高层住宅建筑下人防工程结构设计分析

高层住宅建筑下人防工程结构设计分析

万德永

万德永中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031

摘要：本文通过工程实例对高层住宅建筑下人防工程结构设计计算方法进行分析，研究了人防工程基础设计和顶板设计计算方法的合理选择，从而使人防工程结构设计达到优化的目的，并为从事人防设计人员提供参考。

关键词：人防工程；结构设计；等效静荷载

0引言

随着冷战的结束和科学技术的快速发展，未来战争模式发生了重大变化，为适应未来战争的需要，新建民用建筑应依据国家规范修建一定数量的防空地下室。随着人们生活水平的提高和对物质文化生活的需要，在城镇化建设的过程中，高层住宅建筑运用而生。由于高层住宅人口密度相对较高，因此对高层住宅建筑下人防工程的设计提出了更高更紧迫的要求。人防工程是我国建筑工程的重要组成部分，其不仅可以满足人们日常生活的需求，还使人们的生命财产安全在受到战争威胁时得到有效的保护。因此在建筑设计时，人防工程的设计越来越受到人们的重视，本文通过工程实例，从基础设计和梁板设计等方面分析了人防工程的结构设计。

1工程实例

某高层住宅建筑，主楼23层，设有两层地下室，负一层是储藏室，负二层为人防地下室，此人防地下室人防等级为核6级。在主楼的周围设有现代化地下停车场。主楼基础底标高和地下停车场基础底标高一致，停车场顶板标高则处在负一层层间。顶板上覆土1.5m，停车场和主楼连成一体。主楼一侧设置裙房，两层框架结构，它是由地下停车场向上延伸而成，从停车场顶板开始和主楼脱开。

2人防工程的结构设计

2.1人防工程的概念和设计原理所谓人防工程就是指人民防空工程，其主要是在发生战争的时候为人们提供物资补给和医疗救护的避难之地[1]。人防地下室是为战时防空袭服务的，所以其设计必须满足预定的防护要求和战时使用要求；目前，在我国高层建筑中，人防工程主要有附建式、地道式、单建式以及坑道式几种。在高层住宅建筑中运用最为广泛的是附建式人防工程。其原因主要是由于附建式人防工程施工工艺较为简单，建筑成本较低，同时也能节约土地资源，因此得到了广泛的运用。

附建式人防工程经济效益比较突出，其建设和建筑物结构为一体，在平时可以将地下人防工程当作储存室或车库来进行使用[2]，当战争发生时人们则可以将其作为躲避战乱的避难之地，充分了发挥出了其建筑结构的价值。

人防地下室结构设计的核心有两个方面的内容，一是必须满足预定的抗力要求，在预定的爆炸动荷载作用下不能破坏，并具有足够的承载能力；二是必须满足预定的密闭要求，在预定的爆炸动荷载作用下，必须满足防毒要求和辐射防护要求。由于人防地下室主要是承受常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载，这类荷载是一种偶然性荷载，建筑结构可按荷载效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，保证主要承受结构不致因出现规定的偶然事件而丧失承载力。在人防结构进行动力分析时，通常采用等效静荷载法。

2.2基础设计在对人防工程进行设计时，相关技术人员必须对其结构的可靠性以及承载力进行准确的分析和计算，并且充分的考虑其建筑结构的经济性，采用最优的基础形式。

在爆炸动荷载作用下，地基承载力有较大的提高，一般不会因地基失稳一起结构破坏。防空地下室结构在爆炸动荷载作用下的基础设计，可只按平时使用条件验算地基的承载能力及地基变形，不用进行战时动荷载作用下的地基承载力与地基变形的验算[3]。但是，为了保证基础承载力，我们应该验算战时动荷载作用下基础强度。

考虑到本工程主楼层数比较多，结构自身重量比较大，通过对比分析，通常为平时的受力情况控制。主楼基础的设计计算则对比平时与战时两种状态，取大值[4]。针对主楼周围的裙房而言，因为层数较少、荷载也较小，所以采用独立式基础最为合适。地下工程要求防水，由于独立基础本身是没有防水能力的，所以将防水板设置在独立基础间，不仅可以使防水问题得到有效的解决，同时还可以使投资得到节约。

