劉和平,楊振坤
(1.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100082;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,鄭州 450003)
地鐵人防工程是基于國家戰(zhàn)時(shí)防護(hù)要求興起的一項(xiàng)重要的工程。 通過利用地鐵現(xiàn)有條件,兼顧人民防空的需要,對(duì)關(guān)鍵部位、重要設(shè)施采用安裝人防設(shè)備,在規(guī)定轉(zhuǎn)換時(shí)限內(nèi)達(dá)到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及要求,達(dá)到戰(zhàn)時(shí)防御的重大作用。 近年來,隨著地鐵樞紐系統(tǒng)在國家人民防空工程中的地位不斷提高, 其作用已由最初戰(zhàn)時(shí)防空的單一作用,逐漸發(fā)展成戰(zhàn)時(shí)防空,災(zāi)害時(shí)防災(zāi)的多功能性設(shè)施, 這也就對(duì)地鐵人防工程結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。
地鐵人防段結(jié)構(gòu)具有多種不同的斷面形式, 一般分為以下幾類。
1)矩形斷面,是車站中常選用的形式,一般用于淺埋車站。 車站可設(shè)計(jì)成單層、雙層或多層;跨度可選用單跨、雙跨、三跨及多跨的形式。
2)拱形斷面。 拱形斷面多用于深埋車站,有單拱和多跨連拱等形式。
3)圓形斷面。 圓形斷面用于深埋或盾構(gòu)法施工的車站。
4)其他類型斷面,有馬蹄形、橢圓形等。 由于地鐵人防工程結(jié)構(gòu)斷面種類繁多,埋深差異很大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要考慮平時(shí)設(shè)計(jì)荷載作用,又要考慮戰(zhàn)時(shí)核武器、常規(guī)武器爆炸分別與靜荷載同時(shí)作用, 而且戰(zhàn)時(shí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)和平時(shí)取值不同, 計(jì)算工作量非常繁重,因此,如何快速確定不同斷面下的控制荷載工況就成為關(guān)鍵。
地鐵項(xiàng)目具有投資大、站點(diǎn)多、施工工期緊且施工可逆性小等特點(diǎn), 人防專業(yè)作為系統(tǒng)專業(yè), 會(huì)參與到地鐵設(shè)計(jì)全過程,而且涉及專業(yè)多,圖紙量大,尤其對(duì)于人防結(jié)構(gòu)專業(yè),因現(xiàn)有地鐵人防計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法復(fù)雜, 人防段的單獨(dú)計(jì)算與出圖會(huì)占用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員大量的工作時(shí)間, 促使我們必須建立一套施工階段地鐵人防工程結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫, 以提高工作效率。
對(duì)不同施工工法下地鐵人防結(jié)構(gòu)在不同土層類別、 埋深和斷面形式下的出入口、風(fēng)道、區(qū)間隧道等關(guān)鍵部位的荷載工況進(jìn)行研究分析,確定一種簡化設(shè)計(jì)方法。 根據(jù)該方法能迅速判斷控制工況,避免其余復(fù)雜荷載工況的重復(fù)計(jì)算,提高工作效率, 并在此基礎(chǔ)上考慮人防結(jié)構(gòu)與周圍土層的相互影響作用,進(jìn)行優(yōu)化配筋,得出地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫,提升設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢。
本文的研究內(nèi)容包括:針對(duì)馬蹄形、橢圓形、矩形、拱形、圓形等典型性的結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行研究分析,考慮不同施工工法、不同深度土層、不同類型土質(zhì)下的荷載控制工況;針對(duì)平時(shí)荷載、核爆荷載和靜荷載組合、常規(guī)武器荷載和靜荷載組合等進(jìn)行比較分析,歸納出一種簡化設(shè)計(jì)方法的確定原則。
本文以某口部門框墻計(jì)算為例進(jìn)行計(jì)算說明。
工程防核武器抗力級(jí)別6 級(jí),工程防常規(guī)武器抗力級(jí)別6 級(jí),口部形式單向式,鋼筋HRB400,混凝土C35。 參考規(guī)范如下:
