深圳市某工程人防地下室設(shè)計(jì)若干問題探討.doc

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深圳市某工程人防地下室設(shè)計(jì)若干問題探討 萬衍 劉遠(yuǎn)駿 提要：本文通過對深圳市泰然實(shí)業(yè)有限公司306高層工業(yè)廠房地下室(含人防 )工程設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，對含人防的高層建筑地下室的設(shè)計(jì)兩個(gè)問題提出幾點(diǎn)探討性意見。 1.工程簡介：深圳市泰然實(shí)業(yè)有限公司306高層工業(yè)廠房是1棟18層(地下1 層)的框架一剪力墻 結(jié)構(gòu)的高層工業(yè)建筑。建筑面積31200m2，建筑高度79.8m，地震烈度為7度，框架等級為3 級，剪力墻等級為2級。地下室面積3908m2，其中含人防面積1390m2，分兩個(gè)人防單元 ，層高4.4m，樁基采用預(yù)應(yīng)力砼管樁。 地下室的設(shè)計(jì)中考慮人防的問題，有一個(gè)平戰(zhàn)結(jié)合的問題，即既要考慮平常使用時(shí)荷載較小 ，需滿足建筑使用上大空間的問題，又要考慮人防時(shí)荷載較大，結(jié)構(gòu)上很難滿足大空間的問 題，如何協(xié)調(diào)兩種狀態(tài)下不同的使用要求，以下講幾點(diǎn)筆者在人防設(shè)計(jì)方面的一些體會，以 資借鑒。 2.人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 人防即人民防空，人民防空的任務(wù)是根據(jù)國防的需要，動員和組織群眾采取防護(hù)措施，防范 和減輕空襲危害。除采取人員疏散的措施之外，也是戰(zhàn)時(shí)防空的最重要的措施之一。防空地 下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包含兩方面：一是主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括頂板、外側(cè)墻、底板等其它 構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是孔口防護(hù)設(shè)計(jì)，包括出入口的防護(hù)和消波系統(tǒng)(防護(hù)設(shè)備)，其中出入 口的防護(hù)包含防護(hù)密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計(jì)算、出入口通道(包括風(fēng)井)的計(jì)算等 幾個(gè)方面，而消波系統(tǒng)則包含防爆破活門的選用和擴(kuò)散室(箱)的設(shè)計(jì)，那么，這些內(nèi)容的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)與一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有何不同呢? 第一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性可以降低，一般建筑結(jié)構(gòu)pf≈10，而人防結(jié)構(gòu)pf≈6% ，第二，考慮結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，第三，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可考慮進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，第四、材料設(shè)計(jì) 強(qiáng)度可以提高，實(shí)驗(yàn)表明，在快速加載的情況下，這時(shí)材料力學(xué)性能發(fā)生比較明顯的變化， 主要表現(xiàn)為強(qiáng)度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結(jié)構(gòu)工作起到有利作用， 例如鋼材強(qiáng)度可提高1.15～1.5倍，對砼強(qiáng)度可提高1.5倍，這是在設(shè)計(jì)中考慮材料強(qiáng)度綜合 調(diào)整系數(shù)來完成的，第五，重視構(gòu)造要求，人防設(shè)計(jì)的許多構(gòu)造要求是與一般的建筑設(shè)計(jì)不 同的，要求更為嚴(yán)格，故僅僅只考慮受力計(jì)算，不考慮構(gòu)造措施是不合理的。 