人防地下室室外出入口防倒塌棚架設(shè)計實例

孫舉飛

福建省建研工程顧問有限公司，福建 福州 350108

1 工程概況

本工程位于福州市城區(qū)，為某小學新建教學綜合樓，地上五層、地下二層。人防地下室設(shè)于地下二層，為甲類，常6核6級。戰(zhàn)時主要出入口為坡道，坡道出入口與相鄰建筑關(guān)系見圖1：

圖1 坡道平面圖

根據(jù)《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》［1］的規(guī)定，工程防護類別為甲類的人防地下室，在戰(zhàn)時為人防地下室主要出入口的，且位于室外出入口的通道的出地面段，與相鄰建筑應(yīng)有一定距離，不宜布置在建筑倒塌范圍以內(nèi)。地面建筑倒塌范圍根據(jù)其結(jié)構(gòu)體系有所不同。本工程主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，出地面段相鄰建筑物與出入口距離小于5m，故需要設(shè)置防倒塌棚架保證相鄰建筑物受核爆沖擊后其倒塌物不會堵塞出入口通道，以使人員或車輛進出順暢。

防倒塌棚架為設(shè)置在出人口通道未設(shè)置蓋板段的上方，用于抵擋相鄰建筑在核爆沖擊下破壞而產(chǎn)生的倒塌物落入通道造成出入口堵塞的棚架。棚架必須自身能承受核爆時沖擊波等效荷載，還能承受相鄰建筑物倒塌引起的等效荷載。防倒塌棚架可利用平時口部建筑作為防倒塌棚架設(shè)計，也可設(shè)計為臨戰(zhàn)時安裝的裝配式構(gòu)筑物。本工程的防倒塌棚架設(shè)計主要有以下三種方案。

2 平時口部建筑作為防倒塌棚架設(shè)計方法及注意事項

方案（一）利用平時口部建筑作為防倒塌棚架設(shè)計，在工程建設(shè)時就采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)防倒塌棚架蓋住坡道出地面段。棚架平時即一直存在，臨戰(zhàn)時不用再額外采取任何措施即可發(fā)揮防倒塌的作用。使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，棚架柱網(wǎng)布置可利用主樓結(jié)構(gòu)柱，并在坡道另一側(cè)加設(shè)一排柱。計算模型為框架結(jié)構(gòu)體系。也可在坡道貼著主樓一側(cè)另設(shè)置一排柱，使棚架與主樓設(shè)縫脫開，形成獨立于主體結(jié)構(gòu)的單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)。采用鋼結(jié)構(gòu)時，可在主樓一側(cè)利用主樓結(jié)構(gòu)柱外伸牛腿，坡道另一側(cè)設(shè)置鋼柱，計算模型體系可采用鋼柱為懸臂柱，鋼梁為一端鉸接于鋼柱，一端鉸接于牛腿。也可在坡道兩側(cè)各設(shè)置一排鋼柱，使棚架與主樓設(shè)縫脫開，形成獨立于主體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在核爆作用下，只驗算結(jié)構(gòu)的承載力，不驗算結(jié)構(gòu)變形及裂縫，且只考慮核爆對結(jié)構(gòu)的一次作用。本工程為核6 級人防地下室，承受的水平方向等效靜荷載標準值可取15kN/m2，相鄰建筑物倒塌產(chǎn)生的垂直方向等效靜荷載可取50kN/m2。計算時，材料強度綜合調(diào)整系數(shù)對于混凝土在C55 及以下時可取γd=1.5，鋼筋采用HRB400 級時可取γd=1.2。鋼材采用Q235 時可取γd=1.5；，焊縫與螺栓應(yīng)取γd=1.0。

棚架柱應(yīng)能承受各方向水平核爆等效荷載，但X、Y 兩個方向等效水平荷載應(yīng)分別計算，不同時作用。鋼筋混凝土柱取X、Y 兩個方向最不利情況對柱進行對稱配筋。鋼柱應(yīng)選用各方向截面特性接近的形狀，可選擇箱型截面柱。棚架柱還需承受棚架梁傳來相鄰建筑物倒塌垂直等效荷載，但垂直等效荷載不與水平等效荷載同時作用，應(yīng)分別計算。