RFJ 02—2009《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡稱《軌道規(guī)范》);
GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡稱《人民防空規(guī)范》);
RFJ 01—2002 《人民防空工程防護(hù)設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[3];
GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)[4]。
軌道交通工程結(jié)構(gòu)計(jì)算, 應(yīng)分為平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種使用情況計(jì)算,并應(yīng)取其中不利情況進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì);在動(dòng)荷載單獨(dú)作用或動(dòng)靜荷載同時(shí)作用下, 構(gòu)件荷載采用等效靜荷載法進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.6.11-1 查得第一道防護(hù)門上的核爆空氣沖擊波超壓ΔPc=0.120 MPa。
根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.6.11-2,第一道防護(hù)門上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qf=1.5ΔPc=0.180 N/mm2。
根據(jù)《軌道規(guī)范》式(5.6.12),第一道防護(hù)門框墻上的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe=KdΔPc=0.240 N/mm2。 其中,Kd為門框墻的動(dòng)力系數(shù),對(duì)于防護(hù)密閉門,Kd=2.0。
3.3.1 計(jì)算常規(guī)武器入射沖擊波超壓峰值ΔP
根據(jù)《軌道規(guī)范》表5.4.6,比例爆距和出入口形式對(duì)入射波的影響系數(shù)取值如下:K1=0.42,K2=0.43,K3=0.35,K4=2.07,K5=0.59,K6=0.43。 根據(jù)面積等效原則確定通道等效直徑Deq,通道口寬W=6.600 m,通道口高H=6.500 m,Deq=7.391 m。
根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.4.6 條確定防護(hù)門至出入口的直線距離L=66.000 m,則超壓峰值ΔP=0.041 MPa,超壓作用時(shí)間tOi=0.041 s。
3.3.2 計(jì)算反射超壓峰值ΔPr
壓力反射系數(shù)np=2.332, 反射超壓峰值ΔPr=0.096 MPa,超壓作用時(shí)間tO=0.041 s。
3.3.3 計(jì)算防護(hù)門和門框的動(dòng)力系數(shù)
1)防護(hù)門動(dòng)力系數(shù)Kdf
根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.3.1 條,常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的波形簡化為無升壓時(shí)間的三角形,門的動(dòng)力系數(shù)按式(1)計(jì)算。
首先需確定公式中的自振圓頻率ω 和允許延性比[β]。 確定[β],根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.4.4 條,確定[β]=1.000;確定ω,則根據(jù)《人民防空規(guī)范》的條款C.0.2。a=3.250m,b=2.800 m,由于a/b=1.161,大于1,按式(2)和式(3)計(jì)算。
式中,a、b 為板的計(jì)算跨度,m;D 為板的抗彎剛度;mˉ為板的單位面積質(zhì)量,=γd/g,γ 為材料重力密度,kN/m3,g 為重力加速度,m/s2,d 為板的厚度,m;Ωa、Ωb為頻率系數(shù)。
式中,ψ 為剛度折減系數(shù);υ 為材料泊松比;Ed為動(dòng)荷載作用下材料彈性模量,kN/m2。
查表可得ψ=1.000; 靜荷載時(shí)鋼材彈性模量E=2.06×108kN/m2,動(dòng)荷載情況下,鋼材的彈性模量Ed=2.06×108kN/mm2,泊松比υ=0.300,板厚d=0.300 m,則D=509 340.659。γ=78.000kN/m3,g 取9.800 m/s2,m=2.388。
綜上,ω=393.537。
因此,防護(hù)門的動(dòng)力系數(shù)計(jì)算得Kdf=1.905。
2)門框墻動(dòng)力系數(shù)Kde
