1、半岛华庭一期人防地下室设计浅谈摘 要：本文通过对江门半岛华庭一期人防地下室工程的结构设计为实例，介绍人防地下室主体结构的设计过程，并提出相关的设计要点。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： 1 工程简介 江门半岛华庭发展有限公司一期 A,B,C,D,E,F 栋工程共有 10 栋 18层(地下 2 层)的框架一剪力墙结构高层住宅建筑。总建筑面积91070.2，建筑高度 60.4m，地震烈度为 7 度，框架等级为 3 级，剪力墙等级为 2 级。人防地下室位于车库地下二层，地下室平时功能为停车库和设备用房，战时功能为六级二等人员掩蔽部,其中人防区建筑面积为17
2、832，可掩蔽 10200 人，分九个人防单元 ，层高 3.8m，桩基采用预应力混凝土管桩。地下室的设计中考虑人防的问题，有一个平战结合的问题，如何协调两种状态下不同的使用要求，以下讲几点笔者在人防设计方面的一些体会，以资借鉴。 2 人防地下室结构设计的特点 人防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
3、的结构设计有何不同呢? 第一、结构设计的可靠性可以降低；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；第四、材料设计强度可以提高；第五、重视构造要求。 根据上述的特点，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
4、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。3 人防地下室主体结构设计 3.1 结构构件的截面选取 防空地下室的结构形式有：梁板式结构，箱型结构，板柱结构，拱壳结构，框架结构，外墙内框墙板结构。本地下室工程采用框架结构。根据 GB50038-2005 第 4.11.3 规定，钢筋混凝土顶板的最小厚度为200mm，临空墙的最小厚度为 250mm。结合实际情况，地质资料和“强柱弱梁”的原则，本工程的人防地下室顶板厚度取 200mm，底板厚度取300mm，临
5、空墙厚度取 300mm；顶板大部分的主梁截面尺寸为500x900mm，次梁为 300x800mm；底板大部分的主梁截面尺寸为450x1000mm，次梁为 350x900mm；大部分柱截面尺寸为 500x500mm。 3.2 材料的强度设计值选取 实验表明，加载速率直接影响材料的力学性能，在爆炸动荷载作用下，结构构件所经受的是毫秒级快速变形过程，与标准静载实验速度相比要快千百倍，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，初始施加的静应力即使高达 70%屈服应力，然后再加动荷载，此时材料强度的提高比值仍与单独施加瞬间动载时一致。所以在设计中当爆炸动荷载与静荷载同时作用时，仍可取同样的
6、动力强度提高系数。例如钢材强度可提高 1.151.5 倍，对混凝土强度可提高 1.5 倍，在设计中材料强度应综合调整，可用系数来完成。在计算战时荷载作用的情况下，人防结构的材料强度设计值可按下列公式计算确定： d=d (4.2.3) 本工程人防地下室部分的底板钢筋采用 HRB400 级，顶板钢筋采用HRB335 级，负一层的梁柱钢筋采用 HRB400 级，负二层梁板混凝土强度为C35，负一层梁板混凝土强度为 C30，负二层柱混凝土强度为 C40，计算战时荷载作用的情况下，材料强度如下： 板钢筋强度(HRB335)y=1.35x300=405N/mm2, (HRB400)y=1.20x360=4
7、32N/mm2 梁柱钢筋强 (HRB400)y=1.20x360=432N/mm2 梁板混凝土强度 (C30)t=1.50x1.43=2.145N/mm2， （C30)c=1.50x14.3=21.45N/mm2 （C35)t=1.50x1.57=2.355N/mm2，(C35)c=1.50x16.7=25.05N/mm2 柱混凝土强度 (C40)t=1.50x1.71=2.565N/mm2，(C40)c=1.50x19.1=28.65N/mm2 3.3 荷载的取值 考虑战时作用，可用等效静荷载法取值。等效静载法原则上只适用于单个构件，但实际的结构都是由顶板，梁，外墙，柱等多个构件组成，是多构
8、件结构体系。这些构件有的直接受不同峰值的外力动载，有的承受上部构件传来的反力，动载作用的时间有先后，动载的变化规律也不一致，而且每一部分的延性也不尽相同。对这种结构做综合的精确的动力分析是较困难的，所以用等效静荷载法设计时，一般将结构分解成独立的构件，求出各自的等效静载。除了可根据 GB50038-2005 第 4.44.6节的公式计算等效静载外，还可以根据本工程的地质资料以及 4.7 节，4.8节爆炸动荷载作用下常用结构等效静荷载取值表取值，对比荷载，取常6 级和核 6 级地面超压的大值。 3.4 荷载组合 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
