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摘要:在防空地下室结构设计中也经常会遇到防空地下室的平战转换设计问题,协调好防空地下室在平战两种状态下的不同使用要求,已成为结构设计中的一个重要课题。文章针对人防设计的平战结合问题,从人防荷载的确定、荷载组合和内力分析及构造要求等方面介绍了人防结构的设计要点。
关键词:人防地下室;人防荷载;结构设计;平战结合
中图分类号:TU927
文献标识码:A
文章编号:1009-2374(2009)18-0029-02
人防工程是战时防空、保障人民生命安全的重要措施,随着城市的发展,人防工程的建设越来越引起人们的重视。防空地下室是人防工程的重要组成部分。与其它类型人防工程一样,它具有国家规定的防护能力和各项战时防空功能,是实施人民防空最重要的物质基础。如何设计好人防工程,使人防工程在战时能真正起到防空及保障人民生命安全的功能,这就要求我们设计人员深刻理解并严格执行《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94),并以此为依据进行人防工程的设计工作,而且要求建筑结构设计人员对于结构物在核爆动荷载作用下的作用机理及对结构的反应比较了解。根据《人民防空工程设计规范》(GB50225-95)及《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94),结合已设计建成的大量人防工程,现将防空地下室设计中常见的问题进行分析和探讨。
一、人防结构设计的特点及原则
(一)人防结构设计的特点
1.人防地下室水平荷载作用及变形特征。(1)风荷载计算均扣除地下室的高度。地下室是否约束、约束的程度与风荷载计算无关。(2)设计设定地下室部分的基本风压为零;在地上部分的风荷载计算中,自动扣除地下室部分的高度,地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点。结构在地震作用下的反应受地下室外的回填土约束程度的影响。(3)由地下室质量产生的地震力,主要被室外的回填土吸收。
2.人防地下室竖向荷载作用及变形特征。对于一般结构而言,地下室外的回填土约束对竖向荷载作用几乎没有影响。当地下室出现悬挑结构,则地下室外的回填土约束对竖向荷载作用有一定影响。所以,地下室不应有悬挑结构。首选地下室与上部结构整体分析。因为竖向变形的协调是非常重要的。当地下室体量、面积很大时,与上部结构所占面积差异太大,如超大地下室、底盘等,此时可以根据上部结构的底面积取外伸2～3跨作为地下室,并与上部结构共同分析。
(二)人防结构设计的原则
人防工程依据其对冲击波的防御能力可分为四个抗力等级:6级、5级、B4级和4级。其中4级防御能力最强,等级最高。B4级仅次于4级。按照人防工程“长期坚持、平战结合、全面规划、重点建设”的建设方针,必须使结构设计做到安全可靠。设计荷载应全面考虑动荷载以及土体作用力、水压力、结构自重静荷载及地震荷载的作用,人防工程抗力等级是按照抗核爆炸冲击波超压的大小来划分的。人防工程除战时受到核爆炸和常规武器爆炸荷载作用外,在平时使用时,还会受到地震作用。随着人防工程建设规模的日益扩大,人防工程结构安全性评价已成为亟待解决的重要问题。
二、人防结构工程设计内容与方法
(一)人防工程结构设计概况
某甲类防空地下室总建筑面积7350m2,局部配电房、水泵房、消防水池为非人防区,其余大部分为人防区。地下室人防区分设A、B、C、D共4个六级人防单元,人防单元A为912 m2,人防单元B为1580 m2,人防单元C为1450 m2,人防单元D为1973 m2,共计5915 m2。本工程抗震设防烈度为7度,地震加速度为0.1g,采用框架剪力墙结构,框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为二级。地下室不考虑风荷载作用。地下室梁、板混凝土强度等级均为C30,柱混凝土强度等级按上部结构整体计算所得,采用C40混凝土。
(二)人防地下室底板设计
1.地下室底板人防荷载确定。本工程采用先张法高强预应力管桩,属有桩基钢筋混凝土底板,且为饱和土,底板人防荷载取值为25 kN/m2。
2.地下室底板反向荷载确定。依据建筑总平面布置图及室外道路标高系统,本工程设计抗浮水位标高9.2米,即相对标高为-1.05米。底板标高-4.550,底板厚度为0.3米,计算水深3.8米。底板疏水层为100～200mm,以均厚150mm计算,底板自重0.3×25+0.15×20=10.5kN/m2,计算反向荷载扣除底板自重为(1.35×38-10.5)/1.35=30.5 kN/m2。
