人防工程設(shè)計要點研究與案例分析

摘 要：人防工程作為建筑設(shè)計中的重要組成部分，在戰(zhàn)時條件下具有較高的重要性。為進一步提高建筑工程中人防工程設(shè)計質(zhì)量，本文以實際工程為研究對象，分析了傳統(tǒng)人防工程設(shè)計方法與過程，并采用有限元方法對設(shè)計內(nèi)容進行優(yōu)化分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計方案改善了傳統(tǒng)設(shè)計方案過于保守、經(jīng)濟性較差的缺點。此外，本文還通過有限元方法分析了戰(zhàn)時荷載下臨空墻鋼筋受力與混凝土開裂變形的協(xié)同規(guī)律。本文的研究內(nèi)容可為工程實踐提供理論和數(shù)據(jù)支持，具有一定現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：人防工程；人防設(shè)計；案例分析；地下結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU 984 文獻標(biāo)志碼：A

0 研究背景

某高層住宅小區(qū)共3棟高層住宅建筑，3棟高層建筑均為地上12層，地下1層，建筑地上高度為34.15m，地下車庫高3.6m，高層住宅建筑的地上部分采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，地下車庫部分采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為樁基礎(chǔ)。建筑抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級為二級，安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50a。按照相關(guān)要求，本工程應(yīng)設(shè)置約3300m2的防空地下室。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，按照可能受到的空襲威脅，本工程為甲類防空工程設(shè)計，即需要考慮常規(guī)武器、生化武器以及核武器保障的防護，經(jīng)核算，本工程地下室防護等級為核6級，平時為地下車庫，戰(zhàn)時為二等人員遮蔽所。車庫剖面如圖1所示。

1 人防工程設(shè)計案例

1.1 荷載取值

應(yīng)根據(jù)爆炸荷載特點設(shè)計人防地下室出入口、結(jié)構(gòu)特征、防護設(shè)備，確保各個部位在動荷載作用下的抗力相協(xié)調(diào)，避免因局部破壞而影響整體結(jié)構(gòu)的隱蔽性[1-2]。其荷載取值也要根據(jù)工程特點和戰(zhàn)時情況進行確定。針對研究背景的工程特點，在戰(zhàn)時條件下，本工程中各部位荷載選取的等效靜荷載取值見表1。

本工程人防地下室中混凝土標(biāo)號為C30，主要鋼筋采用HRB335，在考慮戰(zhàn)時爆炸動荷載的情況下，根據(jù)上文所使材料強度調(diào)整后，混凝土可近似按照C45考慮，鋼筋可近似按照HRB400進行考慮[3]。在此情況下，按照公式（1）計算各部位戰(zhàn)時荷載，計算得到各部位戰(zhàn)時荷載見表2。

式中：qz為戰(zhàn)時荷載；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1；γG為永久荷載分布系數(shù)；SGK為永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；γQ為等效靜載分項系數(shù)；SQK為等效靜載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 構(gòu)件設(shè)計

人防地下室作為平時地下車庫和戰(zhàn)時人員遮蔽所，要遵循“長期準(zhǔn)備、重點建設(shè)、平戰(zhàn)結(jié)合”的設(shè)計原則，堅持人防建設(shè)與城市建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展相結(jié)合的發(fā)展模式，針對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)遵循“墻柱弱梁”和“強剪弱彎”的設(shè)計原則[4]。人防工程作為平時地下結(jié)構(gòu)與戰(zhàn)時遮蔽所，與一般地下室相比，在設(shè)計過程中還需要考慮相應(yīng)武器爆炸所產(chǎn)生的動荷載。以武器爆炸為例，其產(chǎn)生的動荷載具有當(dāng)量大、作用時間短、衰減快等特點，屬于偶然荷載，針對該類型的荷載，防空地下室的動力分析需要采用將結(jié)構(gòu)拆分為單個構(gòu)件并采用等效靜荷載法進行動力分析的方法，結(jié)構(gòu)承載力計算公式如下。

在人防結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在動荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面的抗剪承載力如公式（2）所示[5]。

其中，R如公式（3）所示。

式中：R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計值；fyd為鋼筋（鋼材）動力強度設(shè)計值；fcd為混凝土動力強度設(shè)計值；ak為幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

此外，針對防空地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，要求當(dāng)板的橫向伸長被約束時，跨中截面的計算彎矩對梁板結(jié)構(gòu)的折減系數(shù)為0.7，對無量樓蓋的折減系數(shù)為0.9，承載力驗算時，混凝土及砌體結(jié)構(gòu)在動荷載強度下的設(shè)置值應(yīng)折減0.8。動荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面的抗剪承載力如公式（4）所示。

