高層建筑人防地下室結構設計

【摘要】隨著我國經濟增長的速度不斷提升，我國城市地下室的開發利用也在不斷提升，因此本文主要就某高層建筑人防地下室設計實例出發，對人防地下室的組成結果進行詳細的分析后，簡單介紹了人防地下室設計時需要進行的荷載組合以及內力分析。

【關鍵詞】高層建筑；人防地下室；結構設計

0.前言

隨著社會經濟和城市建設的不斷發展，人們對城市綜合防災能力提出了更高的要求，特別是集保障戰時人員與物資掩蔽、防空指揮、醫療救護等功能于一體的人民防空工程，更是得到了更多的關注。建國以來，人民防空工程得到了空前發展，已經不是人們想象中的防空洞，而是與民用建筑設計緊密結合。當代新型人民防空工程主要遵循的是平戰結合的原則，平時就是高層住宅及寫字樓的地下室或是地下停車場，戰時則是作為人防地下室使用。因此，在進行人防地下室設計時，要滿足平時使用時的功能要求。

1工程實例

某高層住宅小區共6棟樓，人防工程位于每棟住宅樓的地下1， 2層和車庫，人防防護區平時作為儲藏間。該人防工程常規武器抗力級別為6級，抗震設防烈度為8度，人防防護區分為6個防護單元（見圖1和表1）。該人防工程設有主要出入口和次要出入口，主要出入口為獨立式外出入口，位于室內范圍以外，各出入口的凈寬之和滿足0.4 m/100人。由于人防要求，一般高層建筑的地下室要兼做人防防護區，普通民用建筑的防空地下室人防等級大多為5， 6級。在進行人防設計時，由于“平戰結合”的設計原則，其結構設計上要求兼顧平時和戰時兩種不同荷載效應組合。因此，如何協調兩種狀態下不同的使用要求，就成為人防地下室設計的關鍵。

2人防地下室的組成和設計特點

2. 1人防地下室的組成

人防地下室的結構主要包括兩個方面：一是地下室的主體結構；二是地下室口部。其中，主體是防空地下室中滿足戰時防護及主要功能要求的部分；口部是指主體與地表面的連接部分。

2.1.1主體

首先，頂板地面不高于室外地平面的全埋式防空地下室，根據國家規定，其外墻頂部應采用鋼筋混凝土，地下室頂部的最小防護距離t不應小于250 mm（見圖2） 。

其次，根據國家規定，平戰結合的防空地下室的頂板厚度不應小250 mm，如果不滿足最小防護厚度要求的頂板，應在其上覆土。最后，由于戰時人防地下室與外界隔絕，只能采用室內循環通風，無法及時補充新鮮空氣，所以必須保證人防地下室有足夠的凈體積容納空氣，防止空氣中的CO2含量超過標準范圍。

2.1.2口部

首先，根據規定，人員掩蔽所戰時出入口門洞凈寬之和必須不小于0. 375 m / 100人，每欄門的通過人數不應超過500人，出入口通道和樓梯的凈寬不小于該門洞的凈寬。

其次，密閉通道的防護密閉門最好采用活門檻，方便平時疏散，防毒通道的體積適當減少，降低換氣量。同時，注意應將濾毒室設置在密閉通道內，避免進排風短路。

最后，在消波設施的設置中，如果無法判斷沖擊波的方向，應將防爆波活門的嵌入深度設置為不小于300 mm。另外為了保證地下室的安全使用，在確定擴散室的尺寸后，應進行驗算。

2. 2人防地下室的設計特點

根據人防地下室的組成，可以將人防地下室的結構設計也分為兩個方面：一是地下室的主體結構設計，包括頂板設計、外側墻設計和底板設計等其他構件的設計；二是地下室孔口的防護設計，包括出入口的防護和消波系統等。

