地下室人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

楊志翠

（山西省人防建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013）

0 引言

近年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市空間愈發(fā)緊張，較多的高層建筑在城市當(dāng)中得到了建設(shè)。在此當(dāng)中，對(duì)于地下空間的利用也是現(xiàn)階段城市建筑業(yè)發(fā)展的重要方向。同時(shí)，為了能夠滿足國(guó)家在人防工程方面的要求，則需要在設(shè)計(jì)當(dāng)中在做好地下室用處考慮的同時(shí)做好荷載問題的考慮，保證防空地下室能夠充分發(fā)揮平戰(zhàn)結(jié)合作用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在人防地下室設(shè)計(jì)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要由2 個(gè)方面內(nèi)容組成：①主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括有外墻、底板與頂板等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。②孔口防護(hù)設(shè)計(jì)，包括有消波系統(tǒng)以及出入口的防護(hù)。其中，對(duì)于出入口的防護(hù)包括有門框墻、人防門選用、計(jì)算臨空墻以及出入口通道計(jì)算等。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要做好以下要求的把握：①在設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要能夠同時(shí)滿足人防地下室平時(shí)、戰(zhàn)時(shí)階段荷載效應(yīng)組合方面要求，做好兼顧。②常規(guī)武器荷載作用在結(jié)構(gòu)壽命期中，要做好一次作用的考慮。其具有作用時(shí)間段以及量值大的特點(diǎn)，是一種偶然性荷載，在發(fā)生作用之后將衰減。同時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件在應(yīng)用中也允許開裂，也能夠以此適當(dāng)?shù)慕档蜆?gòu)件安全度水平[1]。③地面存在的建筑物，對(duì)于武器爆炸以及核爆炸核輻射等都具有一定程度的削弱作用，在具體開展人防設(shè)計(jì)時(shí)要做好該方面的考慮，考慮一定的經(jīng)濟(jì)性。④在人防動(dòng)荷載影響的情況下，材料強(qiáng)度將得到提升，但塑形等變形性能卻具有較小的改變。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以在材料綜合調(diào)整系數(shù)方面進(jìn)行一定的改進(jìn)，以此體現(xiàn)出設(shè)計(jì)需求。⑤在鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以根據(jù)彈塑性開展設(shè)計(jì)工作。超靜定結(jié)構(gòu)方面，可以做好塑形內(nèi)力重分布的考慮。⑥在武器瞬間荷載作用，不會(huì)因地基作用受到破壞而對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成破壞。對(duì)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)則可以不進(jìn)行地基變形與承載力的驗(yàn)算。需要注意的是，在任何情況下都需要能夠按照計(jì)算墻柱傳遞爆炸動(dòng)荷載的方式驗(yàn)算構(gòu)件的驗(yàn)算[2]。

2 荷載取值分析

與普通地下室比較而言，在防空地下室設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的重要內(nèi)容是需對(duì)武器爆炸后形成的動(dòng)荷載作用進(jìn)行考慮。對(duì)于該種荷載來說，是一種偶然性荷載類型，具有作用時(shí)間短、量值大以及衰減的特征。從上部建筑影響角度考慮，如建筑層面在2 層以上，地層外墻需要為砌體承重墻與鋼筋混凝土墻。當(dāng)屋頂為混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在計(jì)算頂板結(jié)構(gòu)時(shí)則需要對(duì)上部建筑對(duì)于沖擊波產(chǎn)生的影響做好考慮。動(dòng)力分析方面，通常情況下將使用到等效靜荷載法。受到動(dòng)荷載作用影響，靜荷載作用下?lián)锨€同結(jié)構(gòu)構(gòu)件振型十分接近。同靜荷載作用相比，動(dòng)荷載狀態(tài)下構(gòu)件也具有基本一致的破壞規(guī)律。對(duì)此，在實(shí)際開展動(dòng)力分析時(shí)，則可以將構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對(duì)單自由度體系的簡(jiǎn)化處理，將動(dòng)荷載峰值同動(dòng)力系數(shù)相乘獲得等效靜荷載。此時(shí)，構(gòu)件在等效荷載狀態(tài)下的內(nèi)力就是荷載狀況下的最大內(nèi)力值。根據(jù)等效荷載實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力分析的模式替代，則能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面獲得較大的便利。在以等效靜荷載方式開展分析時(shí)，為了能夠?qū)沽Ψ矫娴男枨筮M(jìn)行滿足，則需要將材料的綜合調(diào)整系數(shù)同結(jié)構(gòu)材料參數(shù)兩者相乘[3]。

