论文部分内容阅读
［摘要］； 高层建筑下人防工程对结构要求非常高，文章结合工程实例对高层建筑下的人防工程的结构设计计算方法进行了分析比较，并针对人防工程基础设计及梁板设计计算方法的合理选择进行了研究，已达到人防工程结构优化设计的目的，以供同类人防工程结构设计参考。
［关键词］； 附建式人防工程；结构设计；计算
Abstract]:High-rise building is under very high requirement of civil air defense engineering structure. This paper combined with calculation method of structure design of high-rise building under the civil air defense engineering discusses the reasonable selection of engineering examples, and the calculation method for the foundation design of civil air defense engineering and beam plate design, research, has reached the goal of optimal design of civil air defense engineering structure for the structure design, the civil air defense engineering reference.
(key words); report of civil defense engineering; structural design; calculation
中圖分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
1 工程实例
某高层住宅建筑，主楼26 层，主楼下设置两层地下室，平时为地下车库，负二层为人防地下室，该人防地下室的人防等级为核6 级。设计为框架剪力墙结构，基础形式为独立基础。地下车库基础底标高与主楼的基础底标高一致，车库的顶板标高则处于负一层的层间。顶板上覆土1.6 米，车库与主楼连成为一体。主楼一侧设有裙房，两层、框架结构，它是由地下车库上延而成，从车库顶板开始与主楼脱开
2 人防工程结构设计
2.1 人防工程的概念以及设计原理
人防工程的全称为人民防空工程，其作用主要是在发生战争时，为人民提供躲避、物资掩蔽、医疗救护等的场所。人防工程可以分为以下四种类型：地道式、坑道式、单建式、附建式，其中附建式应用较为广泛。附建式防空地下室具有经济合理、建设方便、节约土地、战时居民躲避方便、防空能力强等诸多优点，因此是防空工程建设的主体，是最为广泛应用的人防工程形式。附建式人防工程的经济效益尤为显著，附建式人防程的建设是与建筑物结合为一体的，尤其是高层建筑，它本身就需要设置地下室，而在高层建筑物稳定性的计算时也必须考虑设置地下室。平时这些地下人防工程又可以用来作为车库、商业用房来使用，充分发挥其使用价值，实现其经济效益。地下人防工程结构设计时必须考虑到战争时常规炸弹、核弹爆炸产生的冲击荷载，因为人防工程结构需要直接承受抵抗这种冲击波及压缩波的作用。但是这种动荷载的内力计算十分复杂，因此必须将其进行简化，并使之与动荷作用状态的受力情况相符合。可以采用等效静载法来实现设计计算的简化，而且可以保证人防工程结构的防护能力。
2.2 基础设计
在进行人防工程的基础设计时，和其他建筑工程设计一样，应该考虑到结构的承载能力、结构的耐久性能的同时，还需要兼顾其经济性，选用最优的基础形式。
为保证人防工程人防工程结构的安全性，必须对核弹爆炸动荷载作用下的结构承载力进行验算。但是由于其荷载作用时间非常短，所以对地基的承载力、变形、裂缝等可以不进行验算。虽然人防等效静荷载往往非常的大，但是不一定就可以将其作为设计的控制条件，而是应该与平常使用的情况对比，选择最不利的情况作为设计的主要控制依据。对于和平时期人防工程的验算，与其他普通工程基本相同，将恒载、活载都乘上规范规定的相应的分项系数。而战争时期的验算则需要同时考虑到核弹爆炸等效静荷载与恒载，而活载则可以不考虑，核爆荷载也不
