浙江建筑,第26卷,第9期,2009年9月ZhejiangConstruction,Vol.26,No.9,Sep.2009

关于人防地下室结构设计的几个问题

SeveralIssuesAboutBasementStructure

DesignofCivilAirDefence

李晓良

LIXiao2liang

(浙江省建筑设计研究院,浙江杭州310006)

摘　要:通过对新版人防规范的系统学习和理解,对人防地下室结构设计的特点、,并结合多个人防工程的设计实践,较详细地阐述了人防地下室结构设计技术:效静荷载,再进行荷载组合和内力分析,题,供同行参考。

关键词:人防地下室;结构设计;等效静荷载

中图分类号:TU927　　　:-3707(2009)09-0019-04

　　近年来,随着我国经济高速、持续地发展,城市建设的规模和水平不断地提高,城市地下空间的利用越来越受到人们的重视。与此同时,人们对城市防灾抗灾、防空袭的认识也不断地增强,我国人民防空事业已进入了自二十世纪六七十年代以来的第二个蓬勃发展的高潮,作为人民防空事业物质基础的人防工程,特别是作为城市人防工程重要组成部分的人民防空地下室的建设总量和规模不断增大,建设水平也不断提高,对广大工程设计人员也提出了更高的要求。由于人防工程设计的特殊性,要设计出“防护可靠、经济合理、平战两用”的人防工程就要求设计人员掌握必要的人防工程设计专业知识。以下笔者通过对新版人防规范的系统学习和理解,对人防地下室结构设计的特点、原则及设计内容等问题进行了概况总结,并结合多个人防工程的设计实践,较详细地阐述了人防地下室结构设计的基本过程,在文章最后提出了人防地下室结构设计应注意的几个问题,供同行参考。

[1]

1　人防地下室结构设计特点

(1)人防地下室结构可靠度比一般建筑结构要

低。《建筑结构可靠度设计统一标准(GB500682

2001)》规定一般混凝土结构构件延性破坏时可靠指标β=3.2,失效概率为pf=0.069%,脆性破坏可靠指标β=3.7,失效概率为pf=0.011%;《人民防空地下室设计规范(GB5003822005)》(以下简称)规定人防地下室结构构件延性破坏时可靠《规范》

指标β=1.55,失效概率为pf=6.1%,脆性破坏可

靠指标β=2.4,失效概率为pf=0.8%。

(2)常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用下,人防地下室结构动力分析可采用等效静荷载法,在等效静荷载和静荷载确定后按静力计算方法进行结构内力分析。

(3)由于核爆炸荷载和常规武器爆炸荷载均只按一次作用考虑,因此结构构件可考虑进入塑性工作状态,按弹塑性工作阶段计算结构内力,以便节约建筑材料,充分发挥结构的潜力

。

收稿日期:2009-05-13

作者简介:李晓良(1970—),男,浙江东阳人,高级工程师,从事建筑结构设计工作。

(4)人防地下室结构设计时材料设计强度可以

提高。材料设计强度的提高在设计中是通过考虑材

料强度综合调整系数γ.15d来完成的,如钢材γd=1～1.5,混凝土γ.5。d=1

(5)一般钢筋混凝土结构,依其性能和使用要求,要进行两种极限状态的验算,即:承载能力极限状态(包括强度、稳定和疲劳验算)和正常使用极限状态(包括变形、裂缝出现和裂缝宽度等的验算)。而人防工程结构一般只验算结构强度(包括稳定),可不进行结构变形和结构裂缝宽度的验算,同时地基承载力与地基变形也可不进行验算。

(6)人防结构的许多构造要求,如保护层厚度、最大(小)配筋率、钢筋锚固长度等与一般的结构不同,要求更为严格,设计中仅仅考虑受力计算,不考虑构造措施是不行的。

阔,城市(地区)间战略地位差异较大,威胁环境也不相同,《人民防空工程战术技术要求》按可能受到的空袭威胁程度将人民防空工程划分为甲、乙两类。甲类防空地下室设计必须满足其预定的战时对核武器、常规武器和生物武器的各项防护要求,防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用;乙类防空地下室设计必须满足其预定的战时对常规武器和生物武器的各项防护要求,防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。

(2)按战时用途分。人防地下室根据战时用途可分为战时指挥所、专业队员掩蔽部、医疗救护站、二等人员掩蔽所、战时柴油电站、人防物资库、人防汽车库等。其中前三种类型的人防地下室需由专门的设计单位设计。

