人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

王立梅

(安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

1 人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

人防地下室在設(shè)計(jì)選型階段必須要考慮到工程的實(shí)際用途。首先，作為人員掩蔽所建筑物，本身既要考慮到可容納的人數(shù)，同時(shí)更要考慮到一部分機(jī)動(dòng)承載人數(shù)，本文選用工程案例的結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。其次，相較于一般民用建筑結(jié)構(gòu)，人防地下室主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮戰(zhàn)時(shí)爆炸動(dòng)荷載，以例在戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)時(shí)能夠有效保護(hù)掩蔽人員的人身安全。例如南斯拉夫戰(zhàn)爭(zhēng)，由于當(dāng)時(shí)南斯拉夫沒(méi)有人防地下室，所以在戰(zhàn)時(shí)導(dǎo)致大量的人員傷亡。人防地下室能夠有效地應(yīng)對(duì)戰(zhàn)時(shí)核武器、化學(xué)武器、生物武器以及其他的常規(guī)武器，而這也正是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，要對(duì)這些武器有充分的了解。人防地下室既要考慮到日常使用的荷載，還要考慮到戰(zhàn)時(shí)爆炸動(dòng)荷載，保證人防地下室工程在滿(mǎn)足平時(shí)使用的基礎(chǔ)上，還可以滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)預(yù)定的抗力防護(hù)要求。但是由于在進(jìn)行人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)法將戰(zhàn)時(shí)爆炸荷載精確到具體的工程結(jié)構(gòu)上，所以當(dāng)前階段，在進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候往往將戰(zhàn)時(shí)爆炸荷載等效為靜荷載來(lái)考慮，按照預(yù)定的防護(hù)要求，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料潛力，降低結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)等。例如在人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件按彈塑性工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，再參照一般民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本文選用的工程案例為合肥市包河工業(yè)區(qū)科技創(chuàng)業(yè)園南麗灣小區(qū)高層建筑地下車(chē)庫(kù)項(xiàng)目。該項(xiàng)目地上為高層建筑，主要結(jié)構(gòu)形式多為剪力墻結(jié)構(gòu)。地下車(chē)庫(kù)2層，負(fù)二層局部按人防進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地下室頂覆土厚度為1 500 mm,負(fù)一層結(jié)構(gòu)層高4 m，負(fù)二層結(jié)構(gòu)層高3.9 m。地下室總建筑面積為35 133 m2。負(fù)二層建筑面積為17 502 m2，其中人防建筑面積為10 210 m2，平時(shí)功能為小汽車(chē)庫(kù)，戰(zhàn)時(shí)為核6級(jí)二等人員掩蔽所。工程設(shè)計(jì)豎向標(biāo)高為±0.000(絕對(duì)標(biāo)高為24.900 m)。

2.2 建筑防護(hù)類(lèi)別和抗力等級(jí)確定

本工程地下建筑為2層，負(fù)二層局部(6個(gè)防護(hù)單元)屬于人防地下室結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)平時(shí)為地下小汽車(chē)庫(kù)，戰(zhàn)時(shí)為核6級(jí)二等人員掩蔽所，戰(zhàn)時(shí)防核武器等級(jí)為核6級(jí),防常規(guī)武器等級(jí)為常6級(jí)。人防地下室結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為2級(jí)。

2.3 工程設(shè)計(jì)荷載

工程設(shè)計(jì)荷載的確定需要根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造等情況來(lái)確定。

該工程所在區(qū)域?yàn)樾氯A夏系第二隆起帶，地質(zhì)構(gòu)造基底主要由變質(zhì)巖系構(gòu)構(gòu)成，但是由于工程施工現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有此斷裂帶構(gòu)造，所以整個(gè)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。

工程施工現(xiàn)場(chǎng)地層主要是由素填土層和黏土層構(gòu)成，通過(guò)前期勘察發(fā)現(xiàn)地下雜填土下層有上層滯水類(lèi)的地下水，靜止水位在22.46～22.50 m。

綜合以上因素，結(jié)合工程概況，本工程抗震設(shè)防強(qiáng)度為7度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，地段劃分為抗震有利地段。人防地下室戰(zhàn)時(shí)功能等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)壓力值見(jiàn)表1。

表1 人防地下室戰(zhàn)時(shí)功能等效荷載標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)壓力值(單位：kN/m2)

2.4 人防荷載確定

人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面內(nèi)容：

(1) 人防地下室主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括頂板、外側(cè)墻體、底板等相關(guān)構(gòu)件。

(2) 地下室孔口防護(hù)設(shè)計(jì)，地下室出入口防護(hù)以及消波系統(tǒng)設(shè)計(jì)。前者包括選擇防護(hù)密閉門(mén)、門(mén)框墻體、臨空墻體計(jì)算、出入口通道計(jì)算以及風(fēng)井計(jì)算等。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮對(duì)于空氣沖擊波的抵抗性能，在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，如果有核武器等大規(guī)模殺傷性武器爆炸，則沖擊波在傳播到地表時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的反射沖擊波。反射沖擊在被入射波壓密以及加熱過(guò)的空氣中傳播，加之壓力較高，所以反射波的傳播速度會(huì)比入射波快，當(dāng)反射波波振面與入射波振面“持平”時(shí)會(huì)形成合成波。而合成波波振面在臨近地面的時(shí)候是垂直于地面的，也就是說(shuō)合成波的傳播方向是水平的，故而對(duì)于抗力等級(jí)相對(duì)較低的人防地下室而言，其受到的沖擊波即為合成波。

