基于平戰結合的地下人防工程設計
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【摘 要】:地下人防工程設計中有一個值得研究的問題就是如何真正協調平戰結合。本文從人防工程平戰兼顧意義出發,結合某地下人防工程設計實例,分析結構設計以及孔口防護的設計特點,基于平戰結合考慮,提出地下人防室中各構件的荷載確定、荷載組合以及內力分析方法,為地下人防室結構設計中如何協調平戰結合提出較有價值的參考。
地下人防室;平戰結合;孔口防護;人防荷載
There is a problem worthy of study in the underground civil air defense engineering design is how to really coordinate peacetime and wartime. In this dissertation, aiming to achieve both peacetime and wartime air defense works and based on a design example of underground civil air defense engineering, analyzes the structural design of orifice protection design features, and brings up the analysis method of the underground civil air defense component of the load identification, load combination and the internal force analysis based on both peacetime and wartime considerations. It has a valuable reference to how to coordinate both peacetime and wartime in the structural design of underground civil air defense in the room.
underground civil air defense Room peacetime and wartime orifice protection air defense load
在地下人防工程設計中如何協調平戰進行設計是一個目前值得研究的課題。所謂的平戰結合就是指地下人防工程平時能為城市經濟和防災服務,在戰前通過轉換就可滿足戰時的防空要求,做到多種功能,綜合效益。由此可知,平戰結合必定會給地下人防工程設計帶來較大難度,這主要體現在設計中既要考慮平常使用時荷載較小,滿足建筑使用上大空間的問題;又要考慮人防時荷載較大,結構上很難滿足大空間的問題?；诖?本文基于平戰結合的特點,提出如何從地下人防工程中各構件的荷載確定、荷載組合以及內力分析來協調平戰兩種狀態的使用要求,旨在為同類工程提供參考借鑒。
1人防工程結構的設計特點
與普通地下工程相比,地下人防工程結構設計主要特點是要考慮戰時爆炸動荷載對結構的影響。爆炸動荷載屬于偶然性荷載,荷載具有量值大、作用時間短且不斷衰減等特點。暴露于空氣中的地下人防工程結構構件,將會直接承受上部結構爆炸動荷載作用,其必定會對結構造成破壞。因此在設計中,地下人防工程主要從兩個方面出發:(1)主體結構設計,如頂板、外側墻等構件設計;(2)孔口防護設計,如出入口的防護和消波系統等。設計這些構件與非人防構件的不同點在于:
(1)地下人防工程受核爆動荷載作用,決定了其構件設計必定要考慮結構動力響應;(2)結構受到較大的動荷載作用會導致構件進入塑性狀態;(3)材料設計強度可以提高。實驗表明,構件在快速加載下,其材料力學性能發生明顯變化,體現在強度得到明顯提高,但其變形性能如塑性性能等基本不變,這對結構工作起到有利作用;(4)構造要求嚴格,人防設計的許多構造要求是與一般的建筑設計不同的,要求更為嚴格。
根據地下人防工程結構設計特點,可確定人防工程結構設計的設計原則:(1)平戰結合。在民用建筑的地下人防室的結構設計中,一般只涉及5級或6級人防設計,結構的頂板基本上都由戰時控制,而側墻和底板則因地下室的結構型式的不同而由實際情況確定;(2)構件只進行強度計算。由于在核爆動荷載作用下,結構構件變形極限已用允許延性比的控制,且在確定各種構件允許延性比時,已考慮了對變形的限制,因而在地下人防工程結構設計中,不必再對結構構件的變形與裂縫等進行驗算;(3)只需按一次核襲擊考慮;(4)各構件的設計協調,為了防止因設計控制標準不一致而導致結構局部破壞,從而失去整個防護建筑的作用。
2工程實例
2.1 工程概況