2.1 頂板

在頂板荷載取值方面，需考慮平時(shí)工況和戰(zhàn)時(shí)工況：平時(shí)工況，需考慮頂板的活荷載與靜荷載，要求能夠按照工程日常運(yùn)行開展計(jì)算，做好結(jié)構(gòu)的整體建模處理，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)最大裂縫。戰(zhàn)時(shí)工況，需考慮靜荷載及爆炸等效荷載。對(duì)于該情況，主要是對(duì)頂板梁、頂板在運(yùn)行當(dāng)中所需要承受的豎向荷載做好控制，在計(jì)算時(shí)以第一層為目標(biāo)做好內(nèi)力的計(jì)算，之后以塑性極限法方式的應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算分析，不需要對(duì)裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，也不需要對(duì)荷載不利狀態(tài)的布置情況進(jìn)行計(jì)算[4]。在以上述方式計(jì)算獲得結(jié)果后，則可以經(jīng)過比較選擇其中的較大值。通常來說，防空地下室頂板主要模式有無梁樓蓋與梁板類型。其中，梁板式結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中抗震性能好，也是現(xiàn)階段得到廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。同其相比，無梁樓蓋結(jié)構(gòu)具有交叉的抗震性特征，也需要能夠在處理當(dāng)中做好應(yīng)用把握。如地下室頂板為建筑上部的嵌固部分結(jié)構(gòu)、建筑柱網(wǎng)區(qū)各當(dāng)中長(zhǎng)短跨比例在1.5 以上、頂板標(biāo)高變化較多等情況，則不適合應(yīng)用該種方式。但該方式也具有一定的優(yōu)點(diǎn)，即施工便利、難度較低，整體結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單，工期短。在現(xiàn)今人防地下室建設(shè)中，具有較大的荷載取值，因此在施工中帶來不便，包括有混凝土澆筑難度較大等，也可能導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生。同時(shí)，這兩種方式在應(yīng)用造價(jià)方面差距不是很大，但在無梁樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，在地下室埋設(shè)層高與深度方面更低，也因此使其能夠更好地控制工程成本[5]。

2.2 墻體

在人防地下室設(shè)計(jì)中，墻體由密閉隔墻、外墻、防護(hù)單元隔墻與臨空墻組成，其中，密閉隔墻不需要計(jì)算核武器、常規(guī)武器爆炸的水平荷載，當(dāng)計(jì)入頂板傳來的豎向等效靜荷載時(shí)，密閉隔墻可按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，一般構(gòu)造配筋即可。在戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)下，爆炸會(huì)使臨空墻受到來自水平方向的荷載，當(dāng)計(jì)入頂板傳來的豎向等效靜荷載時(shí)，臨空墻可按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算；也可不計(jì)入豎向荷載，臨空墻近似按單向板或雙向板為計(jì)算模型，墻體下端固定，上端需要結(jié)合頂板剛度進(jìn)行簡(jiǎn)支或者固端處理，一般當(dāng)頂板厚度小于墻體厚度，按上端簡(jiǎn)支處理，當(dāng)頂板厚度不小于墻體厚度，按照固端處理。門框墻是一種開孔口臨空墻，在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中，需要能夠?qū)⑺闹茏鳛閼冶哿阂元?dú)立的方式開展計(jì)算。當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度同孔口邊長(zhǎng)1/2 相比較大時(shí)，則需要在孔口位置設(shè)計(jì)立柱或者橫梁。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常會(huì)以單獨(dú)構(gòu)件的方式計(jì)算墻體，在實(shí)際開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，則需要能夠做好周邊構(gòu)件同墻體彎矩協(xié)調(diào)狀態(tài)的細(xì)致處理，強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造鋼筋，以此實(shí)現(xiàn)建筑在防護(hù)質(zhì)量方面具有好的表現(xiàn)[6]。