3.底板截面设计。按人防要求,底板最小厚度250mm,因板跨、荷载较大,本工程取底板厚度为300mm,保护层厚度50mm,可满足底板承载力及裂缝宽度0.2mm的要求。最大水头H为3.8米,底板厚h为0.3米,依据《高规》表12.1.9基础防水混凝土的抗渗等级确定办法,H/h=3.8/0.3=12.7,地下室底板设计抗渗等级为0.8MPa。底板设计采用PKPM结构设计软件进行计算,考虑人防荷载、水浮力的反向荷载并扣除底板自重的倒楼盖模型进行设计,反向荷载以恒载计算,底板自重为对结构有利恒载,取分项系数1.0,人防荷载为等效静荷载,分项系数为1.0。
(三)人防地下室顶板设计
1.地下室顶板概况。顶板为小区花园,覆土700mm厚,设计恒载为14 kN/m2。小区内设有消防车道,消防车荷载按荷载规范取值,顶板人防等效静荷载标准值为70 KN/m2。地下室车库为6×8米,经与设备专业配合后,地下室净高应不小于2.8米,即梁高最大为800mm。
2.顶板截面设计。顶板设计采用PKPM结构设计软件进行计算,考虑人防荷载、覆土荷载,消防车荷载,活载等的单层楼盖模型进行设计。有限制的梁高,按通常的做法无法满足大跨度下的大荷载。采用降低底板标高以增加地下室层高为增大梁高拓展空间,这势必增加地下室的开挖深度,增加工程造价。加大梁宽可以解决配筋率过大的问题,但又造成梁截面过大,形成典型的肥梁胖柱型结构,这也是结构经济性要求所不容许的。最后经过研究采用框架梁端加掖的构造措施,梁中间高度为800,支座处高度为1100,这既解决了配筋率超限的问题,又满足地下室净高的要求,既节约了工程造价,又为各设备专业提供了足够的空间,实现了工程的可行性。
3.嵌固及后浇带设计。主楼部分地下室顶板作为上部结构的嵌固端,即要满足人防荷载,覆土荷载及本层活荷载的要求,又要满足本层结构的侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍的要求,所以在地下室顶板主楼部分的设计中,按主楼整体计算的结果进行截面设计。本工程总长度达到136.8米,总宽度为70.4米,如何解决温度应力引起的收缩裂缝则是不容忽视的问题。传统的做法,地下室顶板底板以30～40米的间距设置800宽的后浇带,同时注意后浇带避开坡道及人防口部,后浇带在顶板覆土之前封闭,并加以养护。传统的做法也是最有效的做法,经验证明这种做法是防止超长结构温度应力导致裂缝的最经济的措施。
4.人防口部、人防隔墙及外墙的结构设计。地下室层高3.8米,口部大样均可套用国标07FG04图集,人防隔墙及外墙采用单向板模型计算,上部支座为简支端,下部支座为固定端,人防隔墙按弹塑性模型计算.外墙按弹性模型计算,控制裂缝宽度0.2mm。在外墙施工中施工方反映出一个问题,主楼外侧的柱与外墙整浇在一起,且主楼为小柱网,多为3米多的柱距,柱混凝土强度等级为C40,外墙混凝土强度等级为C30,施工中必然会造成外墙大部分都是C40的混凝土,大面积的高强度混凝土是必然造成大量的水化热,容易产生大量的收缩裂缝。为解决这一问题,有两种做法:一是外墙及柱都采用C30混凝土,通过柱轴压比的等效换算加大主楼柱截面;二是外墙及柱都采用C30混凝土,柱截面不变。以柱两侧的250厚外墙作为柱截面的翼缘,可以看做是增大了柱截面。以500×500柱为例计算,C40混凝土强度设计值为18.91N/mm2,C30混凝土强度设计值为15.4 N/mm2,500×500柱的两侧可增加翼缘面积为400×250,理论上这种做法是可行且安全的。最终决定施工中采用第二种做法,即不改变柱截面直接降低混凝土强度等级至C30。但由于剪力墙所增加的翼缘面积相对比例较小,无法达到等效轴压比的要求,故剪力墙部分还是按C40混凝土施工。这种做法亦有其局限性,混凝土强度等级不宜相差大于10,柱截面面积不宜大于500×500。
三、结语
地下室人防工程设计不是纯粹功能性的解决,它包括结构、通风、电气、给排水间专业的配合协调和建筑专业本身的设计优化,牵涉与业主和政府主管部门的协商沟通,平时使用的经济性、合理性和舒适性,战时转换的便捷性和安全性,一个综合性很强的设计。人防地下室的结构设计既要考虑平时工况又要考虑战时工况,且目前电算软件功能都不是很完善,需要更深入地研究人防结构设计的技术问题,总结设计经验,提高设计水平。
参考文献
[1]人民防空地下室设计规范(GB50038-94)[S]. 2003.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)[S].