(3)4、5、核级;部门根据国家的有关规定,结合该地区的具体情况在方案评审时提出。

2　人防地下室结构设计的一般原则

(1)多层或高层建筑的防空地下室结构,是整

个建筑结构体系的一部分,时使用的要求,级别的防护要求,。因此,设计的依据。

(2)人防地下室结构只进行强度验算。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来控制,且在确定各种构件允许延性比时,已考虑了对变形的限制和防护密闭要求,因而在结构计算中不必再单独进行结构变形和裂缝开展的验算。为保证结构构件满足一定的延性,截面设计时应满足《规范》第4节的有关规定。

(3)无论是常规武器,还是核武器,设计时均只考虑一次作用,常规武器袭击不考虑直接命中。对于甲类防空地下室结构,取其中最不利情况进行设计计算,不需迭加。

(4)防空地下室的结构设计,应根据防护要求和受力情况做到结构各个部位抗力相协调,以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏,从而失去整个防护结构的作用。

(5)地上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。

4　人防地下室结构设计

4.1　人防地下室结构设计内容

人防地下室结构设计包括围护结构设计、人防口部设计、平战转换设计。人防地下室围护结构包括人防地下室顶板、底板、外墙、临空墙、人防隔墙(包括不同防护分区间隔墙、人防地下室与普通地下室隔墙)等。人防口部包括主要出入口(空袭前、后均使用)、次要出入口(空袭前使用)、备用出入口(战时一般情况下不使用,应急时使用)及其它战时需要的各种竖井。4.1.1　人防口部设计　人防口部设计包含三部分内容:一是出入口通道内临空墙、门框墙的设计,二是防护密闭门与消波系统的设计,三是孔口其它构件,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。

临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模型(如:一端固支一端简支、三边固支一边简支、四边固支等),考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋;而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算,但需注意的是因平时使用时需要的出入口通道均较宽,而战时又相应较窄,这样有可能会使门框墙的悬臂

3　人防地下室类型

(1)按受空袭威胁程度分。由于我国地域辽

长度过长,而使水平筋过大。这种情况下,可考虑在不影响使用功能的前提下,加设柱、梁改变门框墙的受力型式,得到较为经济的设计效果。风井设计时只计算土中压缩波的压力,对空气冲击波则不予考虑,因两者不会同时作用。开敞式通道(室外通道无顶盖段)不考虑核爆动荷载,只考虑静土侧压力。防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项,竖向力即为

2

倒塌荷载50kN/m,属静载;横向力即动压设计值

qe,由《规范》第4.8.10条确定,这两项受力作用时

设计。

4.2　人防荷载确定

在进行人防构件内力和配筋计算前需根据人防地下室类型、抗力级别确定作用在各构件上的等效人防静荷载值。人防荷载可按以下两种方式确定:4.2.1　公式法计算

(1)甲类人防地下室核爆炸等效静荷载qe可根据《规范》第4.4～4.6节公式按以下顺序逐步确定:

ΔPm→ΔPms→Ph→Pc→qe;

式中:ΔPm—核武器爆炸地面空气冲击波最大超压,

根据抗力级别直接选取;

ΔPms—空气冲击波超压计算值;Ph—核武器爆炸土中h深处压缩波的最大压力;Ρc—动荷载q。(2)甲、乙类人防地下室常规武器爆炸等效静荷载qce可根据《人防规范》第4.3节及附录B公式按以下顺序逐步确定:

ΔPcm→Pchpc→qce;C→

式中:C—等效TNT装药量,按国家现行有关规定

取值;

ΔPcm—常规武器地面爆炸空气冲击波最大超

压,根据抗力级别直接选取;Pch—常规武器地面爆炸空气冲击波感生的土

中压缩波的最大压力;

pc—常规武器地面爆炸作用在土中结构上的

间存在间隔,故不考虑同时作用。

防护密闭门设计。为方便工程设计人员,国家已将防密门进行系列化处理,设计人员可根据设计压力和门洞尺寸选择定型的防密门。

消波系统设计。消波系统一般由防爆波活门及扩散室组成,防爆波活门的选用和扩散室各部分的尺寸均可在《规范》中找到相应的表格和公式来确定。扩散室一般由建筑专业依据防空地下室的抗力等级、通风量、建筑条件等因素确定(规范第3.4.7殊要求的扩散室,,墙面本身受的荷载及活门传来的荷载均按临空墙等效静荷载标准取值,扩散室与土直接接触的顶板、底板及外墙可按土中压缩波压力确定荷载。4.1.2　平战转换设计　人防地下室平战兼顾设计是深入贯彻“平战结合”建设方针一个重要环节,由于人防工程是战时遭受敌袭击时作为保障城市居民生命安全和坚持工作的一种具有特殊功能要求的建筑物,因此它需要承受的荷载较一般结构大几十倍至数百倍,而且密闭要求很高,所以在设计中应尽量减小结构跨度,减少并缩小直通大气的各种孔口,而这种处理原则,却为平时使用造成诸多困难,《规范》第3.7节、第4.12节中对此点作了原则性的规定,具体做法应根据平时和战时的具体要求和工程本身的实际条件综合研究确定。