人防地下室頂板通常需要直接承受地表沖擊波的超壓以及負(fù)壓作用，側(cè)墻壁和底板會(huì)因?yàn)榭諝鉀_擊波對(duì)地表的作用間接壓迫土體使之產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。另外，上層的土體在受到?jīng)_擊波超壓作用的時(shí)候會(huì)連續(xù)向下傳遞壓力，此時(shí)一旦遇到側(cè)墻壁或者底板的阻擋便會(huì)產(chǎn)生超壓、動(dòng)壓以及負(fù)壓作用。因此，設(shè)計(jì)側(cè)壁結(jié)構(gòu)和底板結(jié)構(gòu)時(shí)必須要考慮這些問(wèn)題，具體有以下幾個(gè)方面：

(1)頂板荷載。人防地下室位于負(fù)二層，地面爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波需穿過(guò)上部建筑的外墻、門(mén)洞作用到防空地下室頂板，在空氣沖擊波傳播過(guò)程中，上部建筑的外墻、門(mén)洞對(duì)空氣沖擊波產(chǎn)生一定的削弱作用，故此時(shí)人防地下室頂板等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值55 kN/m2。

(2)側(cè)墻荷載。由于上部建筑物為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該考慮上部建筑物對(duì)于地面空氣波超壓值的影響，結(jié)合該工程地質(zhì)狀況，側(cè)墻等效靜荷載取值為50 kN/m2。

(3)底板荷載。該工程為筏板基礎(chǔ)，為無(wú)樁基的防空地下室鋼筋混凝土底板，且位于地下二層，其上部為普通地下室工程，按核6級(jí)抗力級(jí)別取地下室底板等效靜荷載值50 N/m2。

(4)門(mén)框墻荷載。根據(jù)出入口的部位及形式，如頂板考慮上部建筑影響，則室內(nèi)出入口、室外豎井、樓梯、穿廊出入口、室外直通、單相出入口等處的防護(hù)密閉門(mén)的門(mén)框墻等效靜荷載有所不同。

(5)臨空墻荷載。根據(jù)本工程實(shí)際情況確定等效靜荷載，根據(jù)不同位置，車(chē)道位置為144 kN/M2、樓梯和豎井位置為117 kN/m2、防護(hù)單元隔墻為50 kN/m2。

人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一方面要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求對(duì)于建筑,構(gòu)件最小厚度的需求，另一方面還需考慮規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件最小防護(hù)厚度的規(guī)定。例如附壁式室外出入口的臨空墻體構(gòu)造，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于需要考慮到戰(zhàn)時(shí)防護(hù)需求，尤其是防輻射所規(guī)定的墻體厚度要大于受力設(shè)計(jì)所要求的墻體厚度，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要綜合考慮取值以滿(mǎn)足各種防護(hù)要求對(duì)于厚度的規(guī)定，這樣既能夠滿(mǎn)足受力設(shè)計(jì)要求，又能確保滿(mǎn)足防輻射要求。簡(jiǎn)而言之，就是要同時(shí)滿(mǎn)足一般地下室建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求以及人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)定。

人防地下室按照抗力等級(jí)可劃分為常5級(jí)、常6級(jí)、核4級(jí)、核4B級(jí)、核5級(jí)、核6級(jí)以及核6B級(jí)，對(duì)于臥置于地基上的核5級(jí)、核6級(jí)以及核6B級(jí)的甲類(lèi)防空地下室結(jié)構(gòu)底板構(gòu)件，如果底板內(nèi)力為平時(shí)設(shè)計(jì)荷載所控制，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可適當(dāng)?shù)亟档偷装迨芾摻钭钚∨浣盥?，但最小配筋率不得低?.15%。本文選用的案例由于主樓地上建筑層數(shù)在26層以上，屬于高層建筑，如果單純地使用筏板基礎(chǔ)是無(wú)法滿(mǎn)足建筑荷載要求的，所以針對(duì)這種情況可以使用樁筏聯(lián)合的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，或者使用CFG樁復(fù)合地基筏板結(jié)構(gòu)形式。借助厚筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力通過(guò)平時(shí)設(shè)計(jì)荷載控制，厚筏基礎(chǔ)不僅可以滿(mǎn)足最小配筋率0.15%控制要求，并且對(duì)于雙面配筋的結(jié)構(gòu)底板也可省去拉結(jié)鋼筋。

3 結(jié) 論

總的來(lái)講，人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于普通的地下室結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)綜合性要求較高的建筑項(xiàng)目，工程實(shí)施之前必須要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、水文等情況有充分的了解，結(jié)合實(shí)際情況和工程需求，從地下室結(jié)構(gòu)選型、荷載確定、平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換等方面入手來(lái)不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使人防地下室結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固和安全。