作者简介:章晓文,男,浙江求新建筑设计有限公司建筑工程师,国家二级注册建筑工程师,研究方向:人防结构设计。
关键词:人防地下室;人防荷载;结构设计;平战结合
中图分类号:TU927
文献标识码:A
文章编号:1009-2374(2009)18-0029-02
人防工程是战时防空、保障人民生命安全的重要措施,随着城市的发展,人防工程的建设越来越引起人们的重视。防空地下室是人防工程的重要组成部分。与其它类型人防工程一样,它具有国家规定的防护能力和各项战时防空功能,是实施人民防空最重要的物质基础。如何设计好人防工程,使人防工程在战时能真正起到防空及保障人民生命安全的功能,这就要求我们设计人员深刻理解并严格执行《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94),并以此为依据进行人防工程的设计工作,而且要求建筑结构设计人员对于结构物在核爆动荷载作用下的作用机理及对结构的反应比较了解。根据《人民防空工程设计规范》(GB50225-95)及《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94),结合已设计建成的大量人防工程,现将防空地下室设计中常见的问题进行分析和探讨。
一、人防结构设计的特点及原则
(一)人防结构设计的特点
1.人防地下室水平荷载作用及变形特征。(1)风荷载计算均扣除地下室的高度。地下室是否约束、约束的程度与风荷载计算无关。(2)设计设定地下室部分的基本风压为零;在地上部分的风荷载计算中,自动扣除地下室部分的高度,地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点。结构在地震作用下的反应受地下室外的回填土约束程度的影响。(3)由地下室质量产生的地震力,主要被室外的回填土吸收。
2.人防地下室竖向荷载作用及变形特征。对于一般结构而言,地下室外的回填土约束对竖向荷载作用几乎没有影响。当地下室出现悬挑结构,则地下室外的回填土约束对竖向荷载作用有一定影响。所以,地下室不应有悬挑结构。首选地下室与上部结构整体分析。因为竖向变形的协调是非常重要的。当地下室体量、面积很大时,与上部结构所占面积差异太大,如超大地下室、底盘等,此时可以根据上部结构的底面积取外伸2～3跨作为地下室,并与上部结构共同分析。
(二)人防结构设计的原则
人防工程依据其对冲击波的防御能力可分为四个抗力等级:6级、5级、B4级和4级。其中4级防御能力最强,等级最高。B4级仅次于4级。按照人防工程“长期坚持、平战结合、全面规划、重点建设”的建设方针,必须使结构设计做到安全可靠。设计荷载应全面考虑动荷载以及土体作用力、水压力、结构自重静荷载及地震荷载的作用,人防工程抗力等级是按照抗核爆炸冲击波超压的大小来划分的。人防工程除战时受到核爆炸和常规武器爆炸荷载作用外,在平时使用时,还会受到地震作用。随着人防工程建设规模的日益扩大,人防工程结构安全性评价已成为亟待解决的重要问题。
二、人防结构工程设计内容与方法
(一)人防工程结构设计概况
某甲类防空地下室总建筑面积7350m2,局部配电房、水泵房、消防水池为非人防区,其余大部分为人防区。地下室人防区分设A、B、C、D共4个六级人防单元,人防单元A为912 m2,人防单元B为1580 m2,人防单元C为1450 m2,人防单元D为1973 m2,共计5915 m2。本工程抗震设防烈度为7度,地震加速度为0.1g,采用框架剪力墙结构,框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为二级。地下室不考虑风荷载作用。地下室梁、板混凝土强度等级均为C30,柱混凝土强度等级按上部结构整体计算所得,采用C40混凝土。
(二)人防地下室底板设计
1.地下室底板人防荷载确定。本工程采用先张法高强预应力管桩,属有桩基钢筋混凝土底板,且为饱和土,底板人防荷载取值为25 kN/m2。
2.地下室底板反向荷载确定。依据建筑总平面布置图及室外道路标高系统,本工程设计抗浮水位标高9.2米,即相对标高为-1.05米。底板标高-4.550,底板厚度为0.3米,计算水深3.8米。底板疏水层为100～200mm,以均厚150mm计算,底板自重0.3×25+0.15×20=10.5kN/m2,计算反向荷载扣除底板自重为(1.35×38-10.5)/1.35=30.5 kN/m2。