防倒塌棚架主要是為了防止相鄰建筑物倒塌物堵塞人防地下室出入通道，故棚架屋面可只設(shè)置梁不做板，梁與梁之間的間隙不能太大，否則無法阻擋倒塌物落入坡道。屋面也可設(shè)計為現(xiàn)澆梁板體系，因在倒塌等效荷載作用下只需驗算樓板承載力，不驗算樓板的撓度與裂縫，因此樓板在人防荷載作用下可采用塑性設(shè)計法。

圍護結(jié)構(gòu)可優(yōu)先選用輕質(zhì)圍護墻，應(yīng)特別注意的時圍護墻與柱的連接不應(yīng)采用鋼筋拉結(jié)，否則圍護墻所受沖擊波等效荷載會傳至與其拉結(jié)的柱上，導致柱不僅承受自身截面范圍內(nèi)沖擊波等效荷載，還額外承受圍護墻傳來沖擊波荷載，使得柱截面及配筋需要加大。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防倒塌棚架設(shè)計方法及注意事項

方案（二）使用裝配式防倒塌棚架，即棚架平時不存在于坡道出地面段上方，臨戰(zhàn)時再安裝。裝配式防倒塌棚架臨戰(zhàn)時安裝應(yīng)在不使用機械的情況下，即使是非熟練工人也能在規(guī)定的時間內(nèi)安裝完成；裝配式防倒塌棚架所需的預制構(gòu)件應(yīng)隨著人防地下室的建造一起制作完成，不能臨戰(zhàn)時再制作；應(yīng)對每個預制構(gòu)件做好標記，存放于人防地下室的預制構(gòu)件間。裝配式一般可采用預制混凝土構(gòu)件或鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，考慮到預制混凝土柱的重量，以及梁柱節(jié)點的安裝特點，在不使用機械的情況下，很難在短時間內(nèi)完成混凝土預制構(gòu)件的搬運與安裝。所以裝配式防倒塌棚架一般采用更輕便、梁柱通過焊接及螺栓連接即可的裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)防倒塌棚架梁柱通過柱上焊接的牛腿采用螺栓連接，并為鋼柱設(shè)置基礎(chǔ)。計算模型采用懸臂柱加簡支梁。結(jié)構(gòu)計算時所受荷載荷載、驗算要求及計算規(guī)定可參照方案（一）相應(yīng)規(guī)定。

鋼柱基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)計為剛性柱腳。參考圖集05SFG04 第8 頁剛性柱腳主要有三種方案，剛性柱腳構(gòu)造方案（一）（二）為外露式柱腳，柱剛接于地面預埋件，剛性柱腳構(gòu)造方案（三）為內(nèi)埋式柱腳，鋼柱插入杯口基礎(chǔ)內(nèi)。方案（一）適用于柱底端在彎矩和軸力作用下錨栓不出現(xiàn)拉力或拉力較小時，方案（二）適用于柱底端在彎矩和軸力作用下錨栓出現(xiàn)較大拉力時。方案（三）適用于各種情況，但由于杯口基礎(chǔ)壁厚的關(guān)系，有些情況下會占用較多坡道空間，從而影響建筑坡道平面布局。就本工程而言，由于坡道毗鄰主體建筑一側(cè)的側(cè)墻與主樓間空間足夠，故可將基礎(chǔ)設(shè)置在坡道兩邊側(cè)墻的外側(cè)，而不需要設(shè)在坡道內(nèi)側(cè)而占用通道空間。