人防地下室和非人防地下室相比，由于戰時武器爆炸產生的動荷載要求，二者在結構設計上有較大區別，一般體現在構造規定、內力計算、材料強度和荷載及荷載組合等方面。

1）遵循平戰轉換原則。一般情況下，普通民用建筑的人防地下室設計以5，6級居多，結構的頂板基本由戰時控制，側墻和底板則是根據不同的地下室結構而定。

2）結構設計的可靠度要求降低。根據國家規定，人防地下室的鋼筋混凝土延性構件失效概率為6. 1 %，大約是一般鋼筋混凝土延性構件失效概率的100倍左右。

3）材料強度設計值提高。根據實驗表明，在快速加載的情況下，材料強度會提高，例如鋼材強度設計值可提高1. 2 ～ 1. 5倍，砌體強度設計值可提高1.2 ～ 1. 3倍。

4）可采用靜力計算方法分析結構動力。由于人防荷載為偶然荷載，即動荷載，是一種在結構的設計使用年限內不一定出現的荷載。可以采取等效靜荷載法來分析其結構動力，然后用靜力計算方法分析其結構內力。

5）可只進行強度計算。由于在爆炸動荷載作用下，結構構件變形極限已用允許延性比控制，所以結構可不必再單獨進行變形裂縫及地基承載力計算。

6）構造要求更嚴格。人防地下室的設計和非人防地下室相比，構造要求更為嚴格，不能只考慮受力，不考慮構造措施，如人防地下室結構構件最小厚度、最小配筋率等各個方面都要重視。

7）結構構件可按彈塑性工作狀態設計。由于人防荷載主要考慮的是常規武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載，一般在設計人防地下室結構時均按一次作用考慮，作用時間為1s左右。因此，可考慮按彈塑性工作狀態計算結構內力，有利于承受更大的爆炸動荷載，具有較大的經濟意義。

3人防地下室荷載組合和內力分析

3. 1人防地下室荷載組合

人防地下室的荷載主要是動荷載和靜荷載兩方面，其中，動荷載主要是戰時常規武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載，靜荷載有上部建筑物自重、上部結構外荷載、土壓力、水壓力及防空地下室自重等。根據地下室結構，不同部位需要考慮不同的荷載組合，如表2所示。

表2 人防地下室各構件的荷載組合

3. 2人防地下室內力分析

由于人防地下室結構的獨特性，可以按照靜力計算方法進行結構內力分析。其中承載力設計應采用下列極限狀態設計表達式：

式中 ——結構重要性系數，取1. 0；

——永久荷載分項系數，當其效應對結構不利時取1. 2，有利時取1.0；

——永久荷載效應標準值；

——等效靜載分項系數，取1.0；

——等效靜載效應標準值；

R——結構構件承載力設計值；

R（·）結構構件承載力函數；

fcd——混凝土動力強度設計值；

fyd——鋼筋（鋼材）動力強度設計值；

——幾何參數標準值。

根據上述表達式，可以看到承載力設計中結構重要系數的取值為1，這是由于結構的重要性主要已體現在抗力級別上。其次，等效靜荷載是設計中的規定值，根據規定，動荷載屬于偶然荷載，偶然作用的代表值不乘以分項系數，所以等效靜荷載的分項系數取值為1。同時，由于人防地下室的可靠度要求降低，所以等效靜荷載的分項系數取值為不宜大于1；又由于即使是偶然荷載也是構件設計的重要荷載，所以等效靜荷載的分項系數取值為不宜小于1。

4結語

城市建設的不斷發展和地下空間開發利用水平的提高，使得高層建筑地下室設計成為建筑工程的一個重要部分，與普通地下室相比，防空地下室設計中由于需要遵循平戰結合的原則，既要考慮平時的利用，又要考慮戰時爆炸動荷載作用，同時還要兼顧經濟性和合理性，對其結構設計提出了更高的要求。因此，在防空地下室設計中要求設計者了解防空地下室的設計規范，并能夠根據實際情況計算人防地下室各個部位的荷載及進行內力分析，在實際的建設過程中能夠不斷地總結相關技術問題，不斷提高防空地下室結構設計的合理性。

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