研究人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張翀

摘 要：本文作者經(jīng)過多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)二者進(jìn)行了系統(tǒng)的比較，以供參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；比較分析

抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安排，能夠預(yù)防一定地震級(jí)別對(duì)建筑物的摧殘，而人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的主要是為了保護(hù)常規(guī)武器或者核武器進(jìn)攻之下的震動(dòng)對(duì)群眾帶來的人身安全。從根本上說二者的建筑施工都是以減少震動(dòng)危害為目的的，因此具有一定程度的相同點(diǎn)，同時(shí)由于二者所承受的震動(dòng)性質(zhì)不一致，因此實(shí)際的施工設(shè)計(jì)手段也存在差異。下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：

1 建筑工程人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1.1 建設(shè)工程人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人防建筑結(jié)構(gòu)在建筑施工之前需要進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和實(shí)地勘探考察，設(shè)計(jì)質(zhì)量與施工質(zhì)量二者有明顯的關(guān)系。科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生相應(yīng)的人防效果，在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期和和平時(shí)期都能夠?qū)θ罕姷纳?cái)產(chǎn)起到保護(hù)作用。從目前的施工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)分析，主要存在的人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段有掘開式人防工程和暗挖式人防工程兩種，其中掘開式人防工程又包括單建式人防工程和附建式人防工程，而暗挖式人防工程則包括坑道式和地道式兩種。

1.2 建設(shè)工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然我國(guó)的地震發(fā)生概率比較小，地震帶來的危害較之地震頻發(fā)國(guó)家來說相對(duì)較小，但是為了保證建筑物使用質(zhì)量，確保用戶的人身財(cái)產(chǎn)安全，減少地震發(fā)生時(shí)的重大人身傷亡，進(jìn)行必要的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是必不可少的，尤其是對(duì)于地震發(fā)生概率比較高的省份來說，更應(yīng)該成為建設(shè)施工的重點(diǎn)。現(xiàn)有的建設(shè)施工安全文件規(guī)定安全性指標(biāo)是指建筑工程結(jié)構(gòu)在正常地設(shè)計(jì)、施工和使用條件之下，能夠承受在施工與使用情況下出現(xiàn)的各種荷載或變形，特殊情況下發(fā)生的偶然荷載或突發(fā)事件要保證在發(fā)生事件前后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能不變。而適應(yīng)性指標(biāo)主要是指在建筑結(jié)構(gòu)正常使用的情況下能夠在規(guī)定使用期限內(nèi)其結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變形、裂縫和振動(dòng)等。

2 建筑工程人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)比分析

2.1 設(shè)計(jì)原則的對(duì)比

從理論上分析，無論是人防結(jié)構(gòu)還是抗震結(jié)構(gòu)都是以提高抗震動(dòng)帶來的危害為基礎(chǔ)，他們的施工特點(diǎn)都是提高建筑物的抗震動(dòng)能力，保證在遭受到重大震動(dòng)時(shí)建筑物能夠最大程度的保持完好，從這一方面來說，二者都遵循“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”等基本設(shè)計(jì)原則。此外，二者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念都尊重整體建筑的協(xié)調(diào)性和合作性。以往的建設(shè)施工實(shí)踐表明，即使整體的建構(gòu)設(shè)計(jì)都符合基本的承受系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是只要存在一個(gè)環(huán)節(jié)甚至是一個(gè)小結(jié)構(gòu)的弱承受能力，在地震等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，該小的薄弱環(huán)節(jié)就成為災(zāi)難發(fā)生的源泉，這一點(diǎn)與工程力學(xué)上所講的應(yīng)力集中現(xiàn)象類似。按照物力學(xué)力的基本原理，我們發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部各個(gè)組成部分具有一定的收縮系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，換句話說，施工人員可以通過提高建筑內(nèi)部的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)和吸收能力，來減少外部受到的動(dòng)能威脅，從而降低外部震動(dòng)帶來的建筑物嚴(yán)重破壞，或者降低危害系數(shù)。基于這一理論，建筑施工人員可以從動(dòng)能力量俄轉(zhuǎn)換角度出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。例如可以充分地利用結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件或大偏心受壓構(gòu)件的變形吸收動(dòng)荷載的能量，通過緩沖作用減輕各個(gè)構(gòu)件支座截面的抗剪負(fù)擔(dān)和受力柱的抗壓負(fù)擔(dān)，以確保建筑結(jié)構(gòu)在完全曲屈服前不再出現(xiàn)另外的剪切力破壞，在屈服后還具有足夠的延性以保證構(gòu)件形成最終的塑性破壞，從而達(dá)到提高建筑結(jié)構(gòu)整體承載力的目的。

