地下室人防结构设计中的若干问题思考_徐梦俊.pdf

居 舍设计与案例1092023年3月（中）人防指的是人民防空，人防工程关系着国防安全以及人民利益，因此在我国城市发展中，落实好人防地下室建设是一项重要工作。相对于一般地下室而言，人防地下室在外表、用途等很多环节上与之都有着相同之处，但同时其在设计、施工、设施设备等很多环节上与之又有着明显不同。特别是人防地下室不仅需要关注平时使用，更需要满足战时需要，而这对于地下室人防结构设计无疑也提出了更高要求。地下室人防结构设计是一项系统性内容，目前我国相关法律法规对其有着明确要求，但是在具体实践工作当中，地下室人防结构设计仍然面临着不同程度的问题，这需要结构设计人员对此给予更多思考，充分考虑战时与平时要求，切实有效提升地下室人防结构设计水平。1 地下室人防结构设计的特点及原则1.1 设计特点相对于一般的地下室结构设计来说，人防地下室结构设计需要重点把握好平时与战时的荷载作用，特别是战时武器爆炸动荷载作用，这也是地下室人防结构设计区别于一般地下室结构设计的最大特点。通常而言，在具体的地下室人防结构设计实践中，其主要涵盖有主体结构、孔口防护等两方面设计内容，而由于人防地下室工程本身的特殊性，其相应结构设计也呈现自身显著特点。例如，考虑到核爆动荷载的影响，在针对人防地下室进行动力分析时，通常是借助等效静荷载法，把整体结构拆分成单个构件来加以计算；同时武器爆炸动荷载为偶然性荷载，这一特点也会对地下室人防结构各环节设计产生明显影响；另外，结合以往的设计实践经验，钢筋混凝土结构构件依据弹塑性工作阶段设计经济效益更高，结构设计当中仅要做好强度验算即可，无须再单独验算结构构件裂缝、变形。相关内容还有很多，其都是地下室人防结构设计在实践中的特点体现。1.2 设计原则对于地下室人防结构设计而言，其所应当遵循的总体方针为：“长期准备、重点建设、平战结合”；在相应的设计原则上，其既需要以人防建设为根本前提，也需要兼顾结合城市建设与协调经济发展，在坚持以上总体方针与原则的基础之上，来落实地下室人防结构的具体设计。例如，在地下室人防结构设计中，人防地下室主体结构、出入口部等需要基于实际情况与要求确保各部位抗力协调，避免因局部问题影响到整体结构；其结构设计在达到抗力要求的同时，钢筋混凝土结构构件设计需要遵循“强柱弱梁”“强剪弱弯”原则；实际设计中，还要注意有效借助于大偏心受压构件、受弯构件的变形对核爆冲击波能量加以吸收，其目的在于避免脆性破坏，形成塑性破坏，借此来进一步保障结构整体承载力。2 人防地下室结构设计中若干问题分析2.1 结构选型问题人防地下室的结构选型主要涉及以下两点内容：第一，在结构体系上，应该以传力简单、受力明确为原则，如此一来不仅能够满足战时要求，包括箱型结摘 要人民防空地下室是人防工程的主要构成一环，作为一种有防护要求的特殊地下建筑，其结构设计本身是否足够科学有效，将会直接影响人防地下室战时的防空安全与平时的可靠使用，因此在实际修建人防地下室时，必须要充分思考有关地下室人防结构设计方面的问题，确保相关工作能够得到妥善落实。本文在介绍了地下室人防结构设计特点与原则的基础上，从结构选型、人防荷载、荷载组合、构件设计等几个方面，分析了人防地下室结构设计中的若干问题，同时从顶板、外墙、门框墙、底板、出入口等环节，具体论述了地下室人防结构设计内容，并且进一步就地下室人防结构设计中常见问题及解决措施进行了探讨。关键词结构设计；地下室；人民防空中图分类号TU927 文献标识码A 文章编号1674-1900（2023）08-0109-04地下室人防结构设计中的若干问题思考徐梦俊（广东人防建筑设计院有限公司，广东 广州 510635）作者简介：徐梦俊（1987-），男，湖南临澧人，工程师，本科，研究方向为人防结构设计。居 舍设计与案例1102023年3月（中）构等，还可作为上部建筑的支撑点。第二，在结构类别上，分为钢筋砼结构与砌体结构两种类型，其中砌体结构的使用要求较为特殊，只有具备上部是砌体结构、地下室水位低的条件才能对该结构加以选用。2.2 构件设计问题为了提高人防构件的整体质量，严格按照规范对构件加以设计就显得格外重要。