需要乘上分项系数。考虑到主楼的层数较多，结构自重较大，活载层数较多，通过对比分析，往往为平时的受力情况控制。主楼基础的设计计算按平时和战时两种状态进行比较,取大值。对于主楼四周的裙房，其基础若采用筏板基础显然是不经济的，因为其层数少（仅2 层）、荷载也非常小，因此决定采用独立基础。
但是独立基础自身不具备防水能力，而地下工程有防水要求，因此在独立基础间设置防水板，不但解决了防水的问题，还能节约投资。当主楼四周不与土壤直接相连时，则要考虑主体结构的侧限是否可靠，因为这直接影响到结构的稳定性。本工程四周的普通车库结构的刚度非常大，再加上车库顶覆盖有1.6 米厚的土壤，这些都能很好的起到侧限的作用。由于车库顶板标高处于主楼负一层的层间，对主楼倾覆力的传递极为不利，设计时应减小车库顶板与负一层底板的高差，并采取楼板加腋等措施，保证水平力的传递。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。本工程裙房基础形式为独立基础，修正的深度则可
按照主楼基础底到裙房地下室内地坪的距离。
2.3 顶板设计
人防工程上部结构关系到各层的安全性以及建筑物的使用功能，因此，上部结构的型式的选择必须与人防工程结构选型匹配。对于该工程，地面上不设人防，只要荷载、构件的结构尺寸选取合理，就很容易满足要求，因此，重点对第二层的人防顶板设计进行研究。
2.3.1 基本算法
人防工程与一般普通工程根本的区别在于普通工程只承受静荷载，而人防工程则要在极短的时间内承受爆炸产生的动荷载冲击波。人防工程在瞬时加载的时，其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。钢材按不同的种类有着不同的调整系数，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调整系数。人防工程结构构件在承受延性破坏时，其安全储备大，当承受脆性破坏时，其安全储备小。所以，当构件承受脆性破坏力的状况时应该乘上一个小于1 的强度折减系数，这样一来，易产生脆性破坏的部位则不会过快的破坏，从而延长整个结构的破坏时间。在以下两种情况下应该进行折减，一是按照等效静荷载对梁、柱斜截面承载力进行验算时，砼及砌体在动载作用下的设计强度值应该乘以一个折减系数，其数值为0.8；另一种是按照等效静荷载对墙、柱受压正截面承载力进行验算时，砼及砌体在动载作用下的轴心抗压强度设计值应该乘上一个折减系数，其值为0.8。
在进行人防工程结构计算时，应该根据不同的项目分别修正其材料强度的设计值，有的只需要乘上材料强度综合调整系数，有的在需要同时乘上材料强度综合调整系数与折减系数。
2.3.2 电算法
由于人防工程梁、板传统的计算方法其过程相当的繁琐，很容易出现错误。随着现代计算机软件在工程设计计算中运用，大大减小了计算工作量，而且计算准确，不容易出错。但是，电算程序有着其自身的缺陷，在使用计算程序前应该对该程序的计算准确性进行考验，其采用的技术标准应该与现行的技术标准一致。对电算出来的结果，应该经过验证复核后方能使用。
2.3.3 参数的选取
现在，PKPM计算软件已经在工程设计计算中得以相当广泛的应用，在计算梁、板时，仅需要根据工程的建筑现状输入相应的模型，再将梁、板相关信息输入，便立即可以计算出梁、板的配筋图。所以，电算结果的合理性相当重要。在电算时，输入的计算模型为主楼与裙楼连接在一起的，楼板是非抗震构件，因此计算出来的结果并不受SATWE中的系数选取的影响。但是，梁是抗震构件，因此，其计算结果与软件中人工输入的各项调整系数有着很大的关系。该工程主楼为剪力墙结构，而裙房及地下车库均为框架结构，这两种不同类型的结构体系采用相同的设计参数显然是不合理的。第一，这两种结构体系其周期折减系数应该是不同的。在进行结构内力位移分析时，仅将梁、柱、墙等主要构件的刚度计算在内，而未将填充墙的刚度考虑进去，这就使得计算出来的结果中周期较长，计算结果偏小。而在实际计算过程中，为保证计算结果的准确性，应该根据建筑物不同的结构类型及填充墙的数量来调整周期折减系数。