2.2 設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

從物理學(xué)角度分析，人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是提高力的承受能力，因此，它的設(shè)計(jì)方法也是從物理學(xué)應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，現(xiàn)行主要的設(shè)計(jì)方法是采取等效靜荷載的辦法展開設(shè)計(jì)分析工作。由于建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于擬建工程結(jié)構(gòu)在施工或使用的條件下的設(shè)計(jì)過程，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種動(dòng)荷載的綜合作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件振型與相應(yīng)靜荷載作用下?lián)锨€非常相似，而且在動(dòng)荷載的作用下建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞規(guī)律與相應(yīng)的靜荷載作用下的破壞規(guī)律也相似，因此在動(dòng)力分析過程中，可以通過將建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一種單自由度體系，查表可得相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)，以動(dòng)力系數(shù)與動(dòng)荷載峰值相乘得到等效靜荷載。這樣一來，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件相當(dāng)于在等效靜荷載的作用下，而其各項(xiàng)內(nèi)力就是在各種動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力最大值。此外，提高人防結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，不僅要選用科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，還需要選用具有一定承受力和荷載力的高效建筑結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)在施工單位為了提高原有建筑材料的使用效果，通常在建筑材料內(nèi)加入材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)予以調(diào)整修正，最后通過建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在綜合動(dòng)荷載作用下的變形極限允許延性比加以控制，按照允許延性比進(jìn)行彈塑性能的驗(yàn)算得到最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。

由于地震災(zāi)害的破壞力大，而且地震災(zāi)害具有不可預(yù)測(cè)的性質(zhì)，因此對(duì)于地震災(zāi)害的預(yù)防工作，在建筑施工過程中難度系數(shù)非常高。現(xiàn)有的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念基本可以概括為，抗震建筑物能夠在較低級(jí)別的地震災(zāi)害中確保質(zhì)量安全，不發(fā)生破壞，而在相對(duì)高的地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)細(xì)微的破壞性，但是可以通過后期的修補(bǔ)和維護(hù)繼續(xù)居住，在較高級(jí)別的地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，建筑物能夠保證不坍塌，內(nèi)部居住居民可以安全撤離，減少地震發(fā)生時(shí)的破壞力，但是建筑物無法進(jìn)行二次使用，需要在災(zāi)后進(jìn)行重建。這種設(shè)計(jì)理念與人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間存在差異性，人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法一般先取小震地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)彈性下的地震作用效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力的驗(yàn)算，然后是對(duì)大震下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形力驗(yàn)算完成“二階段”設(shè)計(jì)要求，最后通過應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)成措施來完成“大震不倒”的第三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

2.3 荷載作用方式的對(duì)比

人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二者在荷載作用方式方面的相同點(diǎn)在于都為偶然動(dòng)荷載，設(shè)計(jì)時(shí)均可以以具有一次作用效果考慮，而主要的不同點(diǎn)在于防震結(jié)構(gòu)的荷載作用方式是由于地震事件造成地面運(yùn)動(dòng)而引起的動(dòng)態(tài)慣性作用力，是間接的。人防結(jié)構(gòu)所承受的動(dòng)荷載主要是外部動(dòng)能量直接作用于人防結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件，而人防結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件只是間接的承受附屬構(gòu)件以及建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載作用。人防結(jié)構(gòu)所承受荷載是在短時(shí)間內(nèi)迅速爆發(fā)出來的，由于時(shí)間短，能量大，所以表現(xiàn)的破壞力也就相對(duì)較大，而且會(huì)隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而逐漸消耗。在人防動(dòng)荷載的作用下，材料的力學(xué)性能與在靜荷載作用下相比，材料的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了比較明顯的變化，主要的表現(xiàn)是材料在快速加載作用過程中各種材料強(qiáng)度的提高和結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力可靠性指標(biāo)的變化。

總之，從目前的建筑施工現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)分析，我國(guó)的建筑設(shè)計(jì)越來越重視人防結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，尤其是在遭受到兩次重大地震和如今國(guó)際局勢(shì)的影響之下，用戶對(duì)二者施工的質(zhì)量要求也相對(duì)提高。筆者依據(jù)多年的建筑施工經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)認(rèn)為，人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在某些方面存在共同點(diǎn)，同時(shí)也存在差異，設(shè)計(jì)人員可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高建筑物的使用質(zhì)量和使用年限，推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)快速發(fā)展。

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