摘要:在防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常會(huì)遇到防空地下室的平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)問題,協(xié)調(diào)好防空地下室在平戰(zhàn)兩種狀態(tài)下的不同使用要求,已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。文章針對(duì)人防設(shè)計(jì)的平戰(zhàn)結(jié)合問題,從人防荷載的確定、荷載組合和內(nèi)力分析及構(gòu)造要求等方面介紹了人防結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:人防地下室;人防荷載;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);平戰(zhàn)結(jié)合

中圖分類號(hào):TU927

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-2374(2009)18-0029-02

人防工程是戰(zhàn)時(shí)防空、保障人民生命安全的重要措施,隨著城市的發(fā)展,人防工程的建設(shè)越來越引起人們的重視。防空地下室是人防工程的重要組成部分。與其它類型人防工程一樣,它具有國家規(guī)定的防護(hù)能力和各項(xiàng)戰(zhàn)時(shí)防空功能,是實(shí)施人民防空最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。如何設(shè)計(jì)好人防工程,使人防工程在戰(zhàn)時(shí)能真正起到防空及保障人民生命安全的功能,這就要求我們設(shè)計(jì)人員深刻理解并嚴(yán)格執(zhí)行《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50038-94),并以此為依據(jù)進(jìn)行人防工程的設(shè)計(jì)工作,而且要求建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)于結(jié)構(gòu)物在核爆動(dòng)荷載作用下的作用機(jī)理及對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比較了解。根據(jù)《人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50225-95)及《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50038-94),結(jié)合已設(shè)計(jì)建成的大量人防工程,現(xiàn)將防空地下室設(shè)計(jì)中常見的問題進(jìn)行分析和探討。

一、人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及原則

(一)人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.人防地下室水平荷載作用及變形特征。(1)風(fēng)荷載計(jì)算均扣除地下室的高度。地下室是否約束、約束的程度與風(fēng)荷載計(jì)算無關(guān)。(2)設(shè)計(jì)設(shè)定地下室部分的基本風(fēng)壓為零;在地上部分的風(fēng)荷載計(jì)算中,自動(dòng)扣除地下室部分的高度,地下室頂板作為風(fēng)壓高度變化系數(shù)的起算點(diǎn)。結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)受地下室外的回填土約束程度的影響。(3)由地下室質(zhì)量產(chǎn)生的地震力,主要被室外的回填土吸收。

2.人防地下室豎向荷載作用及變形特征。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)而言,地下室外的回填土約束對(duì)豎向荷載作用幾乎沒有影響。當(dāng)?shù)叵率页霈F(xiàn)懸挑結(jié)構(gòu),則地下室外的回填土約束對(duì)豎向荷載作用有一定影響。所以,地下室不應(yīng)有懸挑結(jié)構(gòu)。首選地下室與上部結(jié)構(gòu)整體分析。因?yàn)樨Q向變形的協(xié)調(diào)是非常重要的。當(dāng)?shù)叵率殷w量、面積很大時(shí),與上部結(jié)構(gòu)所占面積差異太大,如超大地下室、底盤等,此時(shí)可以根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的底面積取外伸2～3跨作為地下室,并與上部結(jié)構(gòu)共同分析。

(二)人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

人防工程依據(jù)其對(duì)沖擊波的防御能力可分為四個(gè)抗力等級(jí):6級(jí)、5級(jí)、B4級(jí)和4級(jí)。其中4級(jí)防御能力最強(qiáng),等級(jí)最高。B4級(jí)僅次于4級(jí)。按照人防工程“長期堅(jiān)持、平戰(zhàn)結(jié)合、全面規(guī)劃、重點(diǎn)建設(shè)”的建設(shè)方針,必須使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到安全可靠。設(shè)計(jì)荷載應(yīng)全面考慮動(dòng)荷載以及土體作用力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重靜荷載及地震荷載的作用,人防工程抗力等級(jí)是按照抗核爆炸沖擊波超壓的大小來劃分的。人防工程除戰(zhàn)時(shí)受到核爆炸和常規(guī)武器爆炸荷載作用外,在平時(shí)使用時(shí),還會(huì)受到地震作用。隨著人防工程建設(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)大,人防工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)已成為亟待解決的重要問題。

二、人防結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法

(一)人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

某甲類防空地下室總建筑面積7350m2,局部配電房、水泵房、消防水池為非人防區(qū),其余大部分為人防區(qū)。地下室人防區(qū)分設(shè)A、B、C、D共4個(gè)六級(jí)人防單元,人防單元A為912 m2,人防單元B為1580 m2,人防單元C為1450 m2,人防單元D為1973 m2,共計(jì)5915 m2。本工程抗震設(shè)防烈度為7度,地震加速度為0.1g,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),框架抗震等級(jí)為三級(jí),剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。地下室不考慮風(fēng)荷載作用。地下室梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30,柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)按上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算所得,采用C40混凝土。

(二)人防地下室底板設(shè)計(jì)

1.地下室底板人防荷載確定。本工程采用先張法高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁,屬有樁基鋼筋混凝土底板,且為飽和土,底板人防荷載取值為25 kN/m2。

2.地下室底板反向荷載確定。依據(jù)建筑總平面布置圖及室外道路標(biāo)高系統(tǒng),本工程設(shè)計(jì)抗浮水位標(biāo)高9.2米,即相對(duì)標(biāo)高為-1.05米。底板標(biāo)高-4.550,底板厚度為0.3米,計(jì)算水深3.8米。底板疏水層為100～200mm,以均厚150mm計(jì)算,底板自重0.3×25+0.15×20=10.5kN/m2,計(jì)算反向荷載扣除底板自重為(1.35×38-10.5)/1.35=30.5 kN/m2。