本工程中主楼为框架剪力墙结构，其填充墙较多，而裙房及地下车库为框架结构，填充墙较少，因此计算时应该区分开来。第二，主楼还应该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。根据该工程的具体情况，我们将连梁的刚度折减系数取值为0.55。我们采用了以下方法對负二层顶梁、板进行计算。我们对其进行了两次计算，第一次，输入人防荷载，并取连梁刚度折减系数为0.55，将结构体系选定为框架剪力墙结构，取0.9 为周期折减系数，计算结果中我们只选取主楼部分的结果；第二次，将人防荷载取消，将结构体系选定为框架结构，不需要考虑连梁刚度折减系数，而将周期折减系数调整为0.8，此次计算结果中我们只选取裙房部分。这样虽然增加了计算的工作量，但是计算出来的结果则更符合结构的实际受力状况。
3 构造设计
由于人防工程需要承受的荷载较大，而且需要承受核弹爆炸的动荷载作用，因此其结构材料、抗渗等级、构件的最小厚度等都要高于普通结构的要求。地下人防工程结构构件的截面尺寸往往比较大，因此，在进行配筋设计时，应该注意避免出现配筋率小于最小配筋率的情况，以防止结构物在荷载的作用下产生脆性破坏，出现突然压溃现象。地下人防工程的板、墙等都应该采用双面配筋，并且按照规范要求设置梅花形拉结筋，确保构件在震动状态下钢筋与混凝土结合良好，共同受力。地下人防工程不宜在防护单元内设置沉降缝、伸缩缝。因为，要想让这些缝又能够阻止抵抗巨大的冲击力又能起到其自身的功能几乎是不可能的。应该在室外出入口和主体结构相连接的位置设置沉降缝。
4 结语
高层建筑下附建式地下人防工程是最为广泛应用的一种类型，其结构设计的优劣直接关系整个人防工程的质量，关系到人们的生命财产安全，因此，我们在进行人防工程结构设计时应该选用合理的结构形式，采取恰当的计算方法，充分利用计算机电算程序，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。
［参考文献］
[1] GB50007- 2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2] JGJ3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
［关键词］； 附建式人防工程；结构设计；计算
Abstract]:High-rise building is under very high requirement of civil air defense engineering structure. This paper combined with calculation method of structure design of high-rise building under the civil air defense engineering discusses the reasonable selection of engineering examples, and the calculation method for the foundation design of civil air defense engineering and beam plate design, research, has reached the goal of optimal design of civil air defense engineering structure for the structure design, the civil air defense engineering reference.
(key words); report of civil defense engineering; structural design; calculation
中圖分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
1 工程实例
某高层住宅建筑，主楼26 层，主楼下设置两层地下室，平时为地下车库，负二层为人防地下室，该人防地下室的人防等级为核6 级。设计为框架剪力墙结构，基础形式为独立基础。地下车库基础底标高与主楼的基础底标高一致，车库的顶板标高则处于负一层的层间。顶板上覆土1.6 米，车库与主楼连成为一体。主楼一侧设有裙房，两层、框架结构，它是由地下车库上延而成，从车库顶板开始与主楼脱开