在套用人防图集时还要对计算假定、适用条件进行有效控制，如果不能及时开展此项工作或出现了假定条件与实际不相符的情况，需要重新安排时间对以上工作内容做出相应调整。另外在构件设计过程中还应该考虑延性设计问题，参考有关规定中的相关内容合理设计截面，以此保证构件配筋形式和计算模型的一致性。2.3 荷载组合问题如果人防地下室不同部位的静荷载与效静荷载同时作用，便需要对荷载组合问题加以考虑，其间需要根据实际情况明确相应的荷载组合项目，同时注意以下两点问题：第一，倒塌荷载值。倒塌荷载值只有在冲击波峰值后才发挥作用，所以只要对这一时段进行考虑即可。第二，自重标准值。有关规定中已经明确对不同建筑结构的形式进行了解释与说明，在这时可以根据具体情况合理选择相应形式。2.4 人防荷载的确定问题常规武器或者核武器爆炸产生的冲击波是人防荷载的主要来源，所以人防荷载具有明显的作用时间短、量值较大特点，按照产生一次冲击波的方式考虑，在开展人防地下室设计工作时首先需要对抗力级别加以明确，随后在此基础上引入相关设计软件，用以确定顶板、底板、外墙人防荷载。受到多方面因素影响，动荷载与静荷载对人防结构的破坏性较为相似，这时选用等效静荷载法效果最佳。3 地下室人防结构设计内容3.1 顶板设计开展地下室顶板设计工作时需要注意以下内容：第一，粱系布置。在地下室人防结构设计中尽量不布置次梁，如果都选用大板不仅可以减少支出成本，还能够发挥顶板厚度的优势，而在局部覆土较厚的情况下则需要选用拉次梁的方式。第二，顶板板厚。在设计顶板板厚时需要满足几个条件，如顶板及中间楼板的厚度不得小于200mm；根据消防车荷载、覆土荷载等因素明确结构承载力的厚度；当地下室人防结构的上部无建筑顶板时最小防护厚度应设置为250mm。第三，顶板荷载。要想明确地下室人防结构中的顶板荷载，有必要对上部建筑的影响问题进行思考，当顶板覆土厚度0.5m 时，如果考虑上部建筑的影响问题可将顶板荷载设置为55kN/m2；不考虑上部建筑的影响问题只需将顶板荷载取为60kN/m2即可。第四，顶板梁。因地下室人防结构的主梁配筋量相对较大，所以可根据柱的尺寸对梁宽加以明确，通常情况下，在确定梁宽尺寸时都需要参考荷载和跨度且保证梁宽尺寸小于柱的尺寸，而经济的梁配筋率则会控制在1.5%左右，这时梁宽尺寸不得小于300mm。3.2 外墙设计对于地下室人防结构设计而言，外墙设计是一项重点工作，其关系着地下室人防结构的设计成果与整体质量。就当前的发展形势来看，按照上端简支、下端固定的方法开展外墙设计工作已经成为一种普遍现象，如果墙顶形成自由端时则需要改变原有设计方法，这时按照上端自由、下端固定的方式进行外墙设计最为合适。在进行外墙设计时还应该将现代化批量打印软件（MSTEEL）运用其中，该软件可以在不考虑地面是否停留消防车的情况下，结合当前的实际情况合理设置外墙相关数值，如地面堆截为5.0kN/m2；土的浮容重为11kN/m3；钢筋中心点到墙边的外侧距离为50mm、内侧距离是30mm 等。外墙水平分布筋的设置方式应为细而密，彼此之间的距离均要保持在100150mm 范围以内，配筋率不得低于0.3%，同时在外墙顶部与中间楼层位置处不宜设置暗梁，水平分布筋也应置于外侧，水平钢筋只需设置在竖向钢筋的外侧即可。考虑到墙柱的整体布局与当前的实际情况，有必要提前预留出设备穿墙套管位置，避免影响后续工作的有序开展。3.3 门框墙设计第一，侧墙设计。墙体宽度小于门框墙宽度，这时可以按照一端固定一端自由的悬臂构件方式对侧墙体宽度加以计算。第二，门槛设计。在设计门槛时需要严格遵循地方标准及相应规范，通常地下室人防结构中的门槛高度不大于250mm，各个地区可以参考有关规定合理设计门槛所在位置及高度。第三，上挡墙设计。上挡墙的设计需要考虑两种情况，一种是当上挡墙的高度和宽度之比小于1/2时，可选用上端嵌固的悬臂构件方式计算上挡墙数据；另居 舍设计与案例1112023年3月（中）一种是当上挡墙的高度和宽度之比大于1/2时，可以在门洞的上方设置横向加强梁，随后按照双向板的形式计算上挡墙的相关数据。在计算过程中，如果发现无法使用悬臂构件方式计算上挡墙数值，可以转变设计思路，利用边增加柱的形式将侧墙转换为四边支承的板，以此为基础计算上挡墙各项数值。