根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.3.1 條,常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載的波形簡化為無升壓時(shí)間的三角門的動(dòng)力系數(shù)按式(1)計(jì)算。 需首先確定公式中的自振圓頻率ω 和允許延性比[β]。 確定[β],根據(jù)軌道規(guī)范第5.4.4 條,確定[β]=1.000;確定ω,根據(jù)《人民防空規(guī)范》C.0.1,門框墻按照單跨等截面梁撓曲型確定的自振圓頻率ω。
式中,B 為梁的抗彎剛度;Ω 為頻率系數(shù),按照《人民防空規(guī)范》C.0.1-1 采用,確定為Ω=3.520。門框墻厚h=0.700 m,懸臂長度l=0.750 m。 剛度折減系數(shù)ψ=0.600。 混凝土彈性模量按照C35,動(dòng)荷載情況下, 混凝土的彈性模量Ed=3.78×107kN/mm2。 γ=25.000 kN/m3,g 取9.800 m/s2。
綜上,ω=3 770.441,計(jì)算得Kde=1.999。
3.3.4 常規(guī)武器作用下的等效靜荷載
按照《軌道規(guī)范》第5.4.4 條計(jì)算,防護(hù)門在常規(guī)武器作用下的等效荷載qf=0.182 MPa,門框墻的等效荷載qe=0.191 MPa。
核武器和常規(guī)武器作用取不利的情況進(jìn)行計(jì)算。 因此,防護(hù)門等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qf=0.182 MPa=182.162 kPa。
第一道防護(hù)密閉門配筋計(jì)算:門框墻劃分為側(cè)墻、上擋墻和門檻。 門框墻的等效荷載包括門扇傳給的等效靜荷載qi和直接作用在墻上的等效靜荷載qe。
3.4.1 側(cè)墻配筋
1)側(cè)墻尺寸
門框墻懸挑長度l=0.750 m, 門扇在墻上的搭接長度l0=0.150 m,qi作用點(diǎn)至根部距離l1=0.700 m,qe分布寬度l2=0.600 m,墻厚h=0.700 m。
2)內(nèi)力計(jì)算
門扇傳給側(cè)墻的荷載qi按照《軌道規(guī)范》5.9.3 計(jì)算。 其中γb反力系數(shù),單扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-1,雙扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-2。 γb=0.322,qf=0.182 MPa,a=3 250.000 mm,門扇傳給門框側(cè)墻單位長度的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qib=190.633kN/m。
按照《軌道規(guī)范》第5.9.5 條計(jì)算彎矩M 和剪力V,M=176.643 kN·m,V=334.633 kN,根據(jù)《軌道規(guī)范》第5.9.5 條,C/h0≤1,按牛腿設(shè)計(jì);當(dāng)C/h0>1,按懸臂梁設(shè)計(jì)。其中C=M/V,h0=0.650,此處C/h0=0.812 小于1, 按牛腿計(jì)算。 其中,h0為截面有效高度;C 為換算剪跨。
3)配筋計(jì)算
系數(shù)α1=1.000,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=16.700N/mm2,截面寬度B=1 000.000 mm, 截面高度H0=650.000 mm, 系數(shù)αs=0.017, 系數(shù)ζ=0.017, 受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積As=634.410 mm2,又根據(jù)最小配筋率為0.3/100,最小配筋面積Asmin=2 100.000 mm2,查鋼筋面積表,取φ25 mm@200 mm,實(shí)配鋼筋面積為2 455 mm2。
3.4.2 門檻配筋
門檻高度較小,因此彎矩小,一般按照最小配筋率和構(gòu)造配筋即可。 根據(jù)最小配筋率0.3%,門檻尺寸:h=550.000 mm,得As=1 650.000 mm2。 取φ22 mm@200 mm, 實(shí)配鋼筋面積1 901 mm2。
上擋墻如果按懸臂梁計(jì)算配筋率較高。 此時(shí)在上擋墻端部加梁,按照梁和臨空墻分擔(dān)荷載計(jì)算。 本案例首先按懸臂梁計(jì)算配筋,如果配筋率較高,再增加端部梁計(jì)算。
1)尺寸
門在墻上的搭接長度為0.150 mm,h=0.700 m,l=1.000 m,l1=0.950 m,l2=0.850 m。
2)內(nèi)力計(jì)算