2.3 柱與基礎(chǔ)

在人防地下室設(shè)計(jì)中，在靜荷載影響下，柱的承載力會(huì)根據(jù)使用材料強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化，能夠提升最大1.5 倍。在戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)當(dāng)中，不需要考慮柱的活荷載，在平時(shí)狀態(tài)中，上層建筑所累積的活荷載同人防等效靜荷載相比較大。獨(dú)立基礎(chǔ)底板方面，在處于非飽和土的情況下，則需要以一般要求開展設(shè)計(jì)活動(dòng)，需要能夠以此為基礎(chǔ)做好人防等效靜荷載作用的結(jié)合，提升建筑材料強(qiáng)度，在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度[7]。

2.4 確定人防荷載

在設(shè)計(jì)防空地下室結(jié)構(gòu)時(shí)，最需要考慮的一項(xiàng)問題即抵抗戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下的空氣沖擊波。一般情況下，地下室頂板在該狀況下需要直接受到地上沖擊波超壓、負(fù)壓作用的影響。地板、側(cè)壁方面，沖擊波存在也會(huì)對(duì)地產(chǎn)生壓力，使得地面在受壓迫的情況下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，建筑上層土體也會(huì)受到壓迫影響向下傳遞較大的壓力。對(duì)于壓力在土體當(dāng)中從上到下傳遞的過程，即是土中壓縮波的傳播過程。在此當(dāng)中，如果該壓縮波受到建筑結(jié)構(gòu)如側(cè)壁、地板的阻攔，則將會(huì)形成負(fù)壓、超壓等情況，作為設(shè)計(jì)人員，需要能夠?qū)Φ装濉?cè)壁的荷載情況進(jìn)行充分考慮[8]。

在具體設(shè)計(jì)工作中，需要能夠嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求明確地下室的抗力級(jí)別，規(guī)范查表、強(qiáng)化計(jì)算，做好確定無樁基底板、頂板的人防荷載。在此當(dāng)中，在具體人防荷載構(gòu)建時(shí)，對(duì)于武器的爆炸動(dòng)荷載作用要以大值的方式強(qiáng)化控制。在受到動(dòng)荷載作用影響的情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)建振型在靜荷載情況下具有相似的撓曲線，且兩者結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有相近的破壞規(guī)律，作為設(shè)計(jì)人員，需要能夠做好等效靜荷載方式的使用，在對(duì)不同構(gòu)件等效靜荷載值完成確定后，再進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算工作。

3 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 局部地下室

在局部地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，作為設(shè)計(jì)人員可以在需要計(jì)算房間做好人防荷載的施加，而對(duì)于不需要計(jì)算荷載的房間，則可以通過人防荷載為零的方式進(jìn)行處理。相關(guān)程序在計(jì)算當(dāng)中，構(gòu)件將形成人防工況效應(yīng)。對(duì)于存在人防參與的組合，在實(shí)際設(shè)計(jì)配筋時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)的執(zhí)行，調(diào)整最小配筋率。而對(duì)于人防荷載不參與組合的情況，程序則不會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度調(diào)整次數(shù)進(jìn)行執(zhí)行，也不會(huì)調(diào)整最小的配筋率。局部人防結(jié)構(gòu)方面，對(duì)于同人防荷載相比具有較遠(yuǎn)位置的構(gòu)件，雖然在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)已經(jīng)對(duì)人防組合進(jìn)行了考慮，但在人防參與的情況下，所計(jì)算的配筋面積并非是最大的，不會(huì)在此當(dāng)中起到控制的作用[9]。

3.2 外墻設(shè)計(jì)