平战转换设计的基本原则是:(1)工程平战用途相近;(2)转换工作要小;(3)一次设计,分两步施工;(4)考虑兼容性和通用性;(5)转换措施要求快速、经济、简便、可靠。

平战转换可参考国家人民防空办公室颁布的《人防工程防护功能平战转换设计图集》及上海市

(土建分册)进行标准《平战结合五、六级人防工程》

均布动荷载;

qce—常规武器地面爆炸作用在结构构件上的

均布等效静荷载。

4.2.2　查规范表　为方便工程设计人员,《规范》在第4.7节和4.8节以表格形式分别给出了各类人防构件常规武器爆炸均布等效静荷载值和核爆炸均布等效静荷载值。由于表内所列荷载值都是在假定条件下根据规范公式计算得到的,因此若实际工程不满足查表条件,就需按公式计算。4.3　荷载组合和内力分析

作用在防空地下室结构上的荷载,应包括:爆炸荷载(指常规武器爆炸动荷载及核爆动荷载,下同)、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等,规范中对防空地下室不同部位等效静

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荷载与静荷载同时作用时应考虑的荷载组合以表格

形式给出(见规范表4.9.2和表4.9.3),结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目。

在进行荷载组合时,需要明确两个问题:一是上部建筑物自重标准值的确定,规范的条文说明中第4.9.3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分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况,设计时应认真分析确定。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

2

范规定的倒塌荷载产生的静荷载值为50kN/m,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不必计入倒塌荷载值。

在防空地下室结构的设计中,其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式:

γγγ0(GSGK+QSQK)≤R(fcd,fyd,αk,……)需要指出的是几个系数的定义:γ0—性系数,取1.0;γG—1.0,不利取1.2;γ0;Q—

fcd—;fyd可顺利地完成人防地下室各主要构件的设计了。

5　设计应注意的问题

(1)设计前应取得当地人防部门对人防地下室

设计方案的审批意见,包括人防地下室类型、抗力级

别、规模等。不同类型、不同抗力级别、不同规模的人防地下室,其口部设置数量不同、投资也相差较大。

(2)人防区域划分要清楚。出入口部防护密闭门以外区域均为非人防区。人防汽车库和人防物资库一般要由一个汽车坡道作为主要出入口,汽车坡道及其出地面所经过的通道均要考虑防倒塌荷载。

(3)人防结构构件等效静荷载标准值若是查表取值要注意使用条件,不符查表条件时应按规范公式自行计算。,。如:人(普通地下室一侧是竖井除外);防护分区内的密闭墙不能按人防单元隔墙考虑,密闭墙不受人防荷载作用;次要出入口部楼梯可不按人防楼梯设计等。

(5)人防构件配筋套用人防图集时,应注意其计算假定和适用条件,条件不符时应自行计算调整。

(6)注意人防构件的延性设计,截面设计时应满足《规范》第4节的有关规定。

(7)人防结构计算应与规范的各项规定相符;人防构件配筋形式应与计算模型一致。

参考文献

[1]　曹继勇,张尚根.人民防空地下室结构设计[M].北京:中国计

计值;αk—几何参数。

由上式可明显看出人防设计的特点(如前所述),这样与平时状态下的内力情况进行比较,取最不利组合内力进行截面设计。一般在民用建筑的人防地下室结构设计中,只涉及核(常)5级、核(常)6级或核6B级人防设计,地下室顶板设计基本上都由战时控制,而侧墙和底板则因地下室埋深、地下水位的不同而由实际情况确定。底板设计可不考虑常规武器地面爆炸作用,仅需满足人防构造要求即可。

求出构件的内力和配筋后,剩下需注意的问题就只有一些构造要求了,《规范》第4.11节中已作了很详细的规定,结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围,结合工程实际情况就

划出版社,2006,10-14.

[2]　王焕东,张瑞龙,郭海林,等.GB5003822005人民防空地下室

设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.