高层建筑人防地下室的结构设计浅析

高层建筑人防地下室的结构设计浅析

发表时间：2016-07-06T15:15:21.587Z 来源：《基层建设》2016年6期作者：杜昌校[导读] 近年来，随着我国经济高速发展，城市化水平不断提高，城市建设规模也在不断扩大。

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摘要：近年来，随着我国经济高速发展，城市化水平不断提高，城市建设规模也在不断扩大。在这样的大形势下，城市地下空间的开发利用逐渐成为焦点，特别是人防建设已经和城市建设紧紧地结合在一起。在人防建设中，人防地下室设计，尤其是高层建筑人防地下室设计是一个重要方面，本文从某综合办公楼人防地下室设计实例出发，分析了人防地下室的组成结构。

关键词：人防地下室；结构设计；荷载组合；内力分析

引言

近年来，我国经济高速持续发展，城市建设规模和建设水平不断提高，城市地下空间的开发与利用越来越受到人们的重视，同时人们对城市综合防灾能力的要求也越来越高。作为与城市建设相结合的人民防空工程建设，尤其是人民防空地下室工程的建设得到空前发展。

在民用建筑设计中，高层住宅及写字楼由于使用需要，通常设置裙房以及地下停车场，主楼地下室与裙房地下室连为一体，形成大底盘结构，平时用作地下车库和设备房间，战时部分用作人防地下室。此类地下室一般面积大，结构形式复杂，与平时使用关联较多，设计中在结构本身强度满足人防工程建设要求的前提下，还要考虑到平时使用时的功能特点和要求，统筹规划才能达到“平战结合”的设计要求。本文就此通过工程实例分析，对包含人防结构的多高层建筑地下室结构设计中遇到的问题进行分析与探讨。

1 人防地下室结构设计原则

第一，人防地下室结构设计需要遵循平战结合的基本工作原则，取控制条件，多遵循5~6级的人防设计标准，结构顶板基本上按照战时标准控制，同时需要根据地下室结构形式的不同类型，对底板以及侧墙部分做合理设计。

第二，人防地下室结构设计需要做科学性的强度验算工作。在对各种构件允许延性比取值进行选择的过程当中，已经纳入了对变形限制因素的考虑，因此在做防空地下室结构设计的过程当中，不需要单独对结构构件的变形问题以及裂缝延伸问题进行验算。

第三，人防地下室结构设计需要确保各个结构体系的协调性。需要对人防结构设计的特点与原则进行充分认识，确定计算所需的标准荷载取值，以确保结构体系的相互协调与匹配。

2 防空地下室设计特点

多高层建筑的防空地下室结构是整个建筑体系的一部分，其结构设计应同时满足平时和战时两种不同 2.1 防空地下室结构体系布置应结合地面建筑体系特点布置。建筑前期方案协同设计时，防空地下室结构承重构件应尽量与地面建筑结构承重构件对应，以使荷载通过防空地下室的承重构件直接传至地基基础上。

2.2 钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计。考虑结构的动力响应，结构设计的可靠性可以降低；结构构件进入塑性工作状态时可吸收更多能量，充分发挥材料潜力，材料设计强度可以提高，具有较大的经济意义。

2.3 在爆炸动荷载作用下，结构可只进行强度计算，不进行变形、裂缝及地基承载力计算。

2.4 重视人防结构构造要求，提高抗塌毁性能。如人防地下室在材料强度等级、结构构件最小厚度、保护层厚度和最小配筋率等各个方面，此外在嵌固端构造要求以及超长结构差异沉降处理等方面需结合上部高层结构共同考虑。

2.5 平战转换设计。人防地下室战时与平时考虑的荷载效应组合不同，取其中控制条件作为人防地下室结构设计的依据；此外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，并能在规定时限内快速有效地完成功能转换。

