防空地下室主要構(gòu)件的計(jì)算方法

潘紅艷

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原030024)

依據(jù)《中華人民共和國人民防空法》的要求，城市新建民用建筑應(yīng)按照國家和省市有關(guān)規(guī)定修建地下防空工程。城市建筑一般設(shè)置平戰(zhàn)結(jié)合的防空地下室，包括主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)兩部分。因防空地下室管線較多，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面較大，層高較高，經(jīng)常超出國家標(biāo)準(zhǔn)圖集[1]的適用范圍，需要設(shè)計(jì)人員手算各人防構(gòu)件的內(nèi)力和配筋。但現(xiàn)有的規(guī)范規(guī)程、設(shè)計(jì)手冊[2-5]和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件并沒有明確規(guī)定各個(gè)構(gòu)件的計(jì)算方法。這種設(shè)計(jì)依據(jù)的短缺，造成現(xiàn)階段人防工程的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和計(jì)算模型不統(tǒng)一，設(shè)計(jì)結(jié)果差異較大。本文就人防工程設(shè)計(jì)中常遇到的人防構(gòu)件的荷載取值、計(jì)算模型、內(nèi)力分析和截面設(shè)計(jì)等做簡單的介紹(尤其是設(shè)計(jì)中爭議最多的門框墻)，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 門框墻計(jì)算

1.1 加強(qiáng)梁(柱)設(shè)置原則

本省人防工程的主要設(shè)計(jì)依據(jù)為GB 50038人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[2]和國標(biāo)設(shè)計(jì)圖集FG01～05防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。

根據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)[2]的規(guī)定：門框墻支撐鋼筋混凝土平板防護(hù)密閉門時(shí)，當(dāng)上擋墻和側(cè)擋墻的懸挑長度大于1/2倍該邊邊長時(shí)，宜在門洞邊設(shè)加強(qiáng)梁或加強(qiáng)柱；否則，可直接按懸挑構(gòu)件法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)圖集[1]所列的常用門框類型可以看出，墻體設(shè)加強(qiáng)梁和加強(qiáng)柱時(shí)，并非完全按照國標(biāo)的規(guī)定進(jìn)行，還需考慮門洞大小及層高等因素。如：1)圖集中的MK0608，因門洞較小，上擋墻(側(cè)擋墻)懸挑長度大于洞寬(洞高)的1/2倍而未設(shè)加強(qiáng)梁(柱)。2)圖集中的MK3025，上擋墻的高度是由層高確定的，詳見表1。

表1 國標(biāo)圖集中加強(qiáng)梁(柱)設(shè)置原則匯總表

綜上所述，側(cè)擋墻長度大于1 000或大于門洞高度的1/2倍時(shí)設(shè)加強(qiáng)柱。單扇鋼筋混凝土門上擋墻長度大于600 mm或門洞寬度的1/2倍時(shí)設(shè)加強(qiáng)梁，雙扇鋼門均設(shè)置加強(qiáng)梁。常見的門框墻種類見圖1。

1.2 計(jì)算方法

國標(biāo)圖集中門框墻上等效靜荷載的傳遞原則為“作用在鋼筋混凝土門扇上的等效靜荷載按雙向受力形式傳給四周的擋墻；作用在鋼制雙扇門上的等效靜荷載按單向受力形式傳給上擋墻和下門檻；防護(hù)密閉門上擋墻設(shè)加強(qiáng)梁，側(cè)擋墻設(shè)加強(qiáng)柱時(shí)，相鄰臨空墻上直接作用的等效靜荷載按雙向受力形式傳給加強(qiáng)梁和加強(qiáng)柱”。

門框墻可分割為側(cè)擋墻、門檻、上擋墻、加強(qiáng)柱和加強(qiáng)梁等單一構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1Ⅰ型門框墻計(jì)算

Ⅰ型門框墻可拆成上擋墻和側(cè)擋墻，按懸挑構(gòu)件法計(jì)算：

(1)

V=qi+qel2

(2)

其中，qi為門扇傳來的等效靜荷載；qe為直接作用在門框墻上的等效靜荷載；l1為qi作用點(diǎn)至懸臂根部的距離，其值為門框墻懸挑長度l減去1/3門扇搭接長度；l2為qe作用在門框墻上的分布寬度，其值為門框墻懸挑長度l。

