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摘要：文章对人防地下室各部分结构的设计内容及特点进行了论述，并结合高层建筑人防地下室的工程实例详细说明了人防工程结构设计过程。
关键词：高层建筑 人防地下室 结构设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况
某建筑高层住宅楼，由两栋25层塔楼、2层群房和2层地下室构成，为框支剪力墙结构。设2000m2人防地下室，按战时二等人员遮蔽所 6 级防空设计，人防区设置2个防护单元，每个单元又分为2个抗爆单元。
二、地下室人防结构设计的特征
地下室人防结构设计的主要内容包含两方面：一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计；二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统（防护设备），其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙及临空墙的计算、出入口通道（包括风井）的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计。
三、地下室人防结构设计的原则
根据以上所述的结构设计特点，可以确定防空地下室结构设计的一般要求：
1．平战结合，取控制条件，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，而侧墙和底板则因防空地下室结构形式的不同而由实际情况确定。
2．进行强度验算，由于在核爆动载荷作用下，结构构件变形极限已由允许延性比控制，且在确定各种构件允许延性比时，考虑了对变形的限制，因而在防空地下室的结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。
3．只考虑一次核袭击。
4．注意各部件的协调，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。
5．地面与地下承重结构体系要协调，不能出现两者强弱相差较大的情况。了解了人防结构设计的特点及原则之后，必须确定计算所需的载荷值。
四、地下室人防设计
1．等效静荷载标准值。等效静荷载是对核爆动荷载进行简化动力分析得出的荷载值，为作用在结构构件上动荷载最大值与系数的相乘积，其值与地面超压值、动荷载波形、构件工作阶段及允许延性比有关。当条件符合时可由规范（GB50038-94）中直接查取，当条件不符合时，应按规范中公式进行计算。本工程根据规范要求，人防部分各部位的等效静荷载标准值选择见表 1：
表 1 等效静荷载标准值
注：无覆土部分计入上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响
根据人防围护区各构件的受力情况及构造要求，该工程相应各构件截面选择见表 2：
表 2 构件截面选择值
2．地下室人防顶板的计算。6级防空地下室结构顶板（如图1所示），考虑上部建筑对地面空气冲击波超压作用影响，无覆土，板厚 250mm，满足6级顶板早期核辐射的要求。
qel=55kN/m2（分项系数为1.0）;静荷载自重：0.25×25×1.2=7.5kN/m2。
Σq=55+7.5=62.5kN/m2
计算中间较大板块 A（属B1类）：
λ=lx/ly=6/5=1.2；a=1.45；ω=0.076；
B1=0.122；M0=ωq12x=0.076×62.5×62=171.0kN·m；
M x =B1M0=0.122×171=20.86kN·m；
My=aM x =1.45×20.86=30.25kN·m；
Mx0=2M x =2×20.86=41.72kN·m；
My0=2My=2×30.25=60.50kN·m；
板块 B（：属 B3 类）
λ=lx/ly=5/5=1.0；a=1.0；ω=0.084；
B3=0.20；M0 =ωq12x=0.084×62.5×52=131.25kN·m；
Mx=B3{M0-[Σ（My0+λMx0）/2]}
=0.20[131.25-1/2×37.48]=22.50kN·m；
My=aMx=1.02×22.50=22.50kN·m；
Mx0=2Mx=2×22.50=45.00kN5.0·m；
Mx0=2My=2×22.50=40kN·m。
人防计算方法，由中间大板块计算后，向周边板块推进，把已经计算出的支座内力作为已知内力，其他板块计算以此类推，但这些内力值均为动力设计值。
图 1
3．口部设计。口部设计有门框墙设计，即侧挡板和上、下挡板设计，防塌楼梯和出入口顶盖设计等。
（1）门框墙设计。当换算剪跨C/悬板厚度 h0>1时，按悬挑板设计；当换算剪跨C/ 悬板厚度h0≤1时，按牛腿设计。
