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【摘 要】:地下人防工程设计中有一个值得研究的问题就是如何真正协调平战结合。本文从人防工程平战兼顾意义出发,结合某地下人防工程设计实例,分析结构设计以及孔口防护的设计特点,基于平战结合考虑,提出地下人防室中各构件的荷载确定、荷载组合以及内力分析方法,为地下人防室结构设计中如何协调平战结合提出较有价值的参考。
地下人防室;平战结合;孔口防护;人防荷载
There is a problem worthy of study in the underground civil air defense engineering design is how to really coordinate peacetime and wartime. In this dissertation, aiming to achieve both peacetime and wartime air defense works and based on a design example of underground civil air defense engineering, analyzes the structural design of orifice protection design features, and brings up the analysis method of the underground civil air defense component of the load identification, load combination and the internal force analysis based on both peacetime and wartime considerations. It has a valuable reference to how to coordinate both peacetime and wartime in the structural design of underground civil air defense in the room.
underground civil air defense Room peacetime and wartime orifice protection air defense load
在地下人防工程设计中如何协调平战进行设计是一个目前值得研究的课题。所谓的平战结合就是指地下人防工程平时能为城市经济和防灾服务,在战前通过转换就可满足战时的防空要求,做到多种功能,综合效益。由此可知,平战结合必定会给地下人防工程设计带来较大难度,这主要体现在设计中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。基于此,本文基于平战结合的特点,提出如何从地下人防工程中各构件的荷载确定、荷载组合以及内力分析来协调平战两种状态的使用要求,旨在为同类工程提供参考借鉴。
1人防工程结构的设计特点
与普通地下工程相比,地下人防工程结构设计主要特点是要考虑战时爆炸动荷载对结构的影响。爆炸动荷载属于偶然性荷载,荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。暴露于空气中的地下人防工程结构构件,将会直接承受上部结构爆炸动荷载作用,其必定会对结构造成破坏。因此在设计中,地下人防工程主要从两个方面出发:(1)主体结构设计,如顶板、外侧墙等构件设计;(2)孔口防护设计,如出入口的防护和消波系统等。设计这些构件与非人防构件的不同点在于:
(1)地下人防工程受核爆动荷载作用,决定了其构件设计必定要考虑结构动力响应;(2)结构受到较大的动荷载作用会导致构件进入塑性状态;(3)材料设计强度可以提高。实验表明,构件在快速加载下,其材料力学性能发生明显变化,体现在强度得到明显提高,但其变形性能如塑性性能等基本不变,这对结构工作起到有利作用;(4)构造要求严格,人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的,要求更为严格。
根据地下人防工程结构设计特点,可确定人防工程结构设计的设计原则:(1)平战结合。在民用建筑的地下人防室的结构设计中,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)构件只进行强度计算。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,因而在地下人防工程结构设计中,不必再对结构构件的变形与裂缝等进行验算;(3)只需按一次核袭击考虑;(4)各构件的设计协调,为了防止因设计控制标准不一致而导致结构局部破坏,从而失去整个防护建筑的作用。
2工程实例
2.1 工程概况
某大型办公综合楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构,人工挖孔桩基础,7度抗震设防。地下室层高4.5m,首层层高5.0m,二～三层层高4.8m。上部结构主要采用正交主次梁板楼盖体系,开间主要为7.2m和9.2m,进深主要为7.2m和8.6m。地下室底板、三层至四层梁板混凝土设计强度C30。本工程地下人防室防护等级为6级。
2.2 人防荷载取值
先就以本工程为例,详细给出该地下人防工程结构设计时各构件人防荷载的取值。
(1)顶板:本工程由于首层外墙为180mm实心砖填充墙,而且墙面开孔面积大于50%,通过预算上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响,取顶板的等效静荷载标准值为q=60kN/m2。
(2)底板:本工程采用的基础形式是人工挖孔桩基础,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,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)侧墙:由于本工程上部建筑物为7抗震设防的框架—剪力墙结构,故侧墙应考虑上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响,考虑到本工程周围设有基坑支护,具有一定的阻隔作用,取侧墙等效静载荷标准值为q =40kN/m2。
(4)门框墙:一部分是直接作用在墙上的等效荷载标准值取为qe=200 kN/m2;另一部分是由门扇产生的等效静载标准值,这荷载取决于门扇型号、大小。
(5)临空墙:根据本工程实际情况以及通过查阅规范表4.5.7,该等效荷载标准值取为120kN/m2。
2.3 荷载组合