3.4 底板设计在开展地下室人防结构中的底板设计工作时需要密切关注两点内容，即底板的抗渗能力与冲切承载力，首先在抗渗能力上，保证设计后的底板厚度不小于350mm，在设计过程中除了考虑各项数据与影响因素以外，还需要计算正向荷载与负向荷载，以此为基础才能使设计的底板符合实际要求。其中正向荷载主要是指计算底板上的设备重与墙荷载，而负向荷载的计算方式则为倒盖楼法，按照活荷载为0.1kN/m2、混凝土容量为0进行计算。如果需要对水浮力加以计算，需要扣掉底板自身的重量值，同时在计算反向负荷时还要将人防荷载引入其中，此时设计底板无需考虑等效静荷载值，根本原因是在核武器的作用下，底板的人防荷载是反向的，这时可将荷载值设置为25kN/m2。另外还需要注意一项重要内容，即在进行地下室人防结构设计时，伸缩缝与沉降缝不宜设置在防护单元内，因为这些缝隙无法承受外界的冲击力而再次恢复自身功能，此时可以将伸缩缝与沉降缝设置在室外出入口与主体结构的连接位置处。3.5 出入口设计要想做好地下室人防结构的出入口设计工作，需要合理选用设计方法及设计思路，这样才能将这项工作落实到位。常见的出入口设计有三种方式：第一，充分做好出入口通道的门框墙等设计工作，在这个过程中，设计人员可以综合运用普通的墙体计算模型，以此计算出钢筋及其内力，同时还要按照悬臂梁的方式进行出入口设计。第二，做好消波系统与防护密闭门工作后，设计人员需要将门洞尺寸大小与压力作为参考依据，随后按照已知数据选取相应的密闭门。第三，在开展孔口及其他构件的设计工作时，应该将重心放在风井及开敞式通道上。另外，还要做好出入口结构的战时设计工作，通常需要将出入口设置在防护单元中，且出入口要具备洗消功能，同时出入口平台板与踏步板的厚度不得超过200mm。期间设计人员应该秉承良好的安全意识与责任意识，认真开展地下室人防结构设计工作并严格遵循相关的操作流程与规范标准，为后续顺利施工打下坚实基础。4 设计中常见问题及解决措施4.1 外墙外侧纵筋伸入底板厚度不够在地下室人防结构设计中，难免存在着外墙外侧纵筋伸入底板厚度不够的情况，在地下水位比较深的前提下，如果墙外侧纵筋深入底板内的长度1.5Laf，很可能出现外墙厚度比底板厚度大的情况，这时无法实现底板作为外墙嵌固的根本目标。在外墙厚度小于底板厚度时，如果能够保证图集做法的正确性，那么墙底弯矩底板将保持平衡状态；当外墙厚度等于底板厚度时，开展外墙设计工作便可引入单向板设计方法，即上端简支、下端固接，外墙钢筋在底板内锚入长度与墙外侧纵筋深入底板内的长度和层高之间有着十分密切的联系，即锚入长度应选取1.5Laf 和层高的1/3的较大值。为了解决外墙外侧纵筋伸入底板厚度不够的问题，可以将弯矩平衡原理有效运用其中，随后根据该原理调整底板配筋与外墙底钢筋锚固长度之间的关系，从而减少安全隐患。4.2 只将加强梁设置在防护密闭门上如果发生爆炸很可能对防护密闭门造成一定的冲击，所以在设计过程中，可将加强梁设计在上挡墙的位置上，这一方面能够固定防护密闭门，另一方面可以防止巨大冲击力对地下室人防结构的破坏。为了确保加强梁的实际作用，需要将注意力放在加强梁的纵向受力钢筋上，可以从门框的两侧墙内位置进行受力，使加强梁在洞口形成一定的传力体系，只有这样才能发挥加强梁的使用效果。除此以外，在设计过程中除了考虑加强梁的位置是否合理以外，还需要关注密闭通道的长度、防护密闭门是否能够正常开启等相关问题，如果没有发现以上各项问题，可以将加强梁顺着防护区的方向进行安装。同时为了保证防护密闭门安装工作的有序进行，需要提前在上挡墙的下边预留出250300mm 左右的位置并且根据实际情况科学而合理的制定防倒塌措施。4.3 外墙水平施工缝与墙体最小配筋率尚未达标在多种因素作用下，在开展地下室人防结构设计工作时需要提前预留出外墙水平施工缝且预留在底板面上的300mm 位置处，但是相关规定及实施标准中却明确指出，侧墙水平施工缝的设置高度不得低于500mm，同时还要设置在墙体上，如果侧墙上存在孔居 舍设计与案例1122023年3月（中）洞，要严格控制施工缝与孔洞边缘之间的距离，通常将二者距离保持在300mm 以上最佳。实际上，这一点很容易被设计人员忽略，所以在设计过程中施工缝应该设置在结构受剪力小且易于操作的位置上，这样既可以保证施工缝的顺利施工，还能够避免各项问题的出现。