1.2.2Ⅲ型門框墻計(jì)算

Ⅲ型門框墻可分成側(cè)擋墻、門檻、上擋墻、加強(qiáng)梁和加強(qiáng)柱等構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)等效靜荷載的取值。目前，關(guān)于設(shè)置加強(qiáng)梁(柱)后的上(側(cè))擋墻人防等效靜荷載的取值各文獻(xiàn)表述不一，文獻(xiàn)[6]中認(rèn)為“設(shè)加強(qiáng)梁(柱)的上(側(cè))擋墻按照臨空墻取值；未設(shè)加強(qiáng)梁(柱)的上(側(cè))擋墻按照門框墻取值。”究其原因，文獻(xiàn)[7]分析如下：“現(xiàn)行國標(biāo)4.6.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件密閉要求越高，延性比越低，等效靜荷載則應(yīng)越大。當(dāng)上(側(cè))擋墻設(shè)加強(qiáng)梁(柱)后，加強(qiáng)梁(柱)變成了門框的支點(diǎn)，使得上(側(cè))擋墻的延性比增大”,見表2。

表2 直接作用在門框墻構(gòu)件上的等效靜荷載qe取值

2)上擋墻計(jì)算。設(shè)加強(qiáng)梁時(shí)，上擋墻按雙向受力板計(jì)算[7]。目前各文獻(xiàn)對其邊界條件規(guī)定有：四邊簡支板；橫向單向板；有限元法進(jìn)行分析。鑒于國標(biāo)對此沒有規(guī)定；筆者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)四周構(gòu)件的剛度大于上擋墻的剛度時(shí)定為固結(jié)，否則為鉸接。而剛度的大小一般如下規(guī)定：頂板面內(nèi)剛度很大，為固結(jié)；支撐墻的厚度不小于板的厚度時(shí)為固結(jié)，否則為鉸接。加強(qiáng)梁一般截面較小，按鉸接考慮；加強(qiáng)柱邊為連續(xù)板，為固結(jié)，見表3。

表3 上擋墻邊界條件

根據(jù)表3確定邊界后，求出板的彎矩值，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對其進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，或按下面的簡化公式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

As=M/0.9fyh0

(3)

3)加強(qiáng)梁計(jì)算。加強(qiáng)梁的計(jì)算簡圖見圖2。計(jì)算時(shí)單個(gè)門扇的寬(c)按照門洞的凈寬(B)加200 mm確定。

其中，q1為梁寬范圍內(nèi)qe引起的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q2為上擋墻范圍內(nèi)qe引起的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q3為密閉門門扇傳來的單位長度標(biāo)準(zhǔn)值，按現(xiàn)行國標(biāo)4.7.5和4.8.7條計(jì)算；h為加強(qiáng)梁的寬度；l0為加強(qiáng)梁的計(jì)算跨度。

目前各文獻(xiàn)對加強(qiáng)梁的計(jì)算跨度和邊界條件規(guī)定不統(tǒng)一[7]：取凈跨加200 mm為計(jì)算跨度，兩端固結(jié)；取凈跨為計(jì)算跨度，兩端固結(jié)；凈跨的1.05倍為計(jì)算跨度，兩端固結(jié)；國標(biāo)圖集[1]無計(jì)算方法，但上擋梁的兩側(cè)均為④號筋，故兩端固結(jié)。

筆者認(rèn)為，其實(shí)加強(qiáng)梁本質(zhì)上還是梁，計(jì)算跨度l0取l和1.05ln中的較大值。計(jì)算各荷載引起的內(nèi)力，并根據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)4.10.2條對上述內(nèi)力進(jìn)行組合。

4)側(cè)擋墻計(jì)算。設(shè)加強(qiáng)柱時(shí)，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的單雙向板進(jìn)行計(jì)算。邊界條件如表4所示。

表4 側(cè)擋墻邊界條件

5)加強(qiáng)柱計(jì)算。加強(qiáng)柱的計(jì)算簡圖見圖3。計(jì)算時(shí)單個(gè)門扇的寬(b)按照門洞的凈高(A)加200 mm確定。