2 人防工程结构设计
2.1 人防工程的概念以及设计原理
人防工程的全称为人民防空工程，其作用主要是在发生战争时，为人民提供躲避、物资掩蔽、医疗救护等的场所。人防工程可以分为以下四种类型：地道式、坑道式、单建式、附建式，其中附建式应用较为广泛。附建式防空地下室具有经济合理、建设方便、节约土地、战时居民躲避方便、防空能力强等诸多优点，因此是防空工程建设的主体，是最为广泛应用的人防工程形式。附建式人防工程的经济效益尤为显著，附建式人防程的建设是与建筑物结合为一体的，尤其是高层建筑，它本身就需要设置地下室，而在高层建筑物稳定性的计算时也必须考虑设置地下室。平时这些地下人防工程又可以用来作为车库、商业用房来使用，充分发挥其使用价值，实现其经济效益。地下人防工程结构设计时必须考虑到战争时常规炸弹、核弹爆炸产生的冲击荷载，因为人防工程结构需要直接承受抵抗这种冲击波及压缩波的作用。但是这种动荷载的内力计算十分复杂，因此必须将其进行简化，并使之与动荷作用状态的受力情况相符合。可以采用等效静载法来实现设计计算的简化，而且可以保证人防工程结构的防护能力。
2.2 基础设计
在进行人防工程的基础设计时，和其他建筑工程设计一样，应该考虑到结构的承载能力、结构的耐久性能的同时，还需要兼顾其经济性，选用最优的基础形式。
为保证人防工程人防工程结构的安全性，必须对核弹爆炸动荷载作用下的结构承载力进行验算。但是由于其荷载作用时间非常短，所以对地基的承载力、变形、裂缝等可以不进行验算。虽然人防等效静荷载往往非常的大，但是不一定就可以将其作为设计的控制条件，而是应该与平常使用的情况对比，选择最不利的情况作为设计的主要控制依据。对于和平时期人防工程的验算，与其他普通工程基本相同，将恒载、活载都乘上规范规定的相应的分项系数。而战争时期的验算则需要同时考虑到核弹爆炸等效静荷载与恒载，而活载则可以不考虑，核爆荷载也不
需要乘上分项系数。考虑到主楼的层数较多，结构自重较大，活载层数较多，通过对比分析，往往为平时的受力情况控制。主楼基础的设计计算按平时和战时两种状态进行比较,取大值。对于主楼四周的裙房，其基础若采用筏板基础显然是不经济的，因为其层数少（仅2 层）、荷载也非常小，因此决定采用独立基础。
但是独立基础自身不具备防水能力，而地下工程有防水要求，因此在独立基础间设置防水板，不但解决了防水的问题，还能节约投资。当主楼四周不与土壤直接相连时，则要考虑主体结构的侧限是否可靠，因为这直接影响到结构的稳定性。本工程四周的普通车库结构的刚度非常大，再加上车库顶覆盖有1.6 米厚的土壤，这些都能很好的起到侧限的作用。由于车库顶板标高处于主楼负一层的层间，对主楼倾覆力的传递极为不利，设计时应减小车库顶板与负一层底板的高差，并采取楼板加腋等措施，保证水平力的传递。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。本工程裙房基础形式为独立基础，修正的深度则可
按照主楼基础底到裙房地下室内地坪的距离。
2.3 顶板设计
人防工程上部结构关系到各层的安全性以及建筑物的使用功能，因此，上部结构的型式的选择必须与人防工程结构选型匹配。对于该工程，地面上不设人防，只要荷载、构件的结构尺寸选取合理，就很容易满足要求，因此，重点对第二层的人防顶板设计进行研究。
2.3.1 基本算法
人防工程与一般普通工程根本的区别在于普通工程只承受静荷载，而人防工程则要在极短的时间内承受爆炸产生的动荷载冲击波。人防工程在瞬时加载的时，其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。钢材按不同的种类有着不同的调整系数，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调整系数。人防工程结构构件在承受延性破坏时，其安全储备大，当承受脆性破坏时，其安全储备小。所以，当构件承受脆性破坏力的状况时应该乘上一个小于1 的强度折减系数，这样一来，易产生脆性破坏的部位则不会过快的破坏，从而延长整个结构的破坏时间。在以下两种情况下应该进行折减，一是按照等效静荷载对梁、柱斜截面承载力进行验算时，砼及砌体在动载作用下的设计强度值应该乘以一个折减系数，其数值为0.8；另一种是按照等效静荷载对墙、柱受压正截面承载力进行验算时，砼及砌体在动载作用下的轴心抗压强度设计值应该乘上一个折减系数，其值为0.8。
