民用防空地下室结构设计概述

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民用防空地下室结构设计概述

防空地下室的结构设计是民用建筑结构设计当中相对比较复杂的部分，体积大，投资大，涉及荷载及构件多，同时又是结构上下转换层、上部结构嵌固端，如设计不当又时常引发渗漏水等现象，但现在由于和平已久，同时面临房产单位精细化设计控制成本等诸多矛盾因素，使得一部分设计人员滋生了一种轻视防空地下室结构设计的情绪，在这种情况下认真对待民用防空地下室结构设计是很必要的。下面从人民防空的作用开始论述。



标签： 地下室；结构；防空

人防工程的作用总结起来主要有以下三点：

第一：人防工程对核武器、化学武器和常规武器的袭击都有较好的防护作用。首先，人防工程在遭受核武器、化学及生物武器袭击时可以大大减少人员伤亡，前苏联的有关专家估算，一个没有采取核防护措施的城市，伤亡率可达90%，而采取措施后只有5-8%的伤亡；另外，多次实验也表明，经“沙林”毒剂的多次袭击，人防工程内的实验动物仍可安然无恙。



第二：人防工程对地震等自然灾害有较好的防护作用。据对四川汶川地震后的调查，凡有地下室的楼房，地震破坏就小，在地面建筑一片废墟的情况下，防空地下室基本完整无损，震后有很多人在地下室内生活和避震，保护了居民的生命和财产安全。



第三：随着经济的发展，现代化的城市人口膨胀，用地紧张，大力发展地下工程可解决这一问题。在城市建设考虑立体化发展的时候，不少国家的城市兴起“地下热”，结合人防工程的要求，大量修建了地下铁路、地下停车场、地下工厂和仓库、地下街道和商店等，节省土地资源，缓解城市交通拥挤的矛盾，扩大绿地面积，保护地面自然生态环境，有利于生态平衡，同时有力促进经济建设的发展。



对于我们工程设计人员来说，就是要在设计中严格遵守《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）及地方政策的相关规定，在规范的落实中笔者以为人防设计有以下特点：



第一、结构设计的可靠性可以降低，一般建筑结构pf≈10%，而人防结构pf≈6%，第二，考虑结构的动力响应，第三，结构构件可考虑进入塑性工作状态，第四、材料设计强度可以提高，实验表明，在快速加载的情况下，这时材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高，但变形性能包括塑性性能等基本不变，这对结构工作起到有利作用，例如钢材强度可提高1.15～1.5倍，对砼强度可提高1.5倍，这是在设计中考虑材料强度综合调整系数来完成的，第五，重视构造要求，人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的，要求更为严格，如对混凝土强度，地下室顶板的最小厚度，钢筋混凝土剪力墙厚度等，故




仅仅只考虑受力计算，不考虑构造措施是不合理的。



根据以上所述的结构设计的特点，我们可以确定防空地下室结构设计的一般原则，①平战结合，取控制条件，在民用建筑的人防地下室的结构设计中，一般只涉及5级或6级人防设计，结构的顶板基本上都由战时控制，而侧墙和底板则因地下室的结构型式的不同而由实际情况确定；②只进行强度的验算，由于在核爆动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比的控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在防空地下室结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算；③只考虑一次核袭击；④注意各部件的协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用。



基于以上原则，防空地下室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、底板等其它构件的结构设计，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，详细概述如下：



1）地下室柱网跨度的确定。由于平战结合原则，既要满足建筑使用上大空间又要承受较大人防时荷载，从而限制了结构跨度，根据地下室交通等规范要求，地库单向行驶车道不小于6米的要求，同时一个标准车位是5.5米长，故建议柱网为8.1米较为适宜。



2）各构件厚度的取值及人防荷载的确定。人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波，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，则侧壁和底板会产生超压、动压和负压作用。据此，结合《人防设计规范》，常见的全埋式现浇砼民用防空地下室，上部为框架剪力墙结构，基础为预制砼桩，设防级别为核6、常6级，各部位等效静荷载取值如下：



顶板：一般首层外墙为填充墙，不计上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响，故取q=60KN/m2，顶板厚度取值200mm；



侧墙：上部建筑物为抗震设防的框架—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，根据本工程一版地质条件，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之间，侧墙厚度取值250～300mm。



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，由核爆产生的荷载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40～50KN/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，板厚取值250～300mm。






门框墙：所受荷载由门和直接作用墙上荷载两部分组成，直接作用在墙上的荷载qe=200KN/m2。门扇传来的等效静载标准值按门扇大小计算取值。



临空墙：依工程一般实际情况和规范表4.5.7取其等效静荷载标准值为130KN/m2。



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。；二是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。孔口：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。

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，横向力即動压设计值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。



3）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，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，以上举例工程，各个部位一般参与组合的荷载分别为：



3.1顶板：顶板核爆动荷载标准值，顶板静荷载标准值。

3.2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内承重墙（柱）：在以上举例一般工程中，将平时和战时的荷载值进行对比发现，战时所增加的顶板核爆动荷载标准值小于平时各楼层的活荷载标准值之和，故此部位构件不由战时条件控制。



3.4孔口：孔口包含三部分：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；三是孔口其它构件，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已在上节中谈到了荷载的确定，设计人员可按一般墙体的计算模式。所有构件的等效静荷载值确定后，即可进行结构计算及通过PKPM核算。



防空地下室建设是项百年大计，利在当代、功在千秋的大事，是我国城市化建设中的重要一环，作为每一个设计人员及工程参与方，我们有责任有义务把民用人防工程建设好。

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