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摘要：改革开放以来，随着我国城市化的快速发展，城市土地使用的有限性，人们在不断提升建筑高度的同时，越来越重视对城市地下空间的开发与利用，尤其是人民防空地下室工程的建设得到空前发展，同时对城市综合防灾能力也提出了更高的要求。文章主要分析与研究高层建筑人防地下室结构设计的特点、原则和要点，并提出了设计中注意事项。
关键词：高层建筑；人防工程；地下室；结构设计
1、引言
人防工程是战时集人员与物资掩蔽、防空指挥、医疗救护等功能于一体的建筑工程的必要附属工程；和平年代，人防地下室又可作为地下车库及地下商场等，不仅提高了建筑的利用效率，同时为人们的生活提供了便利。根据我国的国防要求，高层建筑必须要建设人防地下室。
2、高层建筑人防地下室结构设计的特点
高层建筑人防地下室具有一定的特殊性，主要体现在：
（1）由于战时武器爆炸动荷载是一种数值很大、时间很短、不断衰减的，且在结构的设计使用年限内不一定出现的荷载，其结构设计的可靠度低于普通地下室。《建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001）》规定一般混凝土结构构件，延性破坏时可靠指标β= 3.2，失效概率为pf = 0.069%，脆性破坏可靠指标β= 3.7，失效概率为pf = 0.011%；《人民防空地下室设计规范（GB 50038-2005）》中规定人防地下室结构构件延性破坏时可靠指标β= 1.55，失效概率为pf = 6.1%，脆性破坏可靠指标β= 2.4，失效概率为pf = 0.8%。
（2）常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用下，人防地下室结构动力分析可采用等效静荷载法，在等效静荷载和静荷载确定后按静力计算方法进行结构内力分析。
（3）核爆炸荷载和常规武器爆炸荷载均只按一次作用考虑，因此结构构件可考虑进入塑性工作状态，按弹塑性工作阶段计算结构内力，可节约建筑材料，充分发挥结构的潜力。
（4）高层建筑的人防地下室材料强度的设计值可以提高。试验证明在爆炸动荷载作用下，材料强度可提高20%～40%。在设计中，材料设计强度的提高是通过考虑材料强度综合调整系数来完成的。
（5）人防地下室的结构设计构造要求更为严格，如人防地下室在材料强度等级，结构构件最小厚度，最小保护层厚度和最小配筋率等各个方面比普通地下室的要求更加严格。设计中不仅要考虑受力计算，还要考虑构造措施。
（6）一般钢筋混凝土结构，依其性能和使用要求，要进行两种极限状态的验算，即：承载能力极限状态（包括强度、稳定和疲劳验算）和正常使用极限状态（包括变形、裂缝出现和裂缝宽度等的验算）。而人防工程一般只验算结构强度（包括稳定），由于在人防荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比来控制，因而不必再单独验算结构构件的变形与裂缝。
（7）对人防地下室的位置选择、战时及平时用途的确定，必须符合城市人防工程规划的要求。同时也应考虑和平时期城市生产、生活服务的需要，以及上部地面建筑的特点及其环境条件、地区特点、建筑标准、平战转换等问题，人防地下室的结构设计需综合考虑确定地下、地上各方面的因素。
3、高层建筑人防地下室结构设计的原则
（1）设计前应取得当地人防部门对人防地下室设计方案的审批意见，包括人防地下室类型、抗力级别、规模等。类型、抗力级别、规模任一因素的不同，会引起 其口部设置数量不同，投资也相差较大。
（2）人防地下室的各个结构的设计问题。首先体现在地下室主体结构上；再次体现在孔口防护设计上。人防地下室的主体结构、出入口部、孔口和防护设备等应根据防护要求和受力情况使各个部位抗力相协调，以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏，失去整个防护建筑的作用。人防地下室墙、柱等承重结构，应尽量与地面建筑物的承重结构相互对应，以使地面建筑物的荷载通过防空地下室的承重结构直接传递到地基上。
（3）人防区域划分要清楚。出入口部防护密闭门以外区域均为非人防区。人防汽车库和人防物资库一般要由一个汽车坡道作为主要出入口，汽车坡道及其出地面所经过的通道均要考虑防倒塌荷载。
（4）人防口部设计包含三部分内容：一是出入口通道内临空墙、门框墙的设计，二是防护密闭门与消波系统的设计，三是孔口其它构件，如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。目前城市人防地下室的建设，多注重经济利益，对人防工程的出入口防倒塌问题重视不够，许多出入口设置在建筑物倒塌范围之内，这对战时人防工程出入口构成了安全隐患。
（5）出入口部集水坑的设计问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆人防地下室建筑设计规范还规定，防空地下室在战时，主要的出入口防护密闭门的外通道内、进风口的竖井或者是通道内部，均须对洗消污水的集水坑进行设置。排风竖井以及扩散室和外界大气是相互贯通的，一定会会受到相应的污染，空袭后理论上是由防空专业队进行洗消，也要对地漏或者是集水坑进行设置。
（6）提高地下室结构的承载能力问题。人防地下室结构可以充分利用受弯构件和大偏心受压构件的变形来吸收核爆冲击波的能量，以减轻支座截面的抗剪与柱子抗压，确保结构在屈服前不出现剪切破坏，并保证屈服后有足够的延性，最终形成塑性破坏，而不是脆性破坏，从而提高结构的安全性能。