当遇到建筑结构和四周不接壤时，则应该对建筑结构主体的稳定性和可靠性进行考虑。在此工程中，地下空间结构刚度较大，同时地下空间结构中覆盖1.5m厚的土壤，这就使得地下空间结构受到了覆土的侧限作用，保障了建筑结构的可靠性和稳定性。

对于主楼基础下地基承载力的深度修正问题，当主楼地下室周围设有裙房地下室、基础是筏型基础，同时基础上的重量和挖出土体的重量相同时，主楼基础下承载力的深度修正则能按照室外地坪和主楼基底之间的距离进行计算。

2.3顶板设计人防工程的上部结构直接关系到建筑物的使用功能和各层的安全性，所以，选择的上部结构型式和人防工程结构型式必须匹配[5]。

人防地下室顶板一般都是有人防荷载与静荷载的荷载组合起控制作用。作用在防空地下室顶板上的等效静荷载值与抗力级别、顶板结构最大短边净跨及覆土厚度有关，另外还要区分是否考虑上部建筑的影响。由于上部建筑的存在，地面爆炸产生的空气冲击波需穿过上部建筑的外墙、门窗洞口对空气冲击波产生一定的削弱作用，因此在结构顶板及室内出入口结构构件计算中，当符合一定的条件下可以将空气冲击波最大超压乘以一定的折减系数。

对此工程而言，人防地下室设在负二层，因此，负二层的顶板需进行人防设计。负一层顶板不需设置人防构件，各结构构件按平时普通的地下室设计即可达到要求。人防地下室楼盖设计中，最常采用的是现浇实心钢筋混凝土楼盖，而常采用的楼盖形式有由梁板组成的肋形楼盖、密肋形楼盖和无梁楼盖等。本工程负二层顶板的设计可根据分析比较取最优方案。在核算人防地下室顶板、中间楼板是否满足最小厚度要求是，密肋板、现浇空心板折合厚度按折合成实心截面的厚度计算。

2.4基本算法人防工程与普通工程相比，人防工程除了承受静荷载之外还要承受爆炸所产生的动荷载冲击波。爆炸动荷载具有不同于静力结构的特征，即在确定荷载和计算方面具有其特殊的规律。在工程上为了便于解决实际问题，通常把这种爆炸动荷载变换为一种等效静荷载。按弹塑性工作阶段确定等效静荷载，按塑性内力重分布计算内力，这样可以获得最佳经济效益。人防工程在以下两种情况之下需要进行折减，其一就是在根据等效静荷载对梁柱斜截面承载力验算时，砌体在承载作用下的设计强度值需要乘上一个折减系数，其数值是0.8；其二是根据等效静荷载对墙、柱受压正截面承载力进行验算时，砌体在动荷载作用之下的轴心抗压强度设计值需要乘以一个折减系数，其数值是0.8.3构造设计因为人防工程所需承受的荷载比较大，同时还要承受核弹爆炸所产生的动荷载作用，所以人防工程的结构材料、构件的最小厚度、抗渗等级等方面都比普通结构要求高。

人防工程结构的构件截面尺寸通常是比较大的，所以，在设计配筋时，要特别注意不要出现配筋率比最小配筋率还小的情况，避免结构物在承受荷载时出现破坏或突然崩溃的现象。在地下人防工程的墙板设计时应该采用双面配筋，同时还需要根据要求设置成梅花形拉筋，以此来保证结构构件在震动状态下混凝土和钢筋有良好的结合，使其共同受力。

地下人防工程不适合在防护单元内设置伸缩缝以及沉降缝，如几个防护单元连在一起，且需设置沉降缝或伸缩缝时，应设在两个防护单元之间[7]；上部地面建筑需设置防震缝、伸缩缝时，防空地下室可不设置。在室外出入口与主体结构连接处，宜设置沉降缝。

参考文献[1]孙久晖.高层建筑下人防工程结构设计研究[J].科技创业家,2013,15:35.[2]门进杰,李慧娟,史庆轩,贺志坚,王顺礼,周琦.某板式住宅高层建筑剪力墙结构优化设计研究[J].结构工程师,2013,03:1-10.[3]刘伟.人防工程结构设计中应重视的几个问题[J].辽宁工学院学报,2002,05:46-47+68.[4]林柏中,王振家,高伯扬等.人防工程概率设计法的应用——目标可靠指标及承载能力表达式中分项系数的确定[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1988,03:12-18.