在进行荷载组合时,需要明确两个问题:一是荷载种类考虑问题。依据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氛围全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况,设计时应认真分析并正确合理选取荷载种类。本工程中,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力按战时控制考虑;对于底板、基础则按平时控制考虑。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可以不考虑倒塌荷载组合。
同时在本工程中,人防混凝土墙体及楼板的混凝土强度等级均取为C30,当构件考虑人防荷载后,混凝土、钢筋材料强度调整系数分别取为1.5、1.35,则调整后的混凝土强度等级近似取C45计算,II级钢筋经过调整后近似按III级钢筋采用。同时根据《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求,本地下人防工程结构设计采用可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法,结构可靠度用可靠指标,以分项系数表达的设计表达式进行设计,本工程等效静荷载的分项系数1.0,永久荷载的分系数取1.2,可变荷载的分项系数取1.40。
通过对内力组合求出本地下人防工程构件内力,与平时状态下的对应构件内力进行地比,经比较发现本工程中,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力按战时控制考虑;对于底板、基础则按平时控制考虑。求出各构件的内力和配筋后,就可以进行结构构件的构造要求。对于地下人防工程构件的构造要求,《规范》第4.7节给出了详细的规定。结合本工程实际情况,本工程的构造要求是混凝土墙采用S6抗渗等级,混凝土强度等级取为C30,地下室通过设计多条纵横交错的后浇带来取代设置沉降缝、伸缩缝。本工程硅墙的抗渗等级为56,硅强度等级为C30,地下室内没有设置沉缝和伸缩缝,而是设置了多条纵横交错的后浇带。对双面配筋的钢筋混凝土顶、底板,在上下、内外层钢筋之间配置一定量的拉结筋,以确保钢筋与受压区混凝土在震动环境下仍能共同工作,
3孔口防护设计
孔口防护设计主要包括:(1)防护密闭门与消波系统的设计;(2)出入口通道内临空墙、门框墙的设计;(3)是孔口其它构件,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。对于临空墙、隔墙设计可按一般墙体进行计算。对于门框墙的设计则按悬臂梁计算,值得注意的是考虑到平时使用时需要的出入口通道均较宽,而战时又相应较窄,会导致门框墙的悬臂过长。因此,可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,从而得到较为经济方案。开敞式通道只需考虑静土侧压力而不必考虑核爆动荷载;防倒塌棚架的设计按竖向和横向来分别计算,竖向力可取为倒塌荷载50kN/m2。
4结语
由于人防工程在战时所承受的荷载较一般情况大几十倍至数百倍,高密闭、小跨度、小孔口的设计恰恰与平时使用的需要相反。所以在进行地下人防工程设计时应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件来综合研究确定。
参考文献:
[1] 黄晓琼.地下室人防设计的方法及重点[J].山西建筑,2007,33(18):31-32.
[2] 汪 媛,陈立华.地下人防工程的设计要点及思考[J].工程与建设,2010,24(01):107-109.
[3] 谢维舟.人防工程平战功能转换的原则和建议[J].地下空间,1996,16(01):41-43.
[4] 宋穗徽.地下人防室结构设计方法与工程应用[D].合肥工业大学硕士学位论文,2008.
地下人防室;平战结合;孔口防护;人防荷载
There is a problem worthy of study in the underground civil air defense engineering design is how to really coordinate peacetime and wartime. In this dissertation, aiming to achieve both peacetime and wartime air defense works and based on a design example of underground civil air defense engineering, analyzes the structural design of orifice protection design features, and brings up the analysis method of the underground civil air defense component of the load identification, load combination and the internal force analysis based on both peacetime and wartime considerations. It has a valuable reference to how to coordinate both peacetime and wartime in the structural design of underground civil air defense in the room.
underground civil air defense Room peacetime and wartime orifice protection air defense load
在地下人防工程设计中如何协调平战进行设计是一个目前值得研究的课题。所谓的平战结合就是指地下人防工程平时能为城市经济和防灾服务,在战前通过转换就可满足战时的防空要求,做到多种功能,综合效益。由此可知,平战结合必定会给地下人防工程设计带来较大难度,这主要体现在设计中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。基于此,本文基于平战结合的特点,提出如何从地下人防工程中各构件的荷载确定、荷载组合以及内力分析来协调平战两种状态的使用要求,旨在为同类工程提供参考借鉴。
1人防工程结构的设计特点
与普通地下工程相比,地下人防工程结构设计主要特点是要考虑战时爆炸动荷载对结构的影响。爆炸动荷载属于偶然性荷载,荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。暴露于空气中的地下人防工程结构构件,将会直接承受上部结构爆炸动荷载作用,其必定会对结构造成破坏。因此在设计中,地下人防工程主要从两个方面出发:(1)主体结构设计,如顶板、外侧墙等构件设计;(2)孔口防护设计,如出入口的防护和消波系统等。设计这些构件与非人防构件的不同点在于:
(1)地下人防工程受核爆动荷载作用,决定了其构件设计必定要考虑结构动力响应;(2)结构受到较大的动荷载作用会导致构件进入塑性状态;(3)材料设计强度可以提高。实验表明,构件在快速加载下,其材料力学性能发生明显变化,体现在强度得到明显提高,但其变形性能如塑性性能等基本不变,这对结构工作起到有利作用;(4)构造要求严格,人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的,要求更为严格。
根据地下人防工程结构设计特点,可确定人防工程结构设计的设计原则:(1)平战结合。在民用建筑的地下人防室的结构设计中,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)构件只进行强度计算。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,因而在地下人防工程结构设计中,不必再对结构构件的变形与裂缝等进行验算;(3)只需按一次核袭击考虑;(4)各构件的设计协调,为了防止因设计控制标准不一致而导致结构局部破坏,从而失去整个防护建筑的作用。
2工程实例
2.1 工程概况
某大型办公综合楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构,人工挖孔桩基础,7度抗震设防。地下室层高4.5m,首层层高5.0m,二～三层层高4.8m。上部结构主要采用正交主次梁板楼盖体系,开间主要为7.2m和9.2m,进深主要为7.2m和8.6m。地下室底板、三层至四层梁板混凝土设计强度C30。本工程地下人防室防护等级为6级。
2.2 人防荷载取值
先就以本工程为例,详细给出该地下人防工程结构设计时各构件人防荷载的取值。
(1)顶板:本工程由于首层外墙为180mm实心砖填充墙,而且墙面开孔面积大于50%,通过预算上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响,取顶板的等效静荷载标准值为q=60kN/m2。
(2)底板:本工程采用的基础形式是人工挖孔桩基础,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,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)侧墙:由于本工程上部建筑物为7抗震设防的框架—剪力墙结构,故侧墙应考虑上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响,考虑到本工程周围设有基坑支护,具有一定的阻隔作用,取侧墙等效静载荷标准值为q =40kN/m2。
(4)门框墙:一部分是直接作用在墙上的等效荷载标准值取为qe=200 kN/m2;另一部分是由门扇产生的等效静载标准值,这荷载取决于门扇型号、大小。
(5)临空墙:根据本工程实际情况以及通过查阅规范表4.5.7,该等效荷载标准值取为120kN/m2。
2.3 荷载组合
在进行荷载组合时,需要明确两个问题:一是荷载种类考虑问题。依据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氛围全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况,设计时应认真分析并正确合理选取荷载种类。本工程中,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力按战时控制考虑;对于底板、基础则按平时控制考虑。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可以不考虑倒塌荷载组合。
同时在本工程中,人防混凝土墙体及楼板的混凝土强度等级均取为C30,当构件考虑人防荷载后,混凝土、钢筋材料强度调整系数分别取为1.5、1.35,则调整后的混凝土强度等级近似取C45计算,II级钢筋经过调整后近似按III级钢筋采用。同时根据《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求,本地下人防工程结构设计采用可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法,结构可靠度用可靠指标,以分项系数表达的设计表达式进行设计,本工程等效静荷载的分项系数1.0,永久荷载的分系数取1.2,可变荷载的分项系数取1.40。
通过对内力组合求出本地下人防工程构件内力,与平时状态下的对应构件内力进行地比,经比较发现本工程中,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力按战时控制考虑;对于底板、基础则按平时控制考虑。求出各构件的内力和配筋后,就可以进行结构构件的构造要求。对于地下人防工程构件的构造要求,《规范》第4.7节给出了详细的规定。结合本工程实际情况,本工程的构造要求是混凝土墙采用S6抗渗等级,混凝土强度等级取为C30,地下室通过设计多条纵横交错的后浇带来取代设置沉降缝、伸缩缝。本工程硅墙的抗渗等级为56,硅强度等级为C30,地下室内没有设置沉缝和伸缩缝,而是设置了多条纵横交错的后浇带。对双面配筋的钢筋混凝土顶、底板,在上下、内外层钢筋之间配置一定量的拉结筋,以确保钢筋与受压区混凝土在震动环境下仍能共同工作,
3孔口防护设计
孔口防护设计主要包括:(1)防护密闭门与消波系统的设计;(2)出入口通道内临空墙、门框墙的设计;(3)是孔口其它构件,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。对于临空墙、隔墙设计可按一般墙体进行计算。对于门框墙的设计则按悬臂梁计算,值得注意的是考虑到平时使用时需要的出入口通道均较宽,而战时又相应较窄,会导致门框墙的悬臂过长。因此,可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,从而得到较为经济方案。开敞式通道只需考虑静土侧压力而不必考虑核爆动荷载;防倒塌棚架的设计按竖向和横向来分别计算,竖向力可取为倒塌荷载50kN/m2。
4结语
由于人防工程在战时所承受的荷载较一般情况大几十倍至数百倍,高密闭、小跨度、小孔口的设计恰恰与平时使用的需要相反。所以在进行地下人防工程设计时应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件来综合研究确定。
参考文献:
[1] 黄晓琼.地下室人防设计的方法及重点[J].山西建筑,2007,33(18):31-32.
[2] 汪 媛,陈立华.地下人防工程的设计要点及思考[J].工程与建设,2010,24(01):107-109.
[3] 谢维舟.人防工程平战功能转换的原则和建议[J].地下空间,1996,16(01):41-43.
[4] 宋穗徽.地下人防室结构设计方法与工程应用[D].合肥工业大学硕士学位论文,2008.