3.底板截面設(shè)計(jì)。按人防要求,底板最小厚度250mm,因板跨、荷載較大,本工程取底板厚度為300mm,保護(hù)層厚度50mm,可滿足底板承載力及裂縫寬度0.2mm的要求。最大水頭H為3.8米,底板厚h為0.3米,依據(jù)《高規(guī)》表12.1.9基礎(chǔ)防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)確定辦法,H/h=3.8/0.3=12.7,地下室底板設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)為0.8MPa。底板設(shè)計(jì)采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算,考慮人防荷載、水浮力的反向荷載并扣除底板自重的倒樓蓋模型進(jìn)行設(shè)計(jì),反向荷載以恒載計(jì)算,底板自重為對(duì)結(jié)構(gòu)有利恒載,取分項(xiàng)系數(shù)1.0,人防荷載為等效靜荷載,分項(xiàng)系數(shù)為1.0。

(三)人防地下室頂板設(shè)計(jì)

1.地下室頂板概況。頂板為小區(qū)花園,覆土700mm厚,設(shè)計(jì)恒載為14 kN/m2。小區(qū)內(nèi)設(shè)有消防車道,消防車荷載按荷載規(guī)范取值,頂板人防等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為70 KN/m2。地下室車庫為6×8米,經(jīng)與設(shè)備專業(yè)配合后,地下室凈高應(yīng)不小于2.8米,即梁高最大為800mm。

2.頂板截面設(shè)計(jì)。頂板設(shè)計(jì)采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算,考慮人防荷載、覆土荷載,消防車荷載,活載等的單層樓蓋模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。有限制的梁高,按通常的做法無法滿足大跨度下的大荷載。采用降低底板標(biāo)高以增加地下室層高為增大梁高拓展空間,這勢必增加地下室的開挖深度,增加工程造價(jià)。加大梁寬可以解決配筋率過大的問題,但又造成梁截面過大,形成典型的肥梁胖柱型結(jié)構(gòu),這也是結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性要求所不容許的。最后經(jīng)過研究采用框架梁端加掖的構(gòu)造措施,梁中間高度為800,支座處高度為1100,這既解決了配筋率超限的問題,又滿足地下室凈高的要求,既節(jié)約了工程造價(jià),又為各設(shè)備專業(yè)提供了足夠的空間,實(shí)現(xiàn)了工程的可行性。

3.嵌固及后澆帶設(shè)計(jì)。主樓部分地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端,即要滿足人防荷載,覆土荷載及本層活荷載的要求,又要滿足本層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍的要求,所以在地下室頂板主樓部分的設(shè)計(jì)中,按主樓整體計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。本工程總長度達(dá)到136.8米,總寬度為70.4米,如何解決溫度應(yīng)力引起的收縮裂縫則是不容忽視的問題。傳統(tǒng)的做法,地下室頂板底板以30～40米的間距設(shè)置800寬的后澆帶,同時(shí)注意后澆帶避開坡道及人防口部,后澆帶在頂板覆土之前封閉,并加以養(yǎng)護(hù)。傳統(tǒng)的做法也是最有效的做法,經(jīng)驗(yàn)證明這種做法是防止超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的最經(jīng)濟(jì)的措施。

4.人防口部、人防隔墻及外墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地下室層高3.8米,口部大樣均可套用國標(biāo)07FG04圖集,人防隔墻及外墻采用單向板模型計(jì)算,上部支座為簡支端,下部支座為固定端,人防隔墻按彈塑性模型計(jì)算.外墻按彈性模型計(jì)算,控制裂縫寬度0.2mm。在外墻施工中施工方反映出一個(gè)問題,主樓外側(cè)的柱與外墻整澆在一起,且主樓為小柱網(wǎng),多為3米多的柱距,柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,外墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,施工中必然會(huì)造成外墻大部分都是C40的混凝土,大面積的高強(qiáng)度混凝土是必然造成大量的水化熱,容易產(chǎn)生大量的收縮裂縫。為解決這一問題,有兩種做法:一是外墻及柱都采用C30混凝土,通過柱軸壓比的等效換算加大主樓柱截面;二是外墻及柱都采用C30混凝土,柱截面不變。以柱兩側(cè)的250厚外墻作為柱截面的翼緣,可以看做是增大了柱截面。以500×500柱為例計(jì)算,C40混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.91N/mm2,C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為15.4 N/mm2,500×500柱的兩側(cè)可增加翼緣面積為400×250,理論上這種做法是可行且安全的。最終決定施工中采用第二種做法,即不改變柱截面直接降低混凝土強(qiáng)度等級(jí)至C30。但由于剪力墻所增加的翼緣面積相對(duì)比例較小,無法達(dá)到等效軸壓比的要求,故剪力墻部分還是按C40混凝土施工。這種做法亦有其局限性,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜相差大于10,柱截面面積不宜大于500×500。

三、結(jié)語

地下室人防工程設(shè)計(jì)不是純粹功能性的解決,它包括結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、電氣、給排水間專業(yè)的配合協(xié)調(diào)和建筑專業(yè)本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化,牽涉與業(yè)主和政府主管部門的協(xié)商溝通,平時(shí)使用的經(jīng)濟(jì)性、合理性和舒適性,戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)換的便捷性和安全性,一個(gè)綜合性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)。人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮平時(shí)工況又要考慮戰(zhàn)時(shí)工況,且目前電算軟件功能都不是很完善,需要更深入地研究人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)問題,總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提高設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50038-94)[S]. 2003.

[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)[S].

作者簡介:章曉文,男,浙江求新建筑設(shè)計(jì)有限公司建筑工程師,國家二級(jí)注冊建筑工程師,研究方向:人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。