門扇傳給上擋墻的荷載qi按照《軌道規(guī)范》第5.9.3 條計(jì)算。 其中γa反力系數(shù),單扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-1,雙扇門按《軌道規(guī)范》表5.9.3-2。 γa=0.362,qf=0.182MPa,a=3250.000mm。則門扇傳給上擋墻和門檻單位長度的等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值qia=214.314 kN/m,qe=240.000 kN/m2。
按照 《軌道規(guī)范》 第5.9.5 條計(jì)算彎矩M 和剪力V,M=290.298 kN·m,V=418.314 kN。 根據(jù) 《軌道規(guī)范》 第5.9.5條,C/h0≤1, 按牛腿設(shè)計(jì); 當(dāng)C/h0>1, 按懸臂梁設(shè)計(jì)。 其中C=M/V,h0=0.650 m,此處,C/h0=1.068 大于1,按懸臂梁計(jì)算。
3)配筋計(jì)算
α1=1.000,fc=16.700 N/mm2,B=1 000.000 mm,H0=650.000 mm,αs=0.027,ζ=0.028,As=1 048.407 mm2, 又根據(jù)最小配筋率為0.003,Asmin=2 100.000 mm2,查鋼筋面積表,取φ25 mm@200 mm,實(shí)配鋼筋面積為2 455 mm2。
按照計(jì)算過程,可歸納總結(jié)不同荷載下的取值,運(yùn)用軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,達(dá)到快速計(jì)算的過程。 通過統(tǒng)籌程序,合理安排,利用基數(shù),連續(xù)計(jì)算,一次算出,多次使用,結(jié)合實(shí)際,靈活機(jī)動(dòng)的原則,對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行分段、分層、補(bǔ)加或補(bǔ)減的方式來達(dá)到快速計(jì)算出結(jié)果的目的。
1)人防結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)方法,主要是考慮在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種工況下種類繁多的結(jié)構(gòu)斷面控制荷載的快速確定, 建立人防二襯結(jié)構(gòu)控制荷載選用表。
2)模擬人防結(jié)構(gòu)與周圍支護(hù)的相互影響作用,并結(jié)合分析結(jié)果與工程設(shè)計(jì)中常用的不考慮土結(jié)相互作用的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)人防結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行優(yōu)化;
3)建立地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫,進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)圖庫。
1)系統(tǒng)性地對(duì)人防結(jié)構(gòu)典型斷面形狀、不同施工工法、不同厚度、不同性質(zhì)的土層進(jìn)行研究分析,建立簡單有效的判斷方式和荷載圖表,快速確定控制荷載工況,提高工作效率。
2) 通過數(shù)值計(jì)算模擬人防結(jié)構(gòu)與周圍支護(hù)的相互影響,考慮作用與反作用,并與工程設(shè)計(jì)的靜定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出更為經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化配筋, 對(duì)于地鐵這種規(guī)模大投資大的公共項(xiàng)目,能節(jié)約大量的費(fèi)用。
3)建立地鐵人防二襯結(jié)構(gòu)配筋通用圖庫,使沒接觸人防的普通設(shè)計(jì)人員能迅速熟悉人防工程設(shè)計(jì)并應(yīng)用于實(shí)際,提高設(shè)計(jì)院的競爭實(shí)力, 從而在人防總包業(yè)務(wù)的競爭中能繼續(xù)占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢。
4)通過調(diào)研,廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于地鐵人防結(jié)構(gòu)二襯荷載確定的最新研究;通過全面的研究分析,對(duì)以往的研究成果進(jìn)行繼承和消化吸收;通過理論計(jì)算、仿真模擬等方法,確定簡化計(jì)算方法的原則;結(jié)合某條新地鐵線路,開展研究成果的應(yīng)用、示范工作。