进行人防墙体设计工作时可以将配筋率设为0.25%，如果混凝土等级为 C60及以上时，相应的配筋率也要做出相应调整，即不得低于0.35%，否则很可能会影响到墙体的稳定性与牢固性，不利于地下室人防结构设计的顺利开展。4.4 后浇带穿越人防口部以及 PVC 穿墙套管在设计过程中对采光井、工程口部等有着严格的防护密封要求，考虑到这些部位的重要性，选用一次整体浇筑混凝土最为合适。而采用这种操作方式的根本原因则在于采光井、工程口部等位置处的钢筋搭接数量多并且施工工艺较为复杂，同时防毒通道等对防毒密闭性的要求较为严格，这时引入这种处理方式可以起到良好的密封效果，保证各个部位的正常使用。由此可见，后浇带不可穿越人防口部，还要尽量避开防护密闭门等重要位置。除此以外，施工人员会借助PVC 穿墙套管开展相关工作，无形中破坏了地下室人防墙体的密封性，要想从根本上解决以上相关问题，在穿越人防墙时穿墙套管必须配有专门的防护抗力片与密闭翼环，同时密闭翼环应该位于人防墙体厚度的中间区域且用钢筋焊牢在人防墙体的中间位置。4.5 人防顶板未选用抗渗混凝土且缺少人防荷载设计地下室人防结构需要将密封性作为出发点，在战时状态下，人防地下室要具有良好的预防核武器、预防空袭及预防生化武器的作用，地下室顶板位置也应该满足承受强大抗冲击压力的条件，防止爆炸等意外情况发生对地下室内部造成破坏。从实际角度来看，人防顶板属于薄弱位置，极易受外界的影响与破坏，同时人防地下室还应该具有较强的抗渗性，防止化学武器、各类毒素的渗透和侵入，在这样的情况下选用抗渗混凝土具有重要意义，其一方面可以提高地下室的防护效果，另一方面可以保证地下室人防结构的密实性。考虑到地下室结构问题，主楼室内外可能存在一定程度的高差，梁侧边很容易受冲击波的影响，所以在设计过程中梁宽不得小于人防楼板的厚度，其间还要根据人防顶板荷载计算结果合理设置梁侧腰筋及外箍筋。5 结语综上所述，地下室人防结构设计是一项系统性、专业性、复杂性的工作，特别是相较于一般地下室工程而言，人防地下室工程有其自身特殊性以及相应显著的特点与要求，因此在地下室人防结构设计实践中，作为相关设计单位与设计人员必须全面把握好人防地下室结构设计要点，明确地下室人防结构设计的特点及原则，同时结合具体人防地下室工程项目实际情况，分析其结构设计中所涉及的一些主要问题，落实好地下室人防结构各环节设计内容，针对设计中常见问题采取相应解决措施，从而切实提高地下室人防结构设计水平，保障结构设计的安全可靠性以及整个人防地下室工程的质量。本文研究介绍了地下室人防结构设计的特点与原则，结合以往地下室人防结构设计的实践经验，具体从结构选型、人防荷载、荷载组合、构件设计等几个方面分析了人防地下室结构设计中的若干关键问题，从顶板、外墙、门框墙、底板、出入口等环节论述了地下室人防结构设计的主要内容，并且针对地下室人防结构设计中一些常见问题探讨了相应解决措施。本文一定程度上能够为地下室人防结构设计以及人防地下室工程建设提供参考帮助，促进实践工作发展。应该看到，地下室人防结构设计工作实际上并非仅仅从功能性层面来解决问题，此项工作本身涉及内容广泛、综合性较强，对于设计专业提出了很高的要求。尽管目前我们身处于相对和平的年代，但针对人防地下室工程的设计及建设仍要予以持续关注。参考文献1 汪梅，吴炯.人防地下室顶板结构形式经济性探讨 J.建筑结构，2022，52（S2）：343-348.2 林勇.人防地下室结构设计内容及常见问题之对策研究J.四川水泥，2022，315（12）：111-113.3 张学深.人防地下室结构设计常见问题及应对措施探析J.安徽建筑，2021，28（10）：81-82.4 石光，邢万里.结构构件在人防工程中的设计要点分析J.建筑结构，2020，50（S2）：107-111.5 吴立，吕程伟，彭国东.天龙公共人防工程人防地下室抗浮设计 J.建筑结构，2020，50（S1）：943-947.6 许平.高层建筑人防地下室结构设计的难点分析 J.住宅与房地产，2020，568（9）：81.7方雷庆.对于人防地下室基础与底板的结构设计研究J.甘肃科技，2019，35（1）：106-108.