9、地下室的自重等，本工程各个部位参与组合的荷载分别为：顶板：顶板核爆动荷载标准值，顶板静荷载标准值；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；内承重墙(柱)：在本工程中，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活荷载标准值之和，故此部位构件不由战时条件控制。 3.5 内力计算 防空地下室结构在确定等效静荷载标准值和永久荷载标准值后，按静荷载作用下结构内力的计算方法计算原结构的内力。人防工程结构或构件的承载力设计，采用下列极
10、限状态设计表达式： o(GSGK+QSQK)R(4.10.2-1) R=R(cd，yd，k，) （4.10.2-2） 本工程内力计算采用广厦建筑结构 CAD 13.0 版 GSSAP 程序进行，为了校核电算结果的正确性，可以用手算的方法对防空地下室结构受力和截面设计校核，对防空地下室次梁可简化为连续梁进行简化计算，主梁可根据梁和柱的刚度情况，简化为两端弹性嵌固的连续梁进行内力和截面设计。应当注意梁抗剪强度验算时，要做高跨比影响的修正，混凝土材料抗剪强度的折减。 3.6 截面配筋要点 提高混凝土的标号和选用较低的配筋率，可以增加抗弯构件的延性。配筋率增大会降低受弯构件的延性。防空地下室结构中的受
11、弯构件最大配筋率宜取偏低数值。为保证其延性比 1.5,可约取最大配筋率max0.3fy/fc。根据 GB50038-2005 第 4.11.7 和 4.11.8 条规定，本工程人防地下室部分柱的最小配筋率为 0.60%，梁板的最小配筋率为0.25%；同时，受弯构件要满足最大配筋率，查表得梁板的最大配筋率为2.5%。构件的抗弯截面，应当配置适当的构造压筋和封闭式箍筋。它们虽然对截面抗弯强度的提高影响不大，但可以提高构件振动反弹的抗力，尤其是可以延长最大抗力明显下降时的塑性变形，并使抗力缓慢地丧失，故对结构的防塌甚为重要。另外，地下室的底板和顶板，楼梯板的面筋和底筋宜拉通配置，以满足抵抗正常荷载作
12、用和战时反向荷载作用。在正常荷载作用下，构件要进行裂缝验算，但在武器爆炸动荷载作用下，结构构件只进行强度的验算，不进行构件的变形，裂缝开展，地基承载力和地基变形计算，这是因为结构变形和结构裂缝已通过结构的延性比来控制；在动载作用下，低级承载力有较大提高，同时安全储备也可取较低值，在这种瞬间荷载作用下，一般不会产生因地基失效引起结构的破坏。 3.7 混凝土墙的计算 3.7.1 外墙计算 外墙计算需要注意以下几点： 计算模型。一般情况下，外墙计算模型为单向板，下固端，上简支。但当顶板大开口导致墙顶形成自由端时就得注意，如室外楼梯间、车道的无盖板段，墙顶均为自由端。对于室外楼梯间处的外墙处理方法为：
13、加大梯板及休息平台板厚及加大配筋，这样外墙的支撑条件可以改善；另外，车道无盖板段设计时尽量减小墙高，在满足车道入口最低净高基础上，尽量让顶板往外延伸些。 土压力计算。由于地下室类似一个大箱体，四周均有土约束，各方向在土压力作用下墙体位移可近似认为相互抵消，所以按静止土压力计算。静止土压力系数可根据回填土的类别而定，一般设计要求回填土应用砂质粘土或灰土或中粗砂震动分层夯实，密实度要求93%。 裂缝控制。地下室外墙的收缩裂缝是难点，特别是超长地下室。笔者经过工程的实践，外墙水平筋采用小直径小间距效果不错（间距100mm 为宜） ，且混凝土强度等级不宜选太高，C30 左右为宜；另外，施工养护也非常重
14、要，混凝土从浇灌后水分就开始蒸发，如果不进行有效的养护，早期裂缝将很快产生，所以设计交底时应加以强调养护的重要性，有条件应对施工进行跟踪，确保施工养护能做得更到位，以使裂缝更有效得到控制。 3.7.2 临空墙计算 防空地下室的等效静载是对核（常规）武器爆炸地面空气冲击波产生地面超压进行等效而定义的，其大小跟起始压力波速、作用时间大小等有关，其作用在临空墙的压力值与被地面建筑（或障碍）削弱的程度有关，所以不同部位的临空墙荷载有所不同。室外出入口由于冲击波受阻挡不如室内出入口强，因此室外出入口处临空墙等效静载较大。 4 结束语 人防地下室设计相对较烦琐，但主要能把握好以下几点，相信大家在设计过程不
15、会有太大障碍：人防地下室计算应把握好梁系布置、顶板恒载取值、外墙计算模型与土压力计算，人防等效静荷载的正确选取，应能解决概念设计与经济性的矛盾。想做好人防，光掌握结构专业知识远远不够，还需要对建筑、暖通这两个专业有较深入的了解。如果结构设计人员对这两个专业不了解，相当于对人防基理不了解，设计将无从下手，更谈不上专业间配合了。关于人防地下室的设计规范、参考书籍和设计软件已不断完善，设计人员如果能灵活应用，可以做到事半功倍。 参考文献： 1人民防空地下室设计规范 GB50038-2005 2 混凝土结构设计规范 GB50010-2002 3 全国民用建筑工程设计技术措施防空地下室 2003.建设部工程质量安全监督与行业发展司，国家人民防空办公室工程组，中国建筑标准设计研究所 4 人民防空地下室结构设计.曹继勇 张尚根编著.中国计划出版社，2006 5 防空地下室结构设计图集 07FG0103 6 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002