式中：V為受彎構(gòu)件斜截面最大剪力設(shè)計值；h為梁截面高度；ftd為混凝土軸心抗拉動力強度設(shè)計值；b為梁截面寬度；ftd為箍筋抗拉動力強度設(shè)計值；A為同一截面下箍筋全部截面面積；s為構(gòu)件長度方向的箍筋間距。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，人防地下室構(gòu)件材料強度應(yīng)符合表3的要求。除表1的要求外，防空地下室還要避免硅酸鹽磚塊和硅酸鹽砌塊，在嚴寒地區(qū)，要保證砌體結(jié)構(gòu)強度大于MU20，混凝土墊層強度應(yīng)大于C15。

針對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件防滲要求，主要與工程埋深有關(guān)，當(dāng)埋深小于10m時，抗?jié)B等級為P6，當(dāng)埋深為10m～20m時，抗?jié)B等級為P8，當(dāng)埋深為20m～30m時，抗?jié)B等級為P10，當(dāng)埋深為30m～40m時，抗?jié)B等級為P12。針對混凝土保護層厚度，防空地下室的縱向受力鋼筋根據(jù)位置的不同確定不同的保護層厚度，一般需要設(shè)置大于20mm，且防空地下室的相應(yīng)防護單元不應(yīng)設(shè)置伸縮縫。由于防空地下室承受爆炸荷載作用，因此其受力鋼筋配筋率根據(jù)部位不同以及混凝土等級不同進行設(shè)置，一般受壓構(gòu)件的全部縱向鋼筋的配筋率應(yīng)大于0.6，受彎構(gòu)件、偏心受壓受拉構(gòu)件配筋率一般大于0.25。除此之外，針對箍筋、拉筋等均有相關(guān)規(guī)范對其進行規(guī)定。

按照表2所示的荷載計算值，通過公式（2）對外墻、臨空墻等位置進行設(shè)計計算，并采用靜力分析對設(shè)計內(nèi)容進行驗證。最終通過靜力分析得到設(shè)計外墻厚度為350mm，鋼筋公稱直徑為16mm，頂板高度為300mm，荷載位置實際配筋率為0.48%，針對非荷載位置的鋼筋則按照配筋率大于0.25%的要求進行設(shè)計，最終實際配筋率為0.30%。臨空墻厚度為350mm，荷載位置實際配筋率為0.52%。

2 人防設(shè)計優(yōu)化分析

2.1 分析模型的建立

傳統(tǒng)設(shè)計方法是將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)，并以結(jié)構(gòu)簡圖的形式施加荷載進行內(nèi)力分析，隨后通過截面選取的方式進行校核。該方法簡單易操作，以結(jié)構(gòu)安全性為主，往往會造成設(shè)計余量過多、經(jīng)濟效益較差的不良后果[6]。隨著計算機技術(shù)不斷革新，有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）因其具有高效性、計算能力較強、能夠充分考慮空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，在土木工程設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在應(yīng)力應(yīng)變分析、變形規(guī)律研究、破壞模式等方面[7]?；诖耍疚脑趥鹘y(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上采用有限元法對結(jié)構(gòu)進行進一步分析，以達到設(shè)計優(yōu)化的目的。

本文對案例中的人防地下室外墻和臨空墻進行分析計算，其中鋼筋材料特性采用雙線性彈塑性模型（plastic-bilinear），混凝土采用材料非線性方程。計算過程采用全牛頓迭代法（full newton iteration method）作為非線性靜力求解方法。根據(jù)前文所述設(shè)計結(jié)構(gòu)，并對其進行一定程度的簡化，以降低計算壓力，提高計算效率，最終使用有限元分析軟件建立模型如圖2所示。本文建立的模型共有33826個域單元、20575個邊界單元和1554個邊單元。

材料屬性中混凝土強度等級為C30，彈性模量設(shè)置為3×1010Pa，泊松比為0.2，單軸抗壓強度為2.0×107Pa，單軸抗拉強度為2.0×106Pa。鋼筋強度等級為HRB400，彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為4×108Pa。戰(zhàn)時承載力荷載設(shè)置為頂板處62.15kN/m2，底板處荷載為135.14kN/m2。