某大型辦公綜合樓采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,人工挖孔樁基礎,7度抗震設防。地下室層高4.5m,首層層高5.0m,二～三層層高4.8m。上部結構主要采用正交主次梁板樓蓋體系,開間主要為7.2m和9.2m,進深主要為7.2m和8.6m。地下室底板、三層至四層梁板混凝土設計強度C30。本工程地下人防室防護等級為6級。
2.2 人防荷載取值
先就以本工程為例,詳細給出該地下人防工程結構設計時各構件人防荷載的取值。
(1)頂板:本工程由于首層外墻為180mm實心磚填充墻,而且墻面開孔面積大于50%,通過預算上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓作用的影響,取頂板的等效靜荷載標準值為q=60kN/m2。
(2)底板:本工程采用的基礎形式是人工挖孔樁基礎,當核爆荷載q作用于頂板時,荷載隨板、梁、柱傳至樁上,因人防設計時不考慮地基承載力和地基變形,與平時荷載作用下因樁不均勻沉降而產生的底板受力相比不起控制作用,故不予考慮。
(3)側墻:由于本工程上部建筑物為7抗震設防的框架―剪力墻結構,故側墻應考慮上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓值的影響,考慮到本工程周圍設有基坑支護,具有一定的阻隔作用,取側墻等效靜載荷標準值為q =40kN/m2。
(4)門框墻:一部分是直接作用在墻上的等效荷載標準值取為qe=200 kN/m2;另一部分是由門扇產生的等效靜載標準值,這荷載取決于門扇型號、大小。
(5)臨空墻:根據本工程實際情況以及通過查閱規范表4.5.7,該等效荷載標準值取為120kN/m2。
2.3 荷載組合
在進行荷載組合時,需要明確兩個問題:一是荷載種類考慮問題。依據規范的條文說明中第4.3.14條已詳細說明了各種不同的上部結構型式,在進行荷載組合時可氛圍全部考慮、考慮一半和不考慮三種情況,設計時應認真分析并正確合理選取荷載種類。本工程中,頂板、側壁及人防區域內構件的水平受力按戰時控制考慮;對于底板、基礎則按平時控制考慮。二是頂板的組合中是否考慮上部建筑物的倒塌荷載值,因為倒塌荷載的作用時間滯后于沖擊波峰值作用時間,且規范規定的倒塌荷載產生的靜荷載值為50kN/m2,小于沖擊波對頂板的等效靜荷載值,因此在頂板荷載組合中可以不考慮倒塌荷載組合。
同時在本工程中,人防混凝土墻體及樓板的混凝土強度等級均取為C30,當構件考慮人防荷載后,混凝土、鋼筋材料強度調整系數分別取為1.5、1.35,則調整后的混凝土強度等級近似取C45計算,II級鋼筋經過調整后近似按III級鋼筋采用。同時根據《建筑結構可靠度設計統一標準》的要求,本地下人防工程結構設計采用可靠度理論為基礎的概率極限狀態設計方法,結構可靠度用可靠指標,以分項系數表達的設計表達式進行設計,本工程等效靜荷載的分項系數1.0,永久荷載的分系數取1.2,可變荷載的分項系數取1.40。
通過對內力組合求出本地下人防工程構件內力,與平時狀態下的對應構件內力進行地比,經比較發現本工程中,頂板、側壁及人防區域內構件的水平受力按戰時控制考慮;對于底板、基礎則按平時控制考慮。求出各構件的內力和配筋后,就可以進行結構構件的構造要求。對于地下人防工程構件的構造要求,《規范》第4.7節給出了詳細的規定。結合本工程實際情況,本工程的構造要求是混凝土墻采用S6抗滲等級,混凝土強度等級取為C30,地下室通過設計多條縱橫交錯的后澆帶來取代設置沉降縫、伸縮縫。本工程硅墻的抗滲等級為56,硅強度等級為C30,地下室內沒有設置沉縫和伸縮縫,而是設置了多條縱橫交錯的后澆帶。對雙面配筋的鋼筋混凝土頂、底板,在上下、內外層鋼筋之間配置一定量的拉結筋,以確保鋼筋與受壓區混凝土在震動環境下仍能共同工作,
3孔口防護設計
孔口防護設計主要包括:(1)防護密閉門與消波系統的設計;(2)出入口通道內臨空墻、門框墻的設計;(3)是孔口其它構件,如風井、防倒塌棚架、開敞式通道、相鄰單元之間的隔墻等的設計。對于臨空墻、隔墻設計可按一般墻體進行計算。對于門框墻的設計則按懸臂梁計算,值得注意的是考慮到平時使用時需要的出入口通道均較寬,而戰時又相應較窄,會導致門框墻的懸臂過長。因此,可在不影響功能使用的前提下,加設柱、梁改變門框墻的受力型式,從而得到較為經濟方案。開敞式通道只需考慮靜土側壓力而不必考慮核爆動荷載;防倒塌棚架的設計按豎向和橫向來分別計算,豎向力可取為倒塌荷載50kN/m2。
4結語
由于人防工程在戰時所承受的荷載較一般情況大幾十倍至數百倍,高密閉、小跨度、小孔口的設計恰恰與平時使用的需要相反。所以在進行地下人防工程設計時應根據平時和戰時的具體要求和工程本身的實際條件來綜合研究確定。
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