3.底板截面设计。按人防要求,底板最小厚度250mm,因板跨、荷载较大,本工程取底板厚度为300mm,保护层厚度50mm,可满足底板承载力及裂缝宽度0.2mm的要求。最大水头H为3.8米,底板厚h为0.3米,依据《高规》表12.1.9基础防水混凝土的抗渗等级确定办法,H/h=3.8/0.3=12.7,地下室底板设计抗渗等级为0.8MPa。底板设计采用PKPM结构设计软件进行计算,考虑人防荷载、水浮力的反向荷载并扣除底板自重的倒楼盖模型进行设计,反向荷载以恒载计算,底板自重为对结构有利恒载,取分项系数1.0,人防荷载为等效静荷载,分项系数为1.0。
(三)人防地下室顶板设计
1.地下室顶板概况。顶板为小区花园,覆土700mm厚,设计恒载为14 kN/m2。小区内设有消防车道,消防车荷载按荷载规范取值,顶板人防等效静荷载标准值为70 KN/m2。地下室车库为6×8米,经与设备专业配合后,地下室净高应不小于2.8米,即梁高最大为800mm。
2.顶板截面设计。顶板设计采用PKPM结构设计软件进行计算,考虑人防荷载、覆土荷载,消防车荷载,活载等的单层楼盖模型进行设计。有限制的梁高,按通常的做法无法满足大跨度下的大荷载。采用降低底板标高以增加地下室层高为增大梁高拓展空间,这势必增加地下室的开挖深度,增加工程造价。加大梁宽可以解决配筋率过大的问题,但又造成梁截面过大,形成典型的肥梁胖柱型结构,这也是结构经济性要求所不容许的。最后经过研究采用框架梁端加掖的构造措施,梁中间高度为800,支座处高度为1100,这既解决了配筋率超限的问题,又满足地下室净高的要求,既节约了工程造价,又为各设备专业提供了足够的空间,实现了工程的可行性。
3.嵌固及后浇带设计。主楼部分地下室顶板作为上部结构的嵌固端,即要满足人防荷载,覆土荷载及本层活荷载的要求,又要满足本层结构的侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍的要求,所以在地下室顶板主楼部分的设计中,按主楼整体计算的结果进行截面设计。本工程总长度达到136.8米,总宽度为70.4米,如何解决温度应力引起的收缩裂缝则是不容忽视的问题。传统的做法,地下室顶板底板以30～40米的间距设置800宽的后浇带,同时注意后浇带避开坡道及人防口部,后浇带在顶板覆土之前封闭,并加以养护。传统的做法也是最有效的做法,经验证明这种做法是防止超长结构温度应力导致裂缝的最经济的措施。
4.人防口部、人防隔墙及外墙的结构设计。地下室层高3.8米,口部大样均可套用国标07FG04图集,人防隔墙及外墙采用单向板模型计算,上部支座为简支端,下部支座为固定端,人防隔墙按弹塑性模型计算.外墙按弹性模型计算,控制裂缝宽度0.2mm。在外墙施工中施工方反映出一个问题,主楼外侧的柱与外墙整浇在一起,且主楼为小柱网,多为3米多的柱距,柱混凝土强度等级为C40,外墙混凝土强度等级为C30,施工中必然会造成外墙大部分都是C40的混凝土,大面积的高强度混凝土是必然造成大量的水化热,容易产生大量的收缩裂缝。为解决这一问题,有两种做法:一是外墙及柱都采用C30混凝土,通过柱轴压比的等效换算加大主楼柱截面;二是外墙及柱都采用C30混凝土,柱截面不变。以柱两侧的250厚外墙作为柱截面的翼缘,可以看做是增大了柱截面。以500×500柱为例计算,C40混凝土强度设计值为18.91N/mm2,C30混凝土强度设计值为15.4 N/mm2,500×500柱的两侧可增加翼缘面积为400×250,理论上这种做法是可行且安全的。最终决定施工中采用第二种做法,即不改变柱截面直接降低混凝土强度等级至C30。但由于剪力墙所增加的翼缘面积相对比例较小,无法达到等效轴压比的要求,故剪力墙部分还是按C40混凝土施工。这种做法亦有其局限性,混凝土强度等级不宜相差大于10,柱截面面积不宜大于500×500。
三、结语
地下室人防工程设计不是纯粹功能性的解决,它包括结构、通风、电气、给排水间专业的配合协调和建筑专业本身的设计优化,牵涉与业主和政府主管部门的协商沟通,平时使用的经济性、合理性和舒适性,战时转换的便捷性和安全性,一个综合性很强的设计。人防地下室的结构设计既要考虑平时工况又要考虑战时工况,且目前电算软件功能都不是很完善,需要更深入地研究人防结构设计的技术问题,总结设计经验,提高设计水平。
参考文献
[1]人民防空地下室设计规范(GB50038-94)[S]. 2003.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)[S].
作者简介:章晓文,男,浙江求新建筑设计有限公司建筑工程师,国家二级注册建筑工程师,研究方向:人防结构设计。