒塌荷载的作用时间滞后于冲击波峰值作用时间 ,且规范规定的倒塌荷载产生的静荷载值为50KN /m2,小于冲击波对顶板的等效静荷载值 ,因此在顶板荷载组合中不必计入倒塌荷载值。在防空地下室结构的设计中 ,其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式 :γ0 (γGS +γQS) ≤R ( f, f,α k,) (见规范第 4. 6. 2条 ) 。需要指出的是几个系数的定义 :γ0―结构重要性系数 , 取1.0;γQ―等效静荷载分项系数 ,取 1. 0; f―混凝土动力强度设计值 (参规范表 4. 6. 3) ; f―钢筋动力强度设计值 (参规范表 4. 6. 3) 。
由上式可明显看出人防设计的特点。这样与平时状态下的内力情况进行比较 ,本工程中 ,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 ,剩下需注意的问题就只有一些构造要求了。《规范 》第 4. 7节中已作了很详细的规定 ,结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围 ,结合工程实际情况就可顺利地完成人防地下室各主要构件的设计。
4结束语
总之 ,在城市地下空间开发利用进程中 ,结合城市建设积极推进人防工程建设进程 ,大力提高战备效益、社会效益、经济效益和环境效益 ,适应市场经济发展要求 ,实现高技术局部战争对现代人防的要求。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。
参考文献：
[1] 黄晓霞.地下室人防结构设计探讨[J].沿海企业与科技,2006.
[2] 张剑芳.某工程人防地下室结构设计的若干问题的探讨[M].国外建材科技,2006.