在防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，外墻參與組合的荷載包括有上部建筑自重、水壓力、等效靜荷載、地面活荷載、外墻自重與土壓力等。外墻配筋方面，主要是由同墻面垂直水平荷載形成的彎矩所決定的，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常不需要對(duì)豎向荷載的組合壓彎作用進(jìn)行考慮，單純根據(jù)墻板彎曲做好配筋的計(jì)算即可。地下室外墻方面，也可以結(jié)合支承情況以單向板、雙向板的方式對(duì)荷載彎矩進(jìn)行計(jì)算。在地下室當(dāng)中，具有不等的墻間距，對(duì)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中則需要能夠?qū)⒒A(chǔ)底板、樓板作為外墻支點(diǎn)開展計(jì)算。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于外墻可以應(yīng)用連續(xù)梁模型做好對(duì)內(nèi)力的計(jì)算，在外排位置設(shè)置外側(cè)豎向筋。同頂板較為相似，對(duì)于處于外墻外側(cè)位置的豎向筋，也可以按照非貫通筋同貫通筋交錯(cuò)的方式進(jìn)行布置。在外墻選筋時(shí)，可以按照細(xì)直徑與大密度間距的方式進(jìn)行處理，保證最大間距在200mm 以內(nèi)，這對(duì)于裂縫控制具有十分積極的意義[10]。

3.3 底板設(shè)計(jì)

對(duì)于無樁基底板，當(dāng)反力沒有對(duì)水的浮力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，人防荷載則不會(huì)同水壓力進(jìn)行組合。在地基反力中將水浮力計(jì)算到其中時(shí)，則需要做好水壓力同人防荷載的組合。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于無樁基底板，可以使用專門的電算軟件分析內(nèi)力，而對(duì)于存在樁基的底板，則可以根據(jù)定量板類似建模，根據(jù)倒樓蓋算法進(jìn)行處理。在軟件使用中，可以在有限元計(jì)算中做好上部結(jié)構(gòu)人防荷載的讀取。在實(shí)際工作當(dāng)中，需要做好多層與局部人防情況的考慮。以JCCAD 軟件為例，在筏板有限元與基礎(chǔ)梁板彈性地基計(jì)算模塊中即可以計(jì)算基礎(chǔ)人防。在程序當(dāng)中，可以將頂板等效靜荷載作為荷載進(jìn)行輸入與計(jì)算，將其同在基礎(chǔ)連接樓面房間均布面荷載做好作用考慮，以樓面荷載導(dǎo)算的方式在墻體構(gòu)件、人防荷載作用中進(jìn)行處理。在具體計(jì)算基礎(chǔ)時(shí)，可以做好這部分墻、柱人防荷載的讀取。同時(shí)，可以在基礎(chǔ)底面位置反向作用底板等效荷載[11]。

4 結(jié)構(gòu)細(xì)化配合

在具體進(jìn)行人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，做好設(shè)計(jì)的配合細(xì)化處理也十分關(guān)鍵，這也將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。具體來說，需要能夠做好以下方面內(nèi)容的把握：①細(xì)化人防方案。在做好方案制定的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合其他專業(yè)要求做好對(duì)方案的細(xì)化處理。要以使用功能為基礎(chǔ)，根據(jù)一定面積在防護(hù)單元中做好對(duì)抗爆單元的劃分。以人防口部位置的設(shè)計(jì)為例，這是人防工程當(dāng)中地表同地下室主體連接的位置，包括有進(jìn)排風(fēng)口、人員出入口與物資出入口等。在要求當(dāng)中，需要保證甲類防空地下室主要出入口通道的出地面段（即無防護(hù)頂蓋段），所處位置宜在地面建筑的倒塌范圍之外，但如果受到實(shí)際條件的限制與影響，必須在倒塌范圍內(nèi)設(shè)置，則需要在出地面段做好防倒塌棚架的設(shè)置。同時(shí)，在戰(zhàn)時(shí)階段地面建筑也有較高的概率發(fā)生火災(zāi)，將在短時(shí)間內(nèi)大量增加有毒有害的氣體，如果人防工程的密閉性不好，則將直接對(duì)內(nèi)部人員造成傷害，在人防工程當(dāng)中形成人員無法忍受的熱環(huán)境。對(duì)此，即需要在實(shí)際設(shè)計(jì)口部位置時(shí)做好密閉性的強(qiáng)調(diào)控制，如果確實(shí)需要也可以犧牲一定的采光與通風(fēng)，這也可以說是不可避免的一種處理情況[12]。②強(qiáng)化專業(yè)配合。要在設(shè)計(jì)當(dāng)中做好不同專業(yè)的兼顧，積極做好內(nèi)部矛盾的解決與處理，在內(nèi)部做好優(yōu)化設(shè)計(jì)。如可以結(jié)合掩蔽人數(shù)情況對(duì)密閉通道以及防護(hù)密閉門的寬度進(jìn)行縮小，以此起到成本控制的作用。對(duì)于在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中的不同管井，也需要做好位置的隱蔽處理，要避開人員經(jīng)常出入的場(chǎng)。③做好后續(xù)控制。這也可以說是經(jīng)常被忽視的一項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)于人防工程來說，其自身具有一定的特殊性、密閉性、隱蔽性，在實(shí)際施工中，經(jīng)常存在沒有做好細(xì)節(jié)處理或者沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工的情況。在施工中與施工后，工作人員需要能夠強(qiáng)化對(duì)該方面的檢查，確保建筑情況能夠符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)于不同環(huán)節(jié)的工作落實(shí)做好監(jiān)督。在此當(dāng)中，也需要能夠做好設(shè)計(jì)資料的保密處理，嚴(yán)禁發(fā)生資料外泄的情況，最大限度保障項(xiàng)目安全。