棚架屋頂分布梁可參照圖集05SFG04［2］采用熱軋輕鋼工10@300 布置。鋼梁通過兩端鉸接于鋼柱，梁上承受垂直等效靜荷載計算確定。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)防倒塌棚架平時存放于人防地下室的預制構(gòu)件間內(nèi)，要等到臨戰(zhàn)時才會安裝。預制構(gòu)件存放時間長、存放環(huán)境較差，對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性要求較高，所以設(shè)計時應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的除銹和涂裝做出特別要求。除銹必須使用機械操作，除銹等級不得低于Sa2，涂裝用的防銹底漆和面漆需與除銹方法相匹配，涂裝次數(shù)及涂層厚度可根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》GB/T 50046-2018 表5.2.3 涂裝周期確定。設(shè)計時應(yīng)明確使用的防腐涂裝產(chǎn)品的保護年限及品質(zhì)要求。

鋼結(jié)構(gòu)裝配式防倒塌棚架在試安裝驗收合格后，平時也可作為建筑附屬區(qū)域內(nèi)的臨時小型建筑物的主體結(jié)構(gòu)使用，但其與基礎(chǔ)的連接即安裝和拆卸應(yīng)是可逆的［3］。

4 采取措施后可不設(shè)置或少設(shè)置防倒塌棚架設(shè)計方法及注意事項

方案（三）從圖a 可看出本工程坡道B 段僅在配電房的倒塌范圍以內(nèi)，其余與B 段距離大于5m 的相鄰建筑的倒塌影響均可不考慮。配電房地上只有一層，考慮到戰(zhàn)時沖擊波影響下，能影響到B 段倒塌物較少，那么本工程可考慮B 段不設(shè)置防倒塌棚架，而僅在A 段設(shè)置。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地面建筑物在核6 級的甲類人防地下室附近時，雖然在核爆的沖擊下會遭到嚴重破壞，但因為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性與延性比較好，其主體結(jié)構(gòu)也不會倒塌。所以對于本工程這種抗力級別相對較低的人防地下室，不需要考慮鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)倒塌，只需考慮毗鄰建筑物圍護墻的倒塌影響。就本工程而言，B 段倒塌影響建筑配電房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，且僅一層，圍護結(jié)構(gòu)較少，所以在采取措施使戰(zhàn)時能堵塞坡道的倒塌物很少的情況下，是可以不考慮倒塌的影響，即可以不用設(shè)置防倒塌棚架。

本工程可采用的措施一是將配電房外墻設(shè)計為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，因為鋼筋混凝土剪力墻的整體性與延性比較好，所以在戰(zhàn)時沖擊波的影響下外墻也不會倒塌，也就可以不考慮其倒塌影響。措施二是在外墻不使用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的情況下可通過加大配電房外墻的開窗面積而減少外墻磚砌塊的使用量。戰(zhàn)時即使外墻倒塌，也可迅速清理坡道倒塌物（主要為玻璃碎片及少量磚塊），不至于堵塞戰(zhàn)時主要出入通道。

采取以上措施后即可只在A 段設(shè)置防倒塌棚架。由于此段防洪擋墻頂至坡道高度達4.3～5.1m，所以有足夠的凈高可將防倒塌棚架屋面直接擱置于防洪擋墻頂面。

5 三種防倒塌棚架方案對比及選擇

對比以上三種方案，方案（一）當棚架設(shè)計為有屋面板時可作為坡道雨棚使用，但會在坡道上方留有永久構(gòu)筑物，影響建筑平立面效果，當建筑不允許或業(yè)主在意此影響時，應(yīng)放棄此方案而選擇方案（二）。選擇方案（二）時應(yīng)特別注意鋼柱基礎(chǔ)對坡道凈寬的影響?；诒竟こ烫攸c，在方案（二）的基礎(chǔ)上優(yōu)化得到方案（三），使得防倒塌棚架的設(shè)置量大幅減少，且利用防洪擋墻支撐棚架，免去了棚架鋼柱及基礎(chǔ)。通過對比，最后本工程選用方案（三），共設(shè)置17 根長度為5.9m的鋼梁（工22b@300），臨戰(zhàn)時焊接于防洪擋墻頂端。

6 結(jié)束語

現(xiàn)代城市建筑越來越密集，用地越來越緊張，防倒塌棚架設(shè)計不僅要能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，也要滿足建筑布局要求。