中联西北工程设计研究院有限公司 陕西省 西安市 710077
摘要：高层建筑将地下室设计成附建式人防结构工程，在日常生活中将其作为车库或者是设备用房使用，在战时又可以将其作为防护隐蔽、保障生命财产安全的防控建筑。为了充分发挥人防地下室在日常使用和战时防控避难的价值,本文从设计角度，对高层建筑的人防工程结构设计要点进行了分析探讨。
关键词：高层建筑；人防工程；结构设计
一、高层建筑人防工程结构实际案例分析
该人防结构设计工程属于高层住宅建筑，主楼共有26层，上部采用剪力墙结构，基础采用筏板基础。其中该26层主楼共设有两层地下室结构，负一层为设备用房，负二层为人防地下室，该人防地下室为甲类平战结合核6级常6级。
在主楼的周围建有普通结构的地下车库，框架结构，其基础采用独立基础。地下停车场基底标高度与主楼相同，地下车库的顶板标高在主楼地下一层的层间位置，且在顶板上方有1.6m的覆土，地下车库与主楼相互连接为一体结构。
在主楼一侧两层裙房，框架结构，其通过地下车库上延而形成，该裙房结构从车库的顶板位置开始脱开主楼结构。
二、高层建筑人防结构设计的基本原理探讨
1、人防地下室结构可靠度低于一般地下室。《建筑结构可靠度设计统一标准(GB5006822001)》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(GB5003822005)》(以下简称《规范》)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、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，人防地下室设计，一般用允许延性比表示结构构件的工作状态，按照塑性工作状态设计的结构构件可以承受更大的爆炸动荷载，以便节约建筑材料,充分发挥结构的潜力。
3、人防地下室结构在常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用下,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。
4、人防地下室结构设计时材料设计强度可以提高。试验证明在爆炸动荷载作用下，材料强度可提高20%～40%。材料设计强度的提高在设计中是通过考虑材 料强度综合调整系数γd来完成的,如钢材 γd=1. 15～1.5,混凝土γd=1 .5。
5、人防工程结构一般只验算结构强度(包括稳定),可不进行结构变形和结构裂缝宽度的验算,同时地基承载力与地基变形也可不进行验算。
6、人防结构的许多构造要求,如保护层厚度、最大(小)配筋率、钢筋锚固长度等与一般的结构不同,要求更为严格,设计中仅仅考虑受力计算,不考虑构造措施是不行的。
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三、人防工程结构设计
3.1基础设计
为充分保证人防工程的安全性，应从平时与战时两个状态验算基础承载力，选择两者的最不利情况的荷载作为基础的设计依据。在和平时期，人防工程结构的承载力验算与其他的普通工程相同，按规范的要求恒载与活载乘以各自的分项系数，求出结构平时承受的荷载效应。在战争时期，需要考虑核弹爆炸对结构的影响。通过计算核弹爆炸冲击荷载的等效静荷载与恒载，忽略其他活载，计算得到战时结构承受的荷载效应，等效静荷载不需要乘以分项系数。人防工程基础的设计计算取平常时期和战争时期两种状态的较大值。考虑到高层建筑的上部高度大，结构自重大，活载影响楼层多，通过分析比较，往往采用平时的受力状况来控制设计。
主楼一侧两层裙房，因为其上部建筑荷载小，采用独立基础，在裙房独立基础与主楼筏板基础间设置防水板。主楼四周存在刚度极大的车库结构，车库顶1.6米的覆土层，对主楼结构的起到了很好的侧限作用，提高了主楼的稳定性。由于车库顶板标高处于结构负一层地下室的层间，不利于上部建筑倾覆力的传递，设计时应尽量减小车库顶板标高，并采用楼板加腋等措施，保证倾覆力的顺利传递。本案例中裙房采用独立式基础，主楼深度修正可按照主楼基础底到裙房地下室内地坪的距离。
3.2顶板设计
顶板的组合中是否考虑上部建筑物的倒塌荷载值,因为倒塌荷载的作用时间滞后于冲击波峰值作用时间,且规范规定的倒塌荷载产生的静荷载值为50kN/m2,小于冲击波对顶板的等效静荷载值,因此在顶板荷载组合中不必计入倒塌荷载值。一般在民用建筑的人防地下室结构设计中,涉及核(常)5级、核(常)6级或核6B级人防设计,人防地下室顶板设计基本上都由战时控制。对本工程案例来说，人防地下室在地下二层，其底层外墙为钢筋混凝土，外墙墙面开孔面积≤该墙面面积的50%，顶板结构计算考虑上部结构影响，顶板等效静荷载标准值取55KN/m2,只需要采用合理的作用荷载、选择适当的构件的结构尺寸。
3.3人防口部设计?
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。临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模型,考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋；而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，因平时使用时需要的出入口通道较宽,而战时又相对较窄,从而使门框墙的悬臂度过长,计算水平筋过大。因此，不影响使用功能的前提下,可以加设梁 、柱改变门框墙的受力型式，达到经济的效果。二是孔口其它构件,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。风井设计时只计算土中压缩波的压力, 对空气冲击波则不予考虑,因两者不会同时作用；开敞式通道(室外通道无顶盖段)不考虑核爆动荷载,只考虑静土侧压力。防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项,竖向力即为倒塌荷载50kN/m2 ,属静载，横向力即动压设计值 qe，这两项受力作用时间存在间隔，故不考虑同时作用；国家已将防护密闭门设计进行系列化处理,设计人员可根据设计压力和门洞尺寸选择定型的防密门。三是消波系统的设计。消波系统一般由防爆波活门及扩散室组成，扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙,墙面本身受的荷载及活门传来的荷载均按临空墙等效静荷载标准取值,扩散室与土直接接触的顶板、底板及外墙可按土中压缩波压力确定荷载。
3.4构造设计
人防工程结构不但要承受极大的荷载，还要承受核弹爆炸产生的冲击荷载作用，因此人防工程结构的抗渗等级、构件的最小厚度、材料强度等要求均要高于普通工程结构。地下人防工程结构构件的截面尺寸往往比较大，因此，在进行配筋设计时，应极力避免出现配筋率小于最小配筋率的情况，以防止结构物在荷载的作用下产生脆性破坏，出现突然压溃现象。
为增加钢筋与混凝土间的握裹力，保证在冲击振动状态下两者能结合良好，不至于轻易脱离，地下人防工程的板和墙等结构均应采用梅花形拉筋，并设置双面配筋。因为沉降缝和伸缩缝在承受巨大的冲击力的情况下几乎是不可能正常发挥自身的功能，因此，不宜在人防工程的防护单元内设置沉降缝和伸缩缝，恰当的设置位置应该在室外出入口和主体结构相连接处。
结语
人防工程是高层建筑的极为重要的结构设计部分，应不断优化相关的人防设计结构，积极融合高层建筑理念，以尽量满足高层建筑的设计要求。本文结合高层建筑的设计案例对其中的人防结构设计问题进行了相关论述与探讨研究，概述了其设计概念与设计原理，并具体提出了相关的基础设计、顶板设计及构造设计等，可以为其他高层建筑人防工程的设计施工提供参考。
参考文献
[1]王焕东,张瑞龙,郭海林,等.GB5003822005人民防空地下室设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005
[2]朱卫星.高层建筑下人防工程结构设计研究[J].科技风，2010.
论文作者:王丹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/22
标签：人防论文; 荷载论文; 结构论文; 顶板论文; 主楼论文; 地下室论文; 工程论文; 《防护工程》2018年第32期论文;