5 常見問題控制

5.1 科學(xué)布置結(jié)構(gòu)

在具體人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要能夠充分結(jié)合功能需求做好對(duì)結(jié)構(gòu)的合理布置。同時(shí)，也需要能夠科學(xué)建立計(jì)算模型，充分實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)合，做好設(shè)計(jì)參數(shù)的選用，同時(shí)做好軟件參數(shù)的調(diào)整，以此才能夠保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性方面具有好的表現(xiàn)。

5.2 地下室凈高

在平時(shí)運(yùn)行狀態(tài)中，地下室主要作為地下商場(chǎng)、游樂設(shè)施與車庫(kù)使用，平時(shí)應(yīng)用具有較小的荷載，且在空間方面具有一定的需求。在人防作戰(zhàn)當(dāng)中，在面對(duì)到來的襲擊時(shí)，則需要成為能夠保障人民安全的建筑物，具有功能的特殊性，將承受到幾十倍甚至上百倍的荷載，密閉性方面的要求較高，需要對(duì)直通外部的孔口進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s小與減少。功能特殊情況的存在，對(duì)層高具有較高的要求，也因此對(duì)施工便利性產(chǎn)生了影響。在部分設(shè)計(jì)當(dāng)中，會(huì)存在應(yīng)用反梁的方式處理，但該方式將使得地下室頂板具有著復(fù)雜的排水方式，也使得不同專業(yè)在施工中具有一定的矛盾，如何對(duì)不同狀態(tài)的使用要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，則成為現(xiàn)今設(shè)計(jì)當(dāng)中需要重點(diǎn)考慮的一項(xiàng)問題。對(duì)于該問題，因人防在抗力方面具有著較高的要求，則可以對(duì)無梁樓蓋類型進(jìn)行使用，也正是地下室設(shè)計(jì)的首選樓板類型。但近幾年無梁樓蓋在實(shí)際工程中，經(jīng)常因?yàn)樵陧敯宥演d問題而出現(xiàn)坍塌事件，給大眾心理帶來一定的恐慌，因此采用這種結(jié)構(gòu)形式仍需慎重。

6 結(jié)語(yǔ)

人防工程是現(xiàn)階段我國(guó)城市發(fā)展當(dāng)中的重要組成部分，對(duì)于人們生活以及緊急狀況下的生命安全都具有重要的作用。在上文中，我們對(duì)地下室人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究。對(duì)于人防工程設(shè)計(jì)這項(xiàng)工作來說，不僅需要做好基礎(chǔ)功能性的解決，還需要做好給排水、通風(fēng)、結(jié)構(gòu)與電氣之間的協(xié)調(diào)配合以及建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證工程在平時(shí)階段具有合理、經(jīng)濟(jì)與舒適的特點(diǎn)，而在戰(zhàn)時(shí)階段則需要具有安全、便捷的特征。對(duì)此，作為設(shè)計(jì)人員則需要在普通建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做好人防地下室設(shè)計(jì)特點(diǎn)的把握，在不斷實(shí)踐總結(jié)的情況下進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)水平，掌握人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，從多方面入手提升設(shè)計(jì)水平，最大限度保證人防地下室的功能發(fā)揮作用。