2.2 外墻優(yōu)化分析

分別選取公稱直徑為14mm和16mm的HRB400鋼筋參數(shù)帶入計算分析，得到如圖3所示的外墻部分鋼筋結(jié)構(gòu)戰(zhàn)時承載力關(guān)系曲線。以線性擬合的方式對2種直徑下的時間及拉應(yīng)力關(guān)系進行擬合，擬合后的R2分別為0.99701和0.99555，說明擬合度較高，二者呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。在進行計算分析的6個時間節(jié)點中，隨著時間變化，鋼筋結(jié)構(gòu)承受的拉應(yīng)力呈線性變化。同時，2種鋼筋類型的擬合曲線斜率不同，14mm時的斜率明顯大于16mm，說明16mm具有更好的承載能力，在戰(zhàn)時荷載的作用下，其抗拉表現(xiàn)更出色。14mm公稱直徑下，在6個時間節(jié)點中的最大拉應(yīng)力為205.34MPa，與16mm時的最大拉應(yīng)力164.59MPa相比，增長了約24.76%，但仍未到達鋼筋的屈服強度，說明14mm的鋼筋足以滿足設(shè)計需求。

此外，還對鋼筋混凝土在戰(zhàn)時荷載下的裂縫發(fā)展情況進行分析，分析表明2種公稱直徑下的鋼筋及其配套的混凝土相關(guān)參數(shù)在上述計算步驟中的前5個時間節(jié)點中均未出現(xiàn)裂縫，在第6個時間節(jié)點中均出現(xiàn)了底端外側(cè)裂縫，開裂情況基本一致，說明2種公稱直徑的鋼筋在裂縫控制和發(fā)育中并未存在明顯差異。同時，分析了第6個時間節(jié)點的墻體位移變化，位移最大值發(fā)生在墻體中部，位移方向指向墻體內(nèi)側(cè)。該位移形式及方向主要是在外部土體壓力作用下所產(chǎn)生的。最大位移并未超預(yù)警值，說明設(shè)計內(nèi)容均能滿足設(shè)計使用需求。

2.3 臨空墻優(yōu)化分析

臨空墻作為人防設(shè)計的重點內(nèi)容，本文主要分析了其在戰(zhàn)時荷載作用下，內(nèi)部鋼筋隨荷載時間變化的拉應(yīng)力變化情況，分別分析14mm公稱直徑下的鋼筋在上述6個時間節(jié)點下鋼筋所受拉應(yīng)力隨時間的變化情況，如圖4所示。與外墻部分不同的是，臨空墻在戰(zhàn)時荷載作用下拉應(yīng)力隨時間呈指數(shù)型變化，分別對其進行指數(shù)擬合，擬合得到的R2分別為0.99184和0.99059，說明擬合度較高，二者呈明顯的指數(shù)關(guān)系。

由圖4可知，在前4個時間點，縱向與水平鋼筋之間所受的拉應(yīng)力并未出現(xiàn)明顯變化，但相較于前幾個時間點，拉應(yīng)力增長量較大，結(jié)合模型所示位移變化情況可知，在該時間點，荷載部位、底板、大門柱位置出現(xiàn)少量裂縫，且隨著時間的發(fā)展裂縫開始逐漸加劇并蔓延。第6個時間點時側(cè)面非承載側(cè)墻位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，主要呈現(xiàn)對角線分布，整個墻體變形量較大，最大變形量為2.35mm。臨空墻結(jié)構(gòu)在戰(zhàn)時荷載作用下，裂縫發(fā)育較明顯，裂縫的發(fā)育也進一步加劇鋼筋拉應(yīng)力，且隨著裂縫的發(fā)展水平鋼筋比豎向鋼筋更趨近獨立工作狀態(tài)。而計算得到的墻體鋼筋最大拉應(yīng)力值為281.11MPa，遠小于480MPa的屈服強度值，說明公稱直徑為14mm的鋼筋能夠滿足設(shè)計和使用需求。

3 結(jié)語

本文采用傳統(tǒng)設(shè)計方法和有限元分析方法分別對人防地下室設(shè)計及優(yōu)化內(nèi)容進行研究，研究所得結(jié)論如下。1）分析了人防地下室傳統(tǒng)設(shè)計過程中的荷載取值，承載力計算關(guān)鍵技術(shù)，并對研究背景的荷載取值和最終設(shè)計成果進行了簡要分析。2）采用有限元方法對設(shè)計內(nèi)容進行優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明，人防地下室結(jié)構(gòu)外墻的鋼筋材料存在一定優(yōu)化空間，優(yōu)化后仍能滿足設(shè)計要求。同時，分析了臨空墻鋼筋受力變化情況與墻體裂縫發(fā)育情況。本文研究內(nèi)容為今后的工程實踐提供理論支持和指導(dǎo)。

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