深圳市某实业有限公司306高层工业厂房是一栋18层(地下1层)的框架—剪力墙结构型式的高层工业建筑。建筑面积31200m²,建筑高度79.8m,地震烈度7度,框架等级3级,剪力墙等级2级。地下室面积3908m²,其中含人防面积1390m²,分两个人防单元,层高4.4m,桩基采用预应力砼管桩。地下室的设计中考虑人防问题,要平战结合,即既要考虑平时使用时载荷较小,需满足建筑使用上大空间的问题,又要考虑人防时载荷较大,结构上很难满足大空间的问题。
人防即人民防空,人民防空的任务是根据国防的需要,动员和组织群众采取防护措施,防范和减轻空袭危害。除采取人员疏散的措施之外,也是战时防空最重要的措施之一。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,那么,这些内容的结构设计与一般的结构设计有何不同呢?1)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%;4)材料设计强度可以提高。实验表明,在快速加载的情况下,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,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,砼强度可提高1.5倍,在设计中考虑材料强度综合调整系数来完成;5)重视构造要求。人防设计的许多构造要求与一般的建筑设计不同,要求更为严格,故仅仅考虑受力计算,不考虑构造措施是不合理的。根据以上所述的结构设计特点,可以确定防空地下室结构设计的一般要求: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,而侧墙和底板则因防空地下室结构形式的不同而由实际情况确定;2)进行强度验算。由于在核爆动载荷作用下,结构构件变形极限已由允许延性比控制,且在确定各种构件允许延性比时,考虑了对变形的限制,因而在防空地下室的结构设计中,不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算;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;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。了解了人防结构设计的特点及原则之后,必须确定计算所需的载荷值。
如前所述,人防地下室结构设计主要考虑抵抗空气冲击波。核武器在空中爆炸时,当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,则会合成为一单一的冲击波,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,因空气冲击波作用于地表,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。本工程人防地下室防护等级为6级,采用全埋式现浇钢筋混凝土人防地下室,各部位等效静载荷取值分别为: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,等效静载荷标准值q=60kN/m²。2）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）底板。本工程采用桩基础,当核爆载荷q作用于顶板时,载荷随板、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产生的力由桩与底板共同承受,故小于规范中按箱形地下室板的等效静载荷值(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。4)门框墙。所受载荷由两部分组成,一是直接作用在墙上的载荷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。5)临空墙。依工程实际情况和规范表4.5.7取其等效静载荷标准值为130kN/m²。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;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。其它各种防护密闭门、防爆波活门、扩散室的设计压力均由规范中有关规定选用,当所有构件的等效静载荷值确定后,即可进行结构计算。
在防空地下室结构上的载荷,应包括核爆动载荷、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载荷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载荷组合的项目,本工程各个部位参与组合的载荷分别为:1)顶板。顶板核爆动载荷标准值,顶板静载荷标准值。2)侧墙。竖向:顶板传来的核爆动载荷标准值、静载荷标准值,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:核爆动载荷产生的水平动载荷标准值、土压力、水压力。3)内承重墙(柱)。在本工程中,将平时和战时的载荷值进行对比不难发现,战时所增加的顶板核爆动载荷标准值小于平时各楼层的活载荷标准值之和,故此部位构件不由战时条件控制。在防空地下室结构的设计中,其承载力设计应采用下列极限状态设计表达式:0(GS+QS)≤R(f,f,k,…)。其中,0为结构重要性系数,取1。0;Q为等效静载荷分项系数,取1。0;f为混凝土动力强度设计值(参见文献表4.6.3);f为钢筋动力强度设计值。由上式可明显看出人防设计的特点,与平时状态下的内力情况进行比较,本工程中,顶板、侧壁及人防区域内构件的水平受力由战时控制,底板、基础由平时控制。求出构件的内力和配筋后,剩下的问题就只有一些构造要求了,文献中已作了很详细的规定,结构设计人员只需认真研究体会规范条文的条件和适用范围,结合工程实际情况就可顺利地完成人防地下室各主要构件的设计。人防地下室结构在确定等效载荷和静载荷后可按静力计算方法进行结构内力分析,并可采用静力计算手册和相应图表来计算内力,对等效静载值,最终均应正确反应在载荷草图上,即所有受到核爆动载荷作用的部位,应能准确地确定其作用的部位和相应的等效静载荷值,不能遗漏,否则将造成不安全。对没有核爆动载荷作用部位,则不应考虑有等效静载荷作用,以免造成浪费。
