试论人民防空地下室的结构设计

2022-09-10

合理利用地下空间, 可以在旧城改造方面拓展思维, 打破旧的拆、迁模式及拆迁与文物保护方面矛盾, 能合理解决新老建筑结合和功能拓展, 并为地面创造了开敞空间, 符合现代城市建设紧凑化及人文关怀的新理念。地下室人防改造设计涉及到一个平战结合的问题, 即既要考虑平常使用时荷载较小, 满足建筑使用上大空间的问题;又要考虑人防时荷载较大, 结构上很难满足大空间的问题。

1 地下室人防结构设计的原则

(1) 只考虑一次核袭击。 (2) 只进行强度的验算。 (3) 平战结合, 取控制条件。 (4) 注意各部件的协调。 (5) 地面与地下承重结构体系要协调, 不能出现两者强弱相差较大的情况。

2 地下室人防结构设计的特点

地下室人防结构设计的主要内容包含两方面:一是主体结构设计, 包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计;二是孔口防护设计, 包括出入口的防护和消波系统 (防护设备) , 其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙及临空墙的计算、出入口通道 (包括风井) 的计算等几个方面, 而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室 (箱) 的设计。因此地下室人防结构设计具有以下特点。

(1) 结构设计的可靠性可以降低, 一般建筑结构Pf≈l0, 而人防结构pf≈6%; (2) 考虑结构的动力响应; (3) 结构构件可考虑进入塑性工作状态; (4) 材料设计强度可以提高; (5) 重视构造要求。

了解结构人防设计的特点及原则之后, 必须确定计算所需的荷载值。

3 地下室人防改造设计的具体技术

3.1 人防荷载的确定

地下室人防改造结构设计的主要内容包含两方面:一是主体结构设计, 包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计;二是孔口防护设计, 包括出入口的防护和消波系统 (防护设备) , 其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道 (包括风井) 的计算等几个方面。人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。当核武器在空中爆炸, 冲击波传播到地表时, 形成反射冲击波。因反射波是在被入射波压密和加热过的空气中传播, 且压力又高, 所以反射波的传播速度要比入射波快, 当反射波波阵面终于赶上入射波波阵面后, 则汇合成为单一的冲击波, 即合成波。合成波波阵面靠近地面部分是垂直于地面的, 即合成波是水平方向传播的, 对抗力等级较低的防空地下室来说, 所受的冲击波即为这种合成波 (即地面冲击波) 。防空地下室的顶板一般就直接承受地面冲击波的超压和负压作用;而对于侧壁和底板, 因空气冲作用于地表, 压迫土体并使其产生运动, 上层土体受压后连续向下传递压力 (这种土体的压缩状态由上向下逐层传播过程称为土中压缩波的传播) , 当遇到侧壁或底板的阻挡后, 则会产生超压、动压和负压作用, 这就是侧壁和底板需考虑的问题。下面以防护等级为6级、全埋式现浇钢筋混凝土人防地下室的工程为例, 其各部位等效静荷载取值分别参考如下。

3.1.1 顶板

首层外墙为180mm实心砖填充墙, 且墙面开孔面积大于50%, 故不计上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响, 等效静荷载标准值q=6 0 K N/m 2。

3.1.2 侧墙

上部建筑物为抗震设防的框架一剪力墙结构, 故应放入上部建筑物对地面空气冲击波超压值的影响。根据本工程地质条件, 人防地下室侧壁范围内分别有非饱和土和饱和土, 取其加权平均值, 并考虑周围基坑支护的阻隔作用, 故地下室侧壁等效静载荷标准值q=40KN/m2。

3.1.3 底板

本工程采用桩基础, 当核爆荷载q作用于顶板时, 荷载随板、梁、柱传至桩上, 因人防设计时不考虑地基承载力和地基变形, 由q产生的q由桩与底板共同承受, 故小于规范中按箱形地下室底板的等效静荷载值 (40~50) KN/m2, 与平时荷载作用下因桩不均匀沉降而产生的底板受力相比, 不起控制作用, 故不予考虑。

3.1.4 门框墙

所受荷载由两部分组成, 一是直接作用在墙上的荷载qe=200KN/m2;二是由门扇传来的等效静载标准值, 分别按门扇的型号、大小计算确定。

3.1.5 临空墙

依工程实际情况和规范表4.5.7取其等效静荷载标准值为1 3 0 K N/m 2。

3.1.6 隔墙

隔墙分两种, 一是相邻防护单元间隔墙的设计压力值为50KN/m2;一是6级人防地下室与普通地下室相邻间的隔墙, 其普通地下室一侧的设计压力选用值为90KN/m2。其他各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均从规范中有关规定选用, 当所有构件的等效静荷载值确定后, 即可进行结构计算。

3.2 荷载组合和内力分析

作用在防空地下室结构上的荷载, 应包括核爆动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力及防空地下室的自重等, 规范中对防空地下室不同部位应考虑的荷载组合给出了一个表格, 进行结构设计时可根据各工程的结构特点结合表格确定所需进行荷载组合的项目。本工程实例的各个部位参与组合的荷载分别为以下几点。

3.2.1 顶板

顶板核爆动荷载标准值, 顶板静荷载标准值。

3.2.2 侧墙

竖向:顶板传来的核爆动荷载标准值、静荷载标准值, 上部建筑物自重标准值 (仅有局部剪力墙部位) , 外墙自重标准值。横向:核爆动荷载产生的水平动荷载标准值、土压力、水压力。

3.3 孔口防护和平战兼顾

孔口防护包含三部分的设计内容:一是防护密闭门与消波系统的设计;二是出入口通道内临空墙、门框墙的设计;三是孔口其他构件, 如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。其中第二、三条中的临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模式, 考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋。而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算, 但需注意的就是因平时使用时需要的出入口通道均较宽, 而战时又相应较窄, 有可能会使门框墙的悬臂长度过长, 水平筋过大。这种情况下, 可考虑在不影响功能使用的前提下, 加设柱、梁改变门框墙的受力型式, 得到较为经济的设计效果。风井的设计中只计算土中压缩波的压力, 对空气冲击波则不予考虑, 因两者不会同时作用。开敞式通道更不考虑核爆动荷载, 只考虑静土侧压力, 而防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项。竖向力即为倒塌荷载50KN/m2, 属静载, 横向力即动压设计值q, 由《规范》第4.5.10条确定。这两项受力作用时间存在间隔, 故不考虑同时作用。