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高层房屋下人防工程的结构设计

作者：小编　日期：2024-07-15 14:19:28　点击数：

0 引言

人防工程建设是国家建设的重要组成部分。随着我国综合国力的不断增强，人防主管部门规定许多建筑都要建设附建式人防工程，以保证战时人民生命的安全，因此人防工程的设计需要我们进行研究和总结。人防工程结构设计的优劣，取决于计算方法是否正确、基础选型是否合适、电算计算程序所用的系数是否合理。本文以某工程为例对高层建筑下设置附建式人防工程的结构设计进行探讨。

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1 工程概况

该工程为某小区的高层住宅，主楼26层，剪力墙结构，筏板基础。主楼之下设有两层地下室，地下一层为储藏室，地下二层为人防地下室，人防等级为核6级。
主楼的四周设有普通地下车库，框架结构，独立式基础。车库的基础底与主楼基础底标高相同，车库顶板的标高位于主楼地下一层的层间。顶板之上有1.6米厚的覆土，车库的结构与主楼连成一体。
主楼的一侧设有两层的裙房，框架结构，是由下面的地下车库上延而成的，此部分从车库顶板开始与主楼脱开。

2 人防工程结构设计

2.1人防概念及设计原理
人民防空工程简称人防工程，是为保障战时人员、物资掩蔽、人防指挥、医疗救护等需要而建造的防护建筑。人防工程分为坑道式、地道式、单建式、附建式四类，我们广为应用的防空地下室多为附建式。附建式防空地下室是结合地面建筑修建的战时用于人民防空的具有一定防护能力的地下室，是人防工程的主体，具有国家规定的防护能力和各项战时防空功能，是实施人民防空最重要的物质基础，是战时保障城市居民就近就地掩蔽、减少伤亡损失的重要途径。
附建式人防地下室是经济合理的结构型式。尤其是高层建筑，总是要设置地下室的，设置地下室是高层建筑的稳定计算所必需的。对保定市区而言，如果能设置两层地下室，就能较好的实现基础跃过软弱土层。这些人防地下室在平时(非战时)还可以用作其他用途，充分发挥其经济价值。
防空地下室结构设计的主要特点是要考虑战时承受核爆炸动荷载的作用，人防构件则直接承受空气冲击波和土中压缩波的作用。由于动荷载的内力计算较为复杂，需要进行简化设计并满足动荷作用状态的受力情况，因此采用等效静荷载法是实现上述目标的最好途径。此种方法使人防设计得到充分的简化，并且能保证战时防护功能的要求。
2.2人防工程基础设计
人防工程的基础设计与普通建筑一样，需要兼顾经济性、合理性和耐久性的要求，从中选择最优的基础型式。
人防工程应验算核武器爆炸动荷载作用下的结构承载力，用以保证结构的安全。因为其受荷过程时间很短，因此对地基承载力、地基变形、裂缝可不进行验算。值得注意的是，人防等效静荷载显然很大，但不一定就能作为设计的控制条件，需要与平时使用条件下的情况进行对比，选择不利的情况作为设计的主控依据。平时即和平时期，验算时与无人防的工程大致相仿，恒荷、活荷均乘以荷载规范中规定的分项系数。而战时的验算需同时考虑战时核武器爆炸等效静荷载和恒荷，不再考虑活荷，且恒荷不乘以分项系数。由于主楼层数较多，从而恒荷较重、活荷层数较多，经过比较，往往为平时的受力状态所控制。主楼的基础计算按无人防情况下的计算方法即可，但结构构造应该按人防要求进行构造设计。经过分析研究之后基础型式设计成筏板基础，满足了各方面的设计要求。
主楼周围的裙房部分层数少、荷载小，如果采用筏板基础是不经济的，于是采用的独立基础。但是地下工程有防水要求，独立基础本身是不能做到的。为此在独立基础之间加了防水板，这样做既满足了防水功能的要求，而且经济性得到了实现。
人防地下室与普通地下室一样，当主楼地下室四周不是直接与土壤相连时，要关注主体结构是否有可靠的侧限，它关乎结构的稳定问题。该工程四周的车库结构有着较好的刚度，车库顶板之上的覆土也能起到侧限的作用。车库顶板的标高在主楼地下一层的层间，对于传递主楼的倾覆力是一个不利的因素，为此在顶板与主楼地下室外墙交接处采取了加强措施。
关于主楼基础下地基承载力的深度修正问题，当主楼地下室四周有裙房地下室时，如果基础为筏型基础，并且基础之上的重量能够等同挖出土体的重量时，主楼基础下承载力的深度修正可以按室外地坪至主楼基底的距离进行。该工程附房基础为独立基础，深度修正的深度应该按主楼基底至附房地下室室内地坪的距离。

    2.3人防工程顶板设计


上部结构的作用是众所周知的，它关系到各层的安全以及建筑功能的充分发挥，上部结构的结构选型要与人防工程的结构选型相匹配。作为本工程来说，地面之上部分不设人防，只要荷载、构件尺寸选取得当，很容易满足要求，因此我们着重对地下二层顶的人防顶板进行讨论。