加強(qiáng)柱在設(shè)計(jì)時(shí)一般橫著放，按梁計(jì)算，故計(jì)算跨度l0按l和1.05ln中的較大值取用，兩端固結(jié)。

其中，q1為柱寬范圍內(nèi)qe引起的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q2為側(cè)擋墻范圍內(nèi)qe引起的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值；q3為密閉門門扇傳來的單位長度標(biāo)準(zhǔn)值，按現(xiàn)行國標(biāo)4.7.5和4.8.7條計(jì)算；q4為上擋墻上的qe引起的線荷載；F為加強(qiáng)梁上荷載傳來的集中荷載；d為加強(qiáng)柱的寬度；l0為加強(qiáng)柱的計(jì)算跨度。

2 人防外墻計(jì)算

人防外墻中的側(cè)壓力由地面荷載、地下水位以上土側(cè)壓力、地下水位以下土側(cè)壓力、水壓力及人防等效靜荷載引起，其計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4中,q1為地面均布荷載引起的土側(cè)壓力；q2,q3分別為地下水位上下土層引起的土側(cè)壓力；q4為地下水引起的側(cè)壓力；q5為人防等效靜荷載引起的側(cè)壓力。

根據(jù)《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.9.2，4.9.3及4.10.2對其進(jìn)行組合。

3 臨空墻和防護(hù)單元隔墻計(jì)算

人防臨空墻及不同防護(hù)單元隔墻常見的計(jì)算模型有以下幾種：

1)取1 m寬墻體為計(jì)算單元，上端鉸接，下端固接。

2)取1 m寬墻體為計(jì)算單元，兩端固接。

3)以整片墻為雙向板計(jì)算，上邊界簡支，其他三邊固接。

4)以整片墻為雙向板計(jì)算，四邊固定。

以上各模型中有2個(gè)問題需要解決：計(jì)算單元怎么取，邊界條件怎么確定。

計(jì)算單元取1 m或取整片墻的問題實(shí)際上就是按單向板或雙向板計(jì)算的問題。故按《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：墻的長度與墻的高度的之比不大于2.0時(shí)，取整片墻按雙向板計(jì)算；墻的長度與墻的高度之比大于2.0，但小于3.0時(shí)，宜取整片墻按雙向板計(jì)算；墻的長度與墻的高度之比不小于3.0時(shí)，宜取1 m寬的墻體為計(jì)算單元按單向板計(jì)算。

關(guān)于邊界條件的問題，有文獻(xiàn)解釋如下：現(xiàn)行國標(biāo)[2]第4.11.6.1條中規(guī)定防空地下室混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件縱向受拉鋼筋的錨固長度laF=1.05la，圖4.11.12-1中要求構(gòu)件縱向受拉鋼筋的直錨段不小于0.4laF，彎折段不小于15d?！俄沤Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3.4條的條文說明中“當(dāng)水平段投影長度不小于0.4lab，彎弧—垂直段投影長度為15d時(shí)，已能可靠保證鋼筋的錨固強(qiáng)度和抗滑移剛度?！惫士v筋直錨段長度不小于0.4laF時(shí)，應(yīng)按固定計(jì)算，否則按簡支計(jì)算。

4 結(jié)語

本文對室內(nèi)凈高超過3.6 m的人防工程的各構(gòu)件的荷載取值、設(shè)計(jì)原則和計(jì)算分析進(jìn)行了總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1)明確了門框墻上擋墻和側(cè)擋墻設(shè)加強(qiáng)梁和加強(qiáng)柱的原則。

2)明確了門框墻各構(gòu)件的計(jì)算方法，重點(diǎn)指出各構(gòu)件的荷載取值和加強(qiáng)梁、加強(qiáng)柱的計(jì)算跨度及邊界條件，上擋墻和側(cè)擋墻的邊界條件及受力形式(即單向板或雙向板)。

3)分析了臨空墻和防護(hù)單元隔墻的8種計(jì)算模型中的計(jì)算單元選取問題、邊界條件確定辦法及豎向荷載可否忽略的問題。