其中：C=M/V。本工程 6 级人防防护密闭门 FM1520-115，門框墙选用300厚。如图2所示：
图 2
等效静荷载 q=200kN/m2
设门计算跨度系数 α=1.05
a=1500，b=2000，a/b=1500/2000=0.75
γa=0.36，γb=0.40
Qa=q·γaα=2000×0.36×1.5×1.05=113140kN
Qb=q·γbα=2000×0.40×1.5×1.05=126100kN
两侧：Md=Qb（L–0.033）+1/2qL2b
=126×（0.5-0.033）+1/2×200×0.4672=80.65kN·m
Vd=Qb+qLb=126+200×0.467=219kN
C=Md/Vd=80.65/219=0.368m
C/h0=0.368/0.285=1.29>1 按悬板设计；
门槛：Md=Qa（L-0.033）+1/2qL2a
=113.4×（0.25–0.033）+1/2×200×0.2172
=29.30kN·m
Vd=Qa+qLa=113.40+200×0.217=146.80kN
C=Md/Vd=29.30/156.80=0.187m
C/h0=0.187/0.235=0.80<1，按牛腿设计。
（2）出入口楼梯荷载考虑：楼梯板、休息平台板均须按双向受力作用来考虑，其等效静荷载标准值qe=55kN/m2。
（3）出入口顶盖按棚架防倒塌设计，由房屋倒塌产生的垂直等效荷载标准值为50kN/m2，水平荷载为15kN/m2，两者按不同时作用考虑。
4．底板不利荷载取值。在人防设计中，底板同时受到地下水压力及人防冲击力的作用，但人防冲击力在底板的不利组合中视基础的形式而定。（1）如果是箱型基础且在计算中已考虑了水上浮力时，可不计入人防冲击力。即人防冲击力可不进行组合；（2）如果是桩基且是摩擦型桩时，应考虑人防冲击力的不利组合；（3）如果是桩基且是端承桩无沉降时，应不考虑人防冲击力的组合。
5．基础设计。在人防工程基础设计中，由于在核爆动力荷载作用下，地基承载力提高较高，一般可提高2～5倍，因此，对地基承载力与地基变形可不进行验算，但应验算结构构件本身强度承载力。
6．计算中应注意的几个问题：（1）在等效静荷载作用下，材料设计强度应取动力设计强度值，即考虑材料在动力作用下的提高系数。因此，等量等效静荷载与等量静荷载不等价，在截面设计中不能直接套用地面截面设计图表；（2）对于按弹塑性工作阶段确定的等效静荷载设计中，为保证构件延性，在受弯、受剪及受压计算中都有与地面设计不同的要求。在按弹塑性工作阶段设计时，受弯构件或大偏心受压构件的受拉钢筋配筋率不宜大于1.5%。由于我们设计的该类构件均按双面配筋，所以可以认为ρ<1.5%能满足要求，即在设计中考虑弹塑性工作状态，最大的调幅可达30%；（3）在按等效静荷载分析的内力进行梁、柱斜截面承载力验算时，其混凝土及砌体的动力强度设计值应乘以折减系数0.8。
五、结语
高层建筑地下室的结构设计是一个极其复杂的过程。高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室结构设计的合理与否将直接影响到建筑物的正常使用和工程造价。加强地下工程的改造设计和施工技术的研究，加强防水、防火、防护等防灾技术的研究，并创造条件，加以改造，提高地下空间的生活质量。
关键词：高层建筑 人防地下室 结构设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况
某建筑高层住宅楼，由两栋25层塔楼、2层群房和2层地下室构成，为框支剪力墙结构。设2000m2人防地下室，按战时二等人员遮蔽所 6 级防空设计，人防区设置2个防护单元，每个单元又分为2个抗爆单元。
二、地下室人防结构设计的特征
地下室人防结构设计的主要内容包含两方面：一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其他构件的结构设计；二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统（防护设备），其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙及临空墙的计算、出入口通道（包括风井）的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计。
三、地下室人防结构设计的原则
根据以上所述的结构设计特点，可以确定防空地下室结构设计的一般要求：
1．平战结合，取控制条件，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，而侧墙和底板则因防空地下室结构形式的不同而由实际情况确定。