根據(jù)以上所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，我們可以確定防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則，①平戰(zhàn)結(jié) 合，取控制條件，在民用建筑的人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般只涉及5級或6級人防設(shè)計(jì)， 結(jié)構(gòu)的頂板基本上都由戰(zhàn)時(shí)控制，而側(cè)墻和底板則因地下室的結(jié)構(gòu)型式的不同而由實(shí)際情況 確定；②只進(jìn)行強(qiáng)度的驗(yàn)算，由于在核爆動荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形極限已用允許延性比 的控制，且在確定各種構(gòu)件允許延性比時(shí)，已考慮了對變形的限制，因而在防空地下室結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中，不必再單獨(dú)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形與裂縫開展進(jìn)行驗(yàn)算；③只考慮一次核襲擊；④注意 各部件的協(xié)調(diào)，以免因設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部先行破壞，失去整個(gè)防護(hù)建筑 的作用；⑤地面與地下承重結(jié)構(gòu)體系要協(xié)調(diào)，不能出現(xiàn)兩者強(qiáng)弱相差較大的情況。 了解了結(jié)構(gòu)人防設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及原則之后，我們首先就必須確定計(jì)算所需的荷載值。 3.人防荷載的確定 如前所述，人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮抵抗空氣沖擊波。當(dāng)核武器在空中爆炸時(shí)，當(dāng)沖擊 波傳播到地表時(shí)，形成反射沖擊波，因反射波是在被入射波壓密和加熱過的空氣中傳播，且 壓力又高，所以反射波的傳播速度要比入射波快，當(dāng)反射波波陣面終于趕上入射波波陣面后 ，則匯合成為一單一的沖擊波，即合成波，合成波波陣面靠近地面部分是垂直于地面的，即 合成波是水平方向傳播的，對抗力等級較低的防空地下室來說，所受的沖擊波即為這種合成 波(即地面沖擊波)。防空地下室的頂板一般就直接承受地面沖擊波的超壓和負(fù)壓作用，而對 于側(cè)壁和底板，因空氣沖作用于地表，壓迫土體并使其產(chǎn)生運(yùn)動，上層土體受壓后連續(xù)向下 傳遞壓力，這種土體的壓縮狀態(tài)由上向下逐層傳播過程稱為土中壓縮波的傳播，當(dāng)遇到側(cè)壁 或底板的阻擋后，則會產(chǎn)生超壓、動壓和負(fù)壓作用，這就是側(cè)壁和底板需考慮的問題。 本工程人防地下室防護(hù)等級為6級(級別的確定是根據(jù)國家制訂的《人民防空工程戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要 求》確定的，是由人防部門確定后發(fā)文予設(shè)計(jì)單位)，采用全埋式現(xiàn)澆鋼筋混凝土人防地下 室，各部位等效靜荷載取值分別為： 3.1頂板：首層外墻為180mm實(shí)心磚填充墻，且墻面開孔面積大于50%，故不計(jì)上部建筑物對 地面空氣沖擊波超壓作用的影響，等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值 q=60KN/m2。 3.2側(cè)墻：上部建筑物為抗震設(shè)防的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，故應(yīng)放入上部建筑物對地面空氣沖 擊波超壓值的影響，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，人防地下室側(cè)壁范圍內(nèi)分別有非飽和土和飽和土 ，取其加權(quán)平均值，并考慮周圍基坑支護(hù)的阻隔作用，故地下室側(cè)壁等效靜載荷標(biāo)準(zhǔn)值q =40KN/m2。 3.3底板：本工程采用樁基礎(chǔ)，當(dāng)核爆荷載q作用于頂板時(shí)，荷載隨板、梁、柱傳至 樁上，因人防設(shè)計(jì)時(shí)不考慮地基承載力和地基變形，由q產(chǎn)生的q由樁與底 板共同承受，故小于規(guī)范中按箱形地下室底板的等效靜荷載值40～50KN/m2。，與平時(shí)荷 載作用下因樁不均勻沉降而產(chǎn)生的底板受力相比，不起控制作用，故不予考慮。 3.4門框墻：所受荷載由兩部分組成，一是直接作用在墻上的荷載qe=200KN/m2。；二是 由門扇傳來的等效靜載標(biāo)準(zhǔn)值，分別按門扇的型號、大小計(jì)算確定。 3.5臨空墻：依工程實(shí)際情況和規(guī)范表4.5.7取其等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為130KN/m2。 3.6隔墻：隔墻分兩種，一是相鄰防護(hù)單元間隔墻的設(shè)計(jì)壓力值為50KN/m2。；二是6級人 防地下室與普通地下室相鄰間的隔墻，其普通地下室一側(cè)的設(shè)計(jì)壓力選用值為90KN/m2。 。 其它各種防護(hù)密閉門、防爆波活門、擴(kuò)散室的設(shè)計(jì)壓力均由規(guī)范中有關(guān)規(guī)定選用，當(dāng)所有構(gòu) 件的等效靜荷載值確定后，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。 