在进行人防工程结构计算时，应该根据不同的项目分别修正其材料强度的设计值，有的只需要乘上材料强度综合调整系数，有的在需要同时乘上材料强度综合调整系数与折减系数。
2.3.2 电算法
由于人防工程梁、板传统的计算方法其过程相当的繁琐，很容易出现错误。随着现代计算机软件在工程设计计算中运用，大大减小了计算工作量，而且计算准确，不容易出错。但是，电算程序有着其自身的缺陷，在使用计算程序前应该对该程序的计算准确性进行考验，其采用的技术标准应该与现行的技术标准一致。对电算出来的结果，应该经过验证复核后方能使用。
2.3.3 参数的选取
现在，PKPM计算软件已经在工程设计计算中得以相当广泛的应用，在计算梁、板时，仅需要根据工程的建筑现状输入相应的模型，再将梁、板相关信息输入，便立即可以计算出梁、板的配筋图。所以，电算结果的合理性相当重要。在电算时，输入的计算模型为主楼与裙楼连接在一起的，楼板是非抗震构件，因此计算出来的结果并不受SATWE中的系数选取的影响。但是，梁是抗震构件，因此，其计算结果与软件中人工输入的各项调整系数有着很大的关系。该工程主楼为剪力墙结构，而裙房及地下车库均为框架结构，这两种不同类型的结构体系采用相同的设计参数显然是不合理的。第一，这两种结构体系其周期折减系数应该是不同的。在进行结构内力位移分析时，仅将梁、柱、墙等主要构件的刚度计算在内，而未将填充墙的刚度考虑进去，这就使得计算出来的结果中周期较长，计算结果偏小。而在实际计算过程中，为保证计算结果的准确性，应该根据建筑物不同的结构类型及填充墙的数量来调整周期折减系数。本工程中主楼为框架剪力墙结构，其填充墙较多，而裙房及地下车库为框架结构，填充墙较少，因此计算时应该区分开来。第二，主楼还应该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。根据该工程的具体情况，我们将连梁的刚度折减系数取值为0.55。我们采用了以下方法對负二层顶梁、板进行计算。我们对其进行了两次计算，第一次，输入人防荷载，并取连梁刚度折减系数为0.55，将结构体系选定为框架剪力墙结构，取0.9 为周期折减系数，计算结果中我们只选取主楼部分的结果；第二次，将人防荷载取消，将结构体系选定为框架结构，不需要考虑连梁刚度折减系数，而将周期折减系数调整为0.8，此次计算结果中我们只选取裙房部分。这样虽然增加了计算的工作量，但是计算出来的结果则更符合结构的实际受力状况。
3 构造设计
由于人防工程需要承受的荷载较大，而且需要承受核弹爆炸的动荷载作用，因此其结构材料、抗渗等级、构件的最小厚度等都要高于普通结构的要求。地下人防工程结构构件的截面尺寸往往比较大，因此，在进行配筋设计时，应该注意避免出现配筋率小于最小配筋率的情况，以防止结构物在荷载的作用下产生脆性破坏，出现突然压溃现象。地下人防工程的板、墙等都应该采用双面配筋，并且按照规范要求设置梅花形拉结筋，确保构件在震动状态下钢筋与混凝土结合良好，共同受力。地下人防工程不宜在防护单元内设置沉降缝、伸缩缝。因为，要想让这些缝又能够阻止抵抗巨大的冲击力又能起到其自身的功能几乎是不可能的。应该在室外出入口和主体结构相连接的位置设置沉降缝。
4 结语
高层建筑下附建式地下人防工程是最为广泛应用的一种类型，其结构设计的优劣直接关系整个人防工程的质量，关系到人们的生命财产安全，因此，我们在进行人防工程结构设计时应该选用合理的结构形式，采取恰当的计算方法，充分利用计算机电算程序，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。
［参考文献］
[1] GB50007- 2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2] JGJ3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.