3 工程实例分析

本文通过2 个实例对防空地下室设计特点，就笔者设计中遇到的问题进行分析和小结。

3.1 工程简介

1）项目1 某综合办公楼，主楼17 层，裙房4 层，主楼为框架-剪力墙结构，裙房为框架结构，主楼高68． 7m，基础形式为桩基承台，埋深5． 8m。1 层地下室面积为6 910m2，其中含人防面积3 908m2，平时使用功能为车库，战时使用功能为二等人员掩蔽部，共2 个防护单元，防护级别为甲类核6 级，常6 级。人防分区及构造措施如图1 所示。

图1 项目1 人防分区及构造措施示意

2）项目2 某住宅主楼25 层，裙房3 层，主楼为框架-剪力墙结构，裙房为框架结构，主楼高78． 95m，基础形式为桩基承台，埋深5． 2m。1 层地下室面积为6 780m2，其中含人防面积3 320m2，平时使用功能为车库，战时使用功能为二等人员掩蔽部，共2 个防护单元，防护级别为甲类核6 级，常6 级。人防分区及构造措施如图2 所示。

3.2 结构布置

项目1 功能性质为综合办公楼，共设两处车道出入口，一处位于人防结构范围外；每个防护单元各有主要及次要出入口一处，人防地下室主要位于裙房及室外地面下。项目2 功能性质为高层住宅，设一处车道出入口，位于人防结构范围外；每个防护单元各有主要及次要出入口一处，人防地下室主要位于高层结构及室外地面下。

通过对比，项目1：由于办公楼主要设备房间需设置于地下室北侧，使得人防口部构件与高层竖向受力构件单独设计；直通室外通道及竖井多数位于防倒塌范围外，减少部分防倒塌构件设计。项目2：人防口部构件与高层竖向受力构件剪力墙及框架柱结合设计，传力构件布局合理；直通室外通道位于高层范围内，防倒塌结构需结合室外建筑布局和功能要求设计。人防结构与地上建筑设计需紧密结合，尤其人防墙体利用上部结构受力构件共同布置，使地下结构得到充分利用。

3.3 弹塑性设计

图2 项目2 人防分区及构造措施示意

在爆炸动荷载作用下，结构构件变形极限需要用允许延性比控制，规范在确定各种结构的允许延性比时已经考虑变形限制和防护密闭的要求，因而防空地下室结构在爆炸动荷载作用下不必进行变形裂缝验算；荷载取值只考虑一次核袭击；同时注意各部件的抗力协调，避免局部先行破坏。

此外，笔者在项目1 设计过程中，遇到以下问题：因办公楼柱网布置局部较大，所以结构设计中少数布置处混凝土梁延性比计算较难通过，但提高整体混凝土强度等级极不经济，最终采用如下方法解决：当受拉钢筋配筋率ρ≤ρmax，增配截面受压钢筋，有效降低受压区高度，使允许延性比满足规范要求；当ρ ﹥ ρmax，增大受弯构件截面尺寸使得受拉钢筋配筋率ρ≤ρmax，再增配受压钢筋。

3.4 结构计算

人防地下室结构设计的主要内容包含以下两方面：①主体结构设计，包括顶、底板，外侧墙等构件设计。②口部防护设计，防护密闭门与消波系统；通道临空墙门框墙设计；孔口构件，如风井防倒塌棚架以及相邻单元间隔墙等设计。

对于人防荷载取值、荷载组合、计算模型以及内力分析相关规范及图集都有明确规定，笔者不重述，只提出以下两点注意：①在民用建筑的人防地下室的结构设计中，一般只涉及5 级或6 级人防设计，结构的顶板基本上都由战时控制，而侧墙和底板则因地下室的结构形式、埋深、抗浮设计水位等因素取平时及战时不利工况确定。②在核武器荷载作用下的基础设计中，一般情况按平时使用条件下验算地基承载力（战时地基承载力和变形可不验算），按战时和平时使用条件下取不利情况进行基础验算。当防空地下室基础采用桩基础时，桩本身应按计入上部传来的核武器爆炸动荷载效应组合值来验算构件强度。