4.荷載組合和內(nèi)力分析 作用在防空地下室結(jié)構(gòu)上的荷載，應(yīng)包括核爆動荷載、上部建筑物自重、土壓力、水壓力及 防空地下室的自重等，規(guī)范中對防空地下室不同部位應(yīng)考慮的荷載組合給出了一個(gè)表格，結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)各工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合表格確定所需進(jìn)行荷載組合的項(xiàng)目，本工程各個(gè)部位 參與組合的荷載分別為： 4.1頂板：頂板核爆動荷載標(biāo)準(zhǔn)值，頂板靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值。 4.2側(cè)墻：豎向：頂板傳來的核爆動荷載標(biāo)準(zhǔn)值、靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值，上部建筑物自重標(biāo)準(zhǔn)值(僅 有局部剪力墻部位)，外墻自重標(biāo)準(zhǔn)值。橫向：核爆動荷載產(chǎn)生的水平動荷載標(biāo)準(zhǔn)值、土壓 力、水壓力。 4.3內(nèi)承重墻(柱)：在本工程中，將平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)的荷載值進(jìn)行對比不難發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)時(shí)所增加的 頂板核爆動荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于平時(shí)各樓層的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和，故此部位構(gòu)件不由戰(zhàn)時(shí)條件控 制。 在進(jìn)行荷載組合時(shí)，需要明確兩個(gè)問題：一是上部建筑物質(zhì)自重標(biāo)準(zhǔn)值的確定，規(guī)范的條文 說明中第4.3.14條已詳細(xì)說明了各種不同的上部結(jié)構(gòu)型式，在進(jìn)行荷載組合時(shí)可氛圍全部考 慮、考慮一半和不考慮三種情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析確定。二是頂板的組合中是否考慮上部 建筑物的倒塌荷載值，因?yàn)榈顾奢d的作用時(shí)間滯后于沖擊波峰值作用時(shí)間，且規(guī)范規(guī)定的 倒塌荷載產(chǎn)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不必計(jì)入倒塌荷載值。 在防空地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其承載力設(shè)計(jì)應(yīng)采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：γ0(γG S+γQS)≤R(f，f，αk，……)(見規(guī)范第4.6.2條) ，需要指出的是幾個(gè)系數(shù)的定義：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；γQ—等效靜荷載分 項(xiàng)系數(shù)，取1.0；f—混凝土動力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(參規(guī)范表4.6.3)；f—鋼筋動 力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。(參規(guī)范表4.6.3) 由上式可明顯看出人防設(shè)計(jì)的特點(diǎn)(如前所述)，這樣與平時(shí)狀態(tài)下的內(nèi)力情況進(jìn)行比較，本 工程中，頂板、側(cè)壁及人防區(qū)域內(nèi)構(gòu)件的水平受力由戰(zhàn)時(shí)控制，底板、基礎(chǔ)由平時(shí)控制。 求出構(gòu)件的內(nèi)力和配筋后，剩下需注意的問題就只有一些構(gòu)造要求了，《規(guī)范》第4.7節(jié)中 已作了很詳細(xì)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員只需認(rèn)真研究體會規(guī)范條文的條件和適用范圍，結(jié)合工 程實(shí)際情況就可順利地完成人防地下室各主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)了。 解決了主要構(gòu)件的問題，人防地下室孔口防護(hù)的設(shè)計(jì)和平戰(zhàn)結(jié)合就成了剩下需研究的問題。 5.