2.3.1基本算法
普通工程承受的是静荷载，而人防工程承受的是爆炸产生的动荷载，空气冲击波的升压时间是非常短的，这也是人防工程与普通工程的根本区别。
人防工程在快速加载的情况下，材料的强度得到了提高，因此利用普通情况下的材料强度应乘以一个大于1的材料强度综合调整系数rd。钢材按不同的种类有着不同的rd，混凝土按不同的强度等级、砌体按不同的材料也有着不同的rd。
人防工程与普通工程一样，当构件是延性破坏时的安全储备大，脆性破坏时的安全储备小。因此对脆性破坏的受力情况需乘以一个小于1的动荷载作用下的强度折减系数，使脆性破坏的部位不会过早地破坏，并且使整个结构的破坏时间得到延长。
有两种情况需要进行折减，其一是按等效静荷载进行梁、柱斜截面承载力验算时，混凝土及砌体在动荷载作用下的强度设计值应乘以折减系数0.8;其二是按等效静荷载进行墙、柱受压正截面承载力验算时，混凝土及砌体在动荷载作用下的轴心抗压强度设计值应乘以折减系数0.8。
当进行构件计算时，应根据不同的计算项目分别对材料强度进行修正，有的只乘材料强度综合调整系数rd，有的则乘以材料强度综合调整系数rd与折减系数(0.8)的乘积。
2.3.2软件算法
人防梁、板的传统算法，计算过程比较繁琐。随着计算软件的不断开发和完善，PKPM等软件已有了计算人防梁、板的程序，大大减小了工作量，但对于人防梁、板计算原理的理解是设计工作的基础。结构分析所采用的电算程序应经考核和验证，其技术条件应符合有关规范和有关标准的要求。对于电算的计算结果应依靠经验和其他有效的方法进行检查后方可使用，不能盲目地采用计算结果。
2.3.3计算系数的选取问题
随着PKPM计算软件的广泛应用，在计算本工程梁、板时只要根据本工程的建筑形状输入相符的模型，并输入正确的梁、板相关信息之后，即可根据电算得到的梁、板配筋做出施工图。因此计算结果的合理性是至关重要的。输入模型时主楼与裙房是连在一起的，楼板为非抗震构件，其计算结果与SATWE中的系数选取并无关系。但是，梁是重要的抗震构件，软件中人工输入的SATWE中各个调整系数对梁配筋量的影响很大。主楼为剪力墙结构，而其周围的地下车库及商业用房均为框架结构，两种不同的结构体系使用相同的设计参数显然是不合理的。首先，两种结构体系的周期折减系数应有所差别。混凝土结构在进行结构内力位移分析时，只考虑梁、柱、墙等主要结构构件的刚度，而没有考虑框架结构和剪力墙结构中填充墙的刚度，造成计算结果中的周期较长，计算结果偏小。在实际计算中，应根据建筑的结构类型和填充墙的多少通过调整周期折减系数使计算结果更加真实。主楼为剪力墙结构，墙体较多，车库及商业用房为框架结构，墙体较少，因此两者应区别对待。其次，主楼需要考虑连梁的刚度折减。在承载能力极限状态和正常使用极限状态设计中，高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析。但剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体刚度较小，而承受的弯矩和剪力往往较大，超筋现象严重。因此，抗震设计时，可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂而把内力转移到墙体等其他构件上。本工程是将连梁的刚度折减系数定为0.55。再者，主楼为核6级人防，而其周围的裙房无人防要求，也应区别对待。
本工程地下二层顶梁、板的计算采用了下面的方法。第一次计算时，输入人防荷载，考虑连梁刚度折减系数0.55，结构体系选定为剪力墙结构，周期折减系数取为0.9，此次计算只选取主楼部分的计算结果。另外拷贝一个计算文件进行第二次计算，去掉人防荷载，不考虑连梁刚度折减系数，结构体系选定为框架结构，周期折减系数取为0.8，此次计算只选取裙房部分的计算结果。这样一来，虽然计算的工作量有所增加，但其计算结果比较真实地符合结构的受力状况。

3 人防工程的构造

人防工程的构造规定是根据其承受动荷载以及荷载较大的特点而制定的，是保证核爆炸动荷载作用的工作所必需的。
防空地下室结构使用的材料、地下室的抗渗等级、结构构件的最小厚度等都比普通结构要求高。
由于防空地下室结构构件的截面尺寸通常较大，某些部分的受力钢筋如果不注意会出现小于最小配筋百分率的情况，这种现象应该避免出现。控制最小配筋百分率就可以改善其脆性特征，避免混凝土突然压溃。
地下人防的钢筋混凝土板、墙体都是双面配筋，应该按要求设置梅花形排列的拉结钢筋。这项构造措施能保证构件在振动环境下钢筋与混凝土很好地共同工作。
若在防护单元内设置沉降缝、伸缩缝，防护缝的处理是非常困难的。这些结构缝的处理目标是既能阻止冲击波又不能影响沉降缝和伸缩缝的功能。目前还没有合适的材料也没有合适的连接方法来解决这一问题，因此在防护单元内不宜设置沉降缝和伸缩缝。
在室外出入口与主体结构连接处，宜设置沉降缝。因为沉降缝设在防护密闭门之外，没有结构缝需要防护的问题。另外，室外出入口及走道一般都是狭长的，从协调变形的角度考虑也应该在此处设置沉降缝。

4 结语

单建式人防工程一般都是由专业设计单位去完成，我们遇到的较少，而我们接触到的附建式人防工程却越来越多，需要不断深入地学习和探讨。我们要选择合理的结构型式，计算中要明了其与普通结构的相同和不同之处，充分利用人防工程的电算程序，做到既简化计算又要与工程的实际情况相符合，达到优化设计的目的。




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