（7）重视构造要求，人防设计的许多构造要求是与一般的建筑设计不同的，要求更为严格，应充分保证结构的延性，“强柱弱梁（板）”、“强剪弱弯”
4、高层建筑人防地下室设计要点
人防地下室结构设计包括围护结构设计、人防口部设计、平战转换设计。人防地下室围护结构包括人防地下室顶板、底板、外墙、临空墙、人防隔墙等。人防口部包括主要出入口（空袭前、后均使用）、次要出入口（空袭前使用）、备用出入口（战时一般情况下不使用，应急时使用）及其它战时需要的各种竖井。
（1）人防平面结构的布置、标注、定位。
人防平面结构的布置主要是将建筑结构人防信息用平面方式表达，根据功能利用线型填充分出人防区和非人防区，分出人防外墙、人防临空墙、人防隔墙、人防门框墙，然后标注各种墙体的编号和门框墙的编号、门洞尺寸、荷载类型，以便下一步计算和编制配筋表，最后定位墙体厚度和门框墙的尺寸。
（2）荷载取值。人防工程的荷载平时以静载为主，战时以冲击荷载为主。人防工程荷载的选用，是把爆炸动荷载转化为等效的静荷载，然后根据荷载组合情况，按照一般静力结构力学的方法求出结构的设计内力。可拆开为单个构件进行计算。高层建筑荷载比低层建筑的要小，因此对其地下室的荷载取值要更加的严格精细。在确定各构件人防荷载时要注意比较核武器和常规武器爆炸动荷载作用，取较大值进行控制。当所有构件的等效静载值确定后，取最不利组合进行结构计算。
（3）荷载组合和内力分析。在人防地下室的具体设计中，顶梁板可采用PKPM-SATWE电算软件进行内力分析，该软件有人防计算功能，顶板可用理正软件计算。顶板参与组合的荷载有人防等效静荷载、自重、覆土重等，平时使用活荷载与战时不需要叠加。战时顶板可采用塑性算法，平时应采用弹性算法；另外注意坡道作为战时主入口时，口部以外的顶盖板也应考虑人防荷载作用。
（4）外墙设计。外墙的荷载主要有人防等效静荷载、外墙自重、上部建筑自重、地面活荷载、土压力、水压力等，外墙配筋主要由垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩确定，设计时为简化计算通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算墙的配筋。地下室外墙可根据支承情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等，有的相距较远，因此在工程设计中一般把楼板和基础底板作为外墙板的支点计算，在基础底板处按固端，顶板处按铰支座。
（5）底板的设计。在人防地下室的底板设计中，对无桩基的底板可采用“PKPM-JCCAD 电算软件”进行内力分析；对带桩基的底板可参照顶梁板类似建模，采用相同软件按倒楼盖算法，采用该软件作内力分析时，注意活载应输非0数，人防荷载才能传递，底板钢筋按倒楼盖配置。对无桩基的底板，地基反力中没有计入水浮力时，人防荷载不与水压力组合；地基反力中计入水浮力时，人防荷载应与水压力组合。
（6）内承重墙设计。在人防地下室的内承重墙设计中，对主楼塔数较多、地下室作为上部结构的嵌固端且大底盘地下室通常又不设缝时，为提高计算效率，各塔可独自带地下室分析计算，各塔的地下室结构层宜比主楼多出1~2跨参与内力分析计算，主楼的承重墙、柱计算结果即可采用。设计顶梁时可不带主楼，另行建模计算，其与带主体建模计算结果比较，多个实际工程均表明，顶梁配筋误差很小，其中支座筋误差约3%，梁底筋基本无误差。在进行荷载组合时，常规武器爆炸动荷载作用时上部建筑物自重全部考虑，核爆炸动荷载作用应根据抗力等级、上部结构形式，在进行荷载组合时上部建筑物自重可区分为全部考虑、考虑一半和不考虑三种情况，设计时应认真分析确定。
（7）平战转换
平战结合，取控制条件，在一般的5 级或6 级人防设计中，结构的顶板基本上都由战时控制（根据工程经验，室外消防车道可能由平时控制），而侧墙和底板则因地下室结构形式的不同而由实际情况确定；当平时使用要求与战时防护要求不一致时，应采取平战功能转换措施。 平战转换设计的基本原则是：（1）工程平战用途相近；（2）转换工作要小；（3）一次设计，分两步施工；（4）考虑兼容性和通用性；（5）转换措施要求快速、经济、简便、可靠。
5、结束语
城市建设的不断发展和地下空间开发利用水平的提高，使得高层建筑地下室设计成为建筑工程的一个重要部分，与普通地下室相比，防空地下室设计中由于需要遵循平战结合的原则，既要考虑平时的利用，又要考虑战时爆炸动荷载作用，同时还要兼顾经济性和合理性，对其结构设计提出了更高的要求。
人防地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，既要考虑平时工况又要考虑战时工况，且目前电算软件功能都不是很完善，需要更深入地研究人防结构设计的技术问题，总结设计经验，提高设计水平。
参考文献
[1]《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）.
[2]《建筑抗震设计规范》GB50011 2010.
[3]陈红.浅谈高层建筑人防地下室的结构设计要点[J].建设科技，2014.
[4]武小佳.高层建筑人防地下室结构设计的要点[J].工程技术：文摘版 ，2016（10）.
论文作者:于春辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/24
标签：人防论文; 荷载论文; 地下室论文; 结构论文; 战时论文; 出入口论文; 结构设计论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;