深圳市某實業(yè)有限公司306高層工業(yè)廠房是一棟18層(地下1層)的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)型式的高層工業(yè)建筑。建筑面積31200m2,建筑高度79.8m,地震烈度7度,框架等級3級,剪力墻等級2級。地下室面積3908m2,其中含人防面積1390m2,分兩個人防單元,層高4.4m,樁基采用預(yù)應(yīng)力砼管樁。地下室的設(shè)計中考慮人防問題,要平戰(zhàn)結(jié)合,即既要考慮平時使用時載荷較小,需滿足建筑使用上大空間的問題,又要考慮人防時載荷較大,結(jié)構(gòu)上很難滿足大空間的問題。
1 人防結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
人防即人民防空,人民防空的任務(wù)是根據(jù)國防的需要,動員和組織群眾采取防護措施,防范和減輕空襲危害。除采取人員疏散的措施之外,也是戰(zhàn)時防空最重要的措施之一。防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容包含兩方面:一是主體結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括頂板、外側(cè)墻、底板等其他構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,二是孔口防護設(shè)計,包括出入口的防護和消波系統(tǒng)(防護設(shè)備),其出入口通道(包括風井)的計算等幾個方面,而消波系統(tǒng)則包含防爆破活門的選用和擴散室(箱)的設(shè)計,那么,這些內(nèi)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計與一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計有何不同呢?1)結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性可以降低,一般建筑結(jié)構(gòu)pf≈10%,而人防結(jié)構(gòu)pf≈6%;2)考慮結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng);3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件可考慮進入塑性工作狀態(tài);4)材料設(shè)計強度可以提高。實驗表明,在快速加載的情況下,材料力學性能發(fā)生比較明顯的變化,主要表現(xiàn)為強度提高,但變形性能包括塑性性能等基本不變,對結(jié)構(gòu)工作起到有利作用,例如鋼材強度可提高1.15～1.5倍,砼強度可提高1.5倍,在設(shè)計中考慮材料強度綜合調(diào)整系數(shù)來完成;5)重視構(gòu)造要求。人防設(shè)計的許多構(gòu)造要求與一般的建筑設(shè)計不同,要求更為嚴格,故僅僅考慮受力計算,不考慮構(gòu)造措施是不合理的。根據(jù)以上所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,可以確定防空地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般要求:1)平戰(zhàn)結(jié)合,取控制條件。在民用建筑的人防地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一般只涉及5級或6級人防設(shè)計,結(jié)構(gòu)的頂板基本上都由戰(zhàn)時控制,而側(cè)墻和底板則因防空地下室結(jié)構(gòu)形式的不同而由實際情況確定;2)進行強度驗算。由于在核爆動載荷作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形極限已由允許延性比控制,且在確定各種構(gòu)件允許延性比時,考慮了對變形的限制,因而在防空地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,不必再單獨對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形與裂縫開展進行驗算;4)注意各部件的協(xié)調(diào),以免因設(shè)計控制標準不一致而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部先行破壞,失去整個防護建筑的作用;5)地面與地下承重結(jié)構(gòu)體系要協(xié)調(diào),不能出現(xiàn)兩者強弱相差較大的情況。了解了人防結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及原則之后,必須確定計算所需的載荷值。
