建筑結構中的人防設計與抗震設計研究

農宇春

（廣西南寧市人防科研設計院，廣西南寧 530000）

在建筑工程結構設計過程中，人防與抗震設計是兩個十分重要的內容，關系到建筑的使用功能及安全。因此，在實際工作中應根據工程實際情況，結合相關要求認真開展設計，保證設計的合理性、經濟性與可行性，從而為之后的建筑施工與使用奠定良好基礎。

1 工程概況

某建筑的人防工程處在兩條市政路之間的交匯部位，工程周圍存在很多地標性建筑，地形相對復雜，且人口密集。該建筑為地下2 層，總建筑面積在3.5 萬左右，主體結構采用框架結構，戰時作為人員掩蔽所使用，防護等級確定為丙級，地下第1 層的抗力確定為6 級，地下第2 層的抗力確定為5 級。該建筑能有效緩解人車不分流造成的交通擁擠，通過科學合理的布局，能對周圍的商業運營及人文項目等都造成積極影響。

該工程的地層，從上到下依次為：①填土層，層厚在2～4m 范圍內；②第四季沖洪積粘土層，層厚在1.6～7.4m 范圍內，其主要構成為粉細砂或粗砂，K 值為6.2×10-5cm/s；③中粗砂層，層厚在1.3～4.2m 范圍內，其主要構成包括石英質和少量粘土，K 值為1.7×10-3cm/s；④亞粘土層，層厚在 4.4～8.6m 范圍內，其主要構成為風化泥質粉砂巖，K 值為2.3×10-4cm/s；⑤全風化泥質粉砂巖層，層厚在1.5～5.8m 范圍內，其主要構成為土狀風化礦物，K 值為 5.2×10-4cm/s；⑥強風化泥質粉砂巖層，層厚在 0.7～3.6m 范圍內，其主要構成為短柱狀或餅狀碎塊。

該工程的人防結構主要參數包括：①結構的安全等級為一級；②結構的設計使用年限為50 年；③抗震設防烈度為Ⅶ度；④基礎的設計等級為甲級；⑤地下第1 層的人防抗力等級為6 級，地下第2 層的人防抗力等級為5 級。

2 人防和抗震設計

2.1 人防設計

對該工程進行人防設計時，主要是對過去人防工程存在的缺點予以補充，以此改善人們的舒適度，營造良好的商業氛圍，人防主體結構組成部分如圖1 所示。人防結構的主體包括頂底板和內外墻，在主體結構中，不同部分受到的打擊力有很大不同，設計中應引起注意[1]。人防結構受到打擊后，頂板往往是直接受到打擊作用力的部位，對此，頂板厚度一般要達到250mm 以上，確保頂板在受到打擊后發揮出良好的抵抗力。此外，為應對化學武器攻擊，在頂板澆筑過程中可考慮使用密實度較高的防水混凝土。為切實保證頂板穩定性，可采用柱或剪力墻予以可靠支撐。

圖1 人防主體結構組成部分

2.2 抗震設計

該工程結構埋深在5m 左右，地下部分周圍土體的密度為1.9～2.1t/m3。結構采用強度等級為C30 的混凝土通過澆筑而成，混凝土的密度值和彈性模量分別為2.52×103kg/m3、2.9×104MPa。在結構的抗震設計過程中，首先利用QUARTERS 分析該建筑結構橫斷面的地震反應情況，將梁作為單元實施模型建立，結構周圍的土體均按照實體單元來建立相應的模型。應注意，中柱和頂底板及側墻均有所不同，主要是按照相同的間隔距離進行布置的，在這種情況下，可將其等效成縱墻，選擇具體研究對象時，頂底板和側墻基本一致，都可以將單位長度作為分析和研究的對象，在分析施結構橫斷面的地震反應過程中，等效前后所有抗震設計參數均不產生變化，包括截面剛度（抗彎和抗剪剛度）、截面積與抗壓能力等，中柱等效之后，其密度值和彈性模量分別確定為 7.2×102kg/m3、8.62×103MPa[2]。

表1 抗震內力計算結果

根據該工程的實際情況和特點，可借助反應位移的方法，采用該方法進行設計的過程中，應先做出一定的假設，且不考慮空間這一因素的作用，將所有地震力計算都假設為在結構平面上分布的作用力，并充分結合結構位移、荷載與工程的實際情況，視作靜力問題實施分析，實際工作中，可將產生于地表的位移采用強制方法將其移植至結構當中。在設計工作中，還要對場地平面進行專門的地震反應測定，具體可按照線性等效程序進行。然而，考慮到無法徹底收齊所有動力參數，故只能借助剪切模量及應力應變的實際變化曲線來完成分析考察。

若將地震波假設成一個剪切波，具體的傳播方向是豎直向上，則它的振動平面將和結構橫斷面吻合。根據當地現有地震數據相關記錄，找出和工程地質條件相接近的，輸入最近一段時間收集到的所有地震波數據，此時要注意地震波采用的是剪切波形式，之后方可開始地震力的分析。根據近幾年國內外相關研究成果可以看出，在接收到該工程的水平方向地震力數據后，在水平方向的變形方面，側墻和中柱沒有太大的差別；因截面中面積最小部位處在中柱的下部，這一結構體系在受力之后，將最先達到最大的承載力，很容易產生破壞，這是需要得到重點關注的一個結構截面。另外，在側墻的下部受力之后將產生一定彎矩，這也需要在抗震設計過程中充分考慮[3]。對此，在實際的設計計算過程中，應重點考查下列各項參數：柱頂和柱底部水平方向位移、中柱和側墻底部產生的彎矩。對于結構截面上的彎矩，主要采用單位長度對應的彎矩來表示。在實際的分析過程中可使用以下幾種方法來進行：動力時程法、柔度系數法和自由場變形法等，在分析過程中要注意不同方法存在的區別和聯系，而且還注意不同方法對應的加速度實際分布情況。抗震內力的計算結果如表1 所示[4]。

從以上分析結果可以看出，在理論支撐上，采用反應位移法具有很高優勢，但如果按照相關規范提出的模式來確定剛度，則理論值會和實際情況存在很大差異，很難精確反映出結構和土體之間的相互作用；采用反應加速法以后，可以將結構和周圍土體之間存在的作用力施加到建立的模型當中，不論是從變形還是從截面內力上考慮，都能有效提高計算結果的精確度。在該工程中，采用絕對峰值加速度分布方法，可以最大限度保證計算結果精度，進而保證抗震設計成果的安全性和準確性[5]。

3 柱網和邊跨布置

在柱網布置過程中，建議采用矩形，若沒有特殊要求不可使用正方形，其長短跨之比不能超過0.75，這樣能有效保證經濟性，而對于正交跨長比，應按照0.65～0.70 的范圍控制，以此保證設計的實用性和經濟性[6]。

在邊跨設計過程中，柱網的設計必須充分考慮內跨柱間隔距離應比邊跨柱之間的距離大15%～20%。若設計采用等跨框架梁的形式，并在兩端采用懸臂梁，則能有效減小邊跨的彎矩。若懸臂長度是跨度的40%，則等跨連續梁中每個支座的彎矩應按照qL2/12 的要求控制；若跨度達到9m 以上，則懸臂部位的彎曲變形將過大。

4 結語

綜上所述，提高建筑的人防和抗震設計技術水平，對保證工程質量和保證工程安全都有重要作用與意義。目前，該建筑工程的人防與抗震設計均已順利完成，經實踐驗證合理可行，值得類似建筑工程參考借鑒，從而不斷提高設計水平。