孔口防護(hù)和平戰(zhàn)兼顧 孔口防護(hù)包含三部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容：一是防護(hù)密閉門與消波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二是出入口通道內(nèi)臨 空墻、門框墻的設(shè)計(jì)，三是孔口其它構(gòu)件，如風(fēng)井、防倒塌棚架、開敞式通道、相鄰單元之 間的隔墻等的設(shè)計(jì)，其中第二、三條中的臨空墻、相鄰單元之間的隔墻已在上節(jié)中談到了荷 載的確定，設(shè)計(jì)人員可按一般墻體的計(jì)算模式，考慮人防設(shè)計(jì)的特點(diǎn)計(jì)算出內(nèi)力和鋼筋，而 門框墻的設(shè)計(jì)一般是按懸臂梁計(jì)算，但需注意的就是因平時(shí)使用時(shí)需要的出入口通道均較寬 ，而戰(zhàn)時(shí)又相應(yīng)較窄，這樣有可能會使門框墻的懸臂長度過長，而使水平筋過大，這種情況 下，可考慮在不影響功能使用的前提下，加設(shè)柱、梁改變門框墻的受力型式，得到較為經(jīng)濟(jì) 的設(shè)計(jì)效果，風(fēng)井的設(shè)計(jì)中只計(jì)算土中壓縮波的壓力，對空氣沖擊波則不予考慮，因兩者不 會同時(shí)作用。開敞式通道更不考慮核爆動荷載，只考慮靜土側(cè)壓力，而防倒塌棚架的設(shè)計(jì)分 豎向和橫向兩項(xiàng)，豎向力即為倒塌荷載50KN/m2，屬靜載，橫向力即動壓設(shè)計(jì)值q，由《規(guī) 范》第4.5.10條確定，這兩項(xiàng)受力作用時(shí)間存在間隔，故不考慮同時(shí)作用，下面主要談?wù)劦?一條的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 當(dāng)空氣沖擊波到達(dá)出入口通道時(shí)，雖然有通道出入口的擴(kuò)散作用，但遇墻體和門的反射作用 使作用在門上的總效應(yīng)大于空氣沖擊波的壓力，約為2.0～3.5倍 。為方便工程設(shè)計(jì)人員， 國家將防密門進(jìn)行系列化處理，依據(jù)設(shè)計(jì)壓力和門洞尺寸就可輕松地選擇定型的防密門。 而消波系統(tǒng)的產(chǎn)生是因?yàn)闉V毒通風(fēng)設(shè)備所能承受的允許壓力遠(yuǎn)小于空氣沖擊波，若其防護(hù)措 施不能與主體抗力相適應(yīng)，將直接影響整體工程防護(hù)能力。消波系統(tǒng)的基本思想是以堵為主 ，堵消結(jié)合，堵就是采用防爆波活門將沖擊波的大部分阻擋在室外，消就是使從活門孔進(jìn)入 的少量沖擊波通過擴(kuò)散室的擴(kuò)散膨脹作用削弱其壓力，使其進(jìn)入內(nèi)部的壓力不超過設(shè)備的允 許壓力，規(guī)范表4.9.1給出了消波系統(tǒng)選擇表，可按抗力等級與允許余壓值予以確定，一般 由防爆波活門及擴(kuò)散室組成，防爆波活門的選用和擴(kuò)散室各部分尺寸的確定均可在《規(guī)范》 中找到相應(yīng)的表格和公式得到落實(shí)。這項(xiàng)工作在設(shè)計(jì)過程中既可由結(jié)構(gòu)專業(yè)完成，也可由建 筑、通風(fēng)專業(yè)完成。 擴(kuò)散室前墻即安裝懸板活門的墻面為臨空墻，墻面本身受的荷載及活門傳來荷載均按臨空墻 荷載取值，擴(kuò)散室與土相鄰的頂?shù)装寮巴鈮Π赐林袎嚎s波壓力確定荷載。 平戰(zhàn)兼顧設(shè)計(jì)是深入貫徹“平戰(zhàn)結(jié)合”建設(shè)方針一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于人防工程是戰(zhàn)時(shí)遭受敵 襲擊時(shí)作為保障城市居民生命安全和堅(jiān)持工作的一種具有特殊功能要求的建筑物，因此它需 要承受的荷載較一般結(jié)構(gòu)大幾十倍至數(shù)百倍，而且密閉要求很高，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小 結(jié)構(gòu)跨度，減少并縮小直通大氣的各種孔口，而這種處理原則，恰為平時(shí)使用造成諸多困難 ，《規(guī)范》第4.8條中對此點(diǎn)作了指導(dǎo)性的規(guī)定，所以具體做法應(yīng)根據(jù)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)的具體要 求和工程本身的實(shí)際條件綜合研究確定。 平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的基本原則是：1.工程平戰(zhàn)用途相近；2.轉(zhuǎn)換工作要小；3.一次設(shè)計(jì)，分兩步 施工；4.考慮兼容性和通用性；5.轉(zhuǎn)換措施要求快速、經(jīng)濟(jì)、簡便、可靠。依據(jù)此原則，本 工程在設(shè)計(jì)中，對于戰(zhàn)時(shí)封堵設(shè)計(jì)，曾考慮采用整快砼板(厚80—100mm)封堵出入口，砼板 四 周包有槽鋼，下部分有滑輪，可在軌道中滑動，平時(shí)滑至門邊固定，戰(zhàn)時(shí)推動大門封堵出入 口，即能保證封堵效果，而且簡單、方便，不占空間，但不屬于人防戰(zhàn)時(shí)封堵的常規(guī)設(shè)計(jì)， 故后改為預(yù)制砼塊，豎向拼接封堵，得到人防審批部門的認(rèn)可。