如前所述,人防地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮抵抗空氣沖擊波。核武器在空中爆炸時,當沖擊波傳播到地表時,形成反射沖擊波,因反射波是在被入射波壓密和加熱過的空氣中傳播,且壓力又高,所以反射波的傳播速度要比入射波快,當反射波波陣面終于趕上入射波波陣面后,則會合成為一單一的沖擊波,即合成波,合成波波陣面靠近地面部分是垂直于地面的,即合成波是水平方向傳播的,對抗力等級較低的防空地下室來說,所受的沖擊波即為這種波(即地面沖擊波)。防空地下室的頂板一般就直接承受地面沖擊波的超壓和負壓作用,而對于側(cè)壁和底板,因空氣沖擊波作用于地表,壓迫土體并使其產(chǎn)生運動,上層土體受壓后連續(xù)向下傳遞壓力,這種土體的壓縮狀態(tài)由上向下逐層傳播過程稱為土中壓縮波的傳播,當遇到側(cè)壁或底板的阻擋后,則會產(chǎn)生超壓、動壓和負壓作用,這就是側(cè)壁和底板需考慮的問題。本工程人防地下室防護等級為6級,采用全埋式現(xiàn)澆鋼筋混凝土人防地下室,各部位等效靜載荷取值分別為:1）頂板首層外墻為180mm實心磚填充墻,且墻面開孔面積大于50%,故不計上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓作用的影響,等效靜載荷標準值q=60kN/m2。2）側(cè)墻。上部建筑物為抗震設(shè)防的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),故應(yīng)放入上部建筑物對地面空氣沖擊波超壓值的影響,根據(jù)本工程地質(zhì)條件,人防地下室側(cè)壁范圍內(nèi)分別有非飽和土和飽和土,取其加權(quán)平均值,并考慮周圍基坑支護的阻隔作用,故地下室側(cè)壁等效靜載荷標準值q=40kN/m2。3）底板。本工程采用樁基礎(chǔ),當核爆載荷q作用于頂板時,載荷隨板、梁、柱傳至樁上,因人防設(shè)計時不考慮地基承載力和地基變形,由q產(chǎn)生的力由樁與底板共同承受,故小于規(guī)范中按箱形地下室板的等效靜載荷值(40～50)kN/m2,與平時荷載作用下因樁不均勻沉降而產(chǎn)生的底板受力相比,不起控制作用,故不予考慮。4)門框墻。所受載荷由兩部分組成,一是直接作用在墻上的載荷qe=200kN/m2;二是由門扇傳來的等效靜載標準值,分別按門扇的型號、大小計算確定。5)臨空墻。依工程實際情況和規(guī)范表4.5.7取其等效靜載荷標準值為130kN/m2。6)隔墻。隔墻分兩種,一是相鄰防護單元間隔墻的設(shè)計壓力值為50kN/m2;二是6級人防地下室與普通地下室相鄰間的隔墻,其普通地下室一側(cè)的設(shè)計壓力選用值為90kN/m2。其它各種防護密閉門、防爆波活門、擴散室的設(shè)計壓力均由規(guī)范中有關(guān)規(guī)定選用,當所有構(gòu)件的等效靜載荷值確定后,即可進行結(jié)構(gòu)計算。
在防空地下室結(jié)構(gòu)上的載荷,應(yīng)包括核爆動載荷、上部建筑物自重、土壓力、水壓力及防空地下室的自重等,規(guī)范中對防空地下室不同部位應(yīng)考慮的載荷組合給出了一個表格,結(jié)構(gòu)設(shè)計時可根據(jù)各工程的結(jié)構(gòu)特點結(jié)合表格確定所需進行載荷組合的項目,本工程各個部位參與組合的載荷分別為:1)頂板。頂板核爆動載荷標準值,頂板靜載荷標準值。2)側(cè)墻。豎向:頂板傳來的核爆動載荷標準值、靜載荷標準值,上部建筑物自重標準值(僅有局部剪力墻部位),外墻自重標準值。橫向:核爆動載荷產(chǎn)生的水平動載荷標準值、土壓力、水壓力。3)內(nèi)承重墻(柱)。在本工程中,將平時和戰(zhàn)時的載荷值進行對比不難發(fā)現(xiàn),戰(zhàn)時所增加的頂板核爆動載荷標準值小于平時各樓層的活載荷標準值之和,故此部位構(gòu)件不由戰(zhàn)時條件控制。在防空地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,其承載力設(shè)計應(yīng)采用下列極限狀態(tài)設(shè)計表達式:0(GS+QS)≤R(f,f,k,…)。其中,0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取1。0;Q為等效靜載荷分項系數(shù),取1。0;f為混凝土動力強度設(shè)計值(參見文獻表4.6.3);f為鋼筋動力強度設(shè)計值。由上式可明顯看出人防設(shè)計的特點,與平時狀態(tài)下的內(nèi)力情況進行比較,本工程中,頂板、側(cè)壁及人防區(qū)域內(nèi)構(gòu)件的水平受力由戰(zhàn)時控制,底板、基礎(chǔ)由平時控制。求出構(gòu)件的內(nèi)力和配筋后,剩下的問題就只有一些構(gòu)造要求了,文獻中已作了很詳細的規(guī)定,結(jié)構(gòu)設(shè)計人員只需認真研究體會規(guī)范條文的條件和適用范圍,結(jié)合工程實際情況就可順利地完成人防地下室各主要構(gòu)件的設(shè)計。人防地下室結(jié)構(gòu)在確定等效載荷和靜載荷后可按靜力計算方法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,并可采用靜力計算手冊和相應(yīng)圖表來計算內(nèi)力,對等效靜載值,最終均應(yīng)正確反應(yīng)在載荷草圖上,即所有受到核爆動載荷作用的部位,應(yīng)能準確地確定其作用的部位和相應(yīng)的等效靜載荷值,不能遺漏,否則將造成不安全。對沒有核爆動載荷作用部位,則不應(yīng)考慮有等效靜載荷作用,以免造成浪費。