2．进行强度验算，由于在核爆动载荷作用下，结构构件变形极限已由允许延性比控制，且在确定各种构件允许延性比时，考虑了对变形的限制，因而在防空地下室的结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。
3．只考虑一次核袭击。
4．注意各部件的协调，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。
5．地面与地下承重结构体系要协调，不能出现两者强弱相差较大的情况。了解了人防结构设计的特点及原则之后，必须确定计算所需的载荷值。
四、地下室人防设计
1．等效静荷载标准值。等效静荷载是对核爆动荷载进行简化动力分析得出的荷载值，为作用在结构构件上动荷载最大值与系数的相乘积，其值与地面超压值、动荷载波形、构件工作阶段及允许延性比有关。当条件符合时可由规范（GB50038-94）中直接查取，当条件不符合时，应按规范中公式进行计算。本工程根据规范要求，人防部分各部位的等效静荷载标准值选择见表 1：
表 1 等效静荷载标准值
注：无覆土部分计入上部建筑物对地面空气冲击波超压作用的影响
根据人防围护区各构件的受力情况及构造要求，该工程相应各构件截面选择见表 2：
表 2 构件截面选择值
2．地下室人防顶板的计算。6级防空地下室结构顶板（如图1所示），考虑上部建筑对地面空气冲击波超压作用影响，无覆土，板厚 250mm，满足6级顶板早期核辐射的要求。
qel=55kN/m2（分项系数为1.0）;静荷载自重：0.25×25×1.2=7.5kN/m2。
Σq=55+7.5=62.5kN/m2
计算中间较大板块 A（属B1类）：
λ=lx/ly=6/5=1.2；a=1.45；ω=0.076；
B1=0.122；M0=ωq12x=0.076×62.5×62=171.0kN·m；
M x =B1M0=0.122×171=20.86kN·m；
My=aM x =1.45×20.86=30.25kN·m；
Mx0=2M x =2×20.86=41.72kN·m；
My0=2My=2×30.25=60.50kN·m；
板块 B（：属 B3 类）
λ=lx/ly=5/5=1.0；a=1.0；ω=0.084；
B3=0.20；M0 =ωq12x=0.084×62.5×52=131.25kN·m；
Mx=B3{M0-[Σ（My0+λMx0）/2]}
=0.20[131.25-1/2×37.48]=22.50kN·m；
My=aMx=1.02×22.50=22.50kN·m；
Mx0=2Mx=2×22.50=45.00kN5.0·m；
Mx0=2My=2×22.50=40kN·m。
人防计算方法，由中间大板块计算后，向周边板块推进，把已经计算出的支座内力作为已知内力，其他板块计算以此类推，但这些内力值均为动力设计值。
图 1
3．口部设计。口部设计有门框墙设计，即侧挡板和上、下挡板设计，防塌楼梯和出入口顶盖设计等。
（1）门框墙设计。当换算剪跨C/悬板厚度 h0>1时，按悬挑板设计；当换算剪跨C/ 悬板厚度h0≤1时，按牛腿设计。
其中：C=M/V。本工程 6 级人防防护密闭门 FM1520-115，門框墙选用300厚。如图2所示：
图 2
等效静荷载 q=200kN/m2
设门计算跨度系数 α=1.05
a=1500，b=2000，a/b=1500/2000=0.75
γa=0.36，γb=0.40
Qa=q·γaα=2000×0.36×1.5×1.05=113140kN
Qb=q·γbα=2000×0.40×1.5×1.05=126100kN
两侧：Md=Qb（L–0.033）+1/2qL2b
=126×（0.5-0.033）+1/2×200×0.4672=80.65kN·m
Vd=Qb+qLb=126+200×0.467=219kN
C=Md/Vd=80.65/219=0.368m
C/h0=0.368/0.285=1.29>1 按悬板设计；
门槛：Md=Qa（L-0.033）+1/2qL2a
=113.4×（0.25–0.033）+1/2×200×0.2172
=29.30kN·m
Vd=Qa+qLa=113.40+200×0.217=146.80kN
C=Md/Vd=29.30/156.80=0.187m
C/h0=0.187/0.235=0.80<1，按牛腿设计。
（2）出入口楼梯荷载考虑：楼梯板、休息平台板均须按双向受力作用来考虑，其等效静荷载标准值qe=55kN/m2。
（3）出入口顶盖按棚架防倒塌设计，由房屋倒塌产生的垂直等效荷载标准值为50kN/m2，水平荷载为15kN/m2，两者按不同时作用考虑。
4．底板不利荷载取值。在人防设计中，底板同时受到地下水压力及人防冲击力的作用，但人防冲击力在底板的不利组合中视基础的形式而定。（1）如果是箱型基础且在计算中已考虑了水上浮力时，可不计入人防冲击力。即人防冲击力可不进行组合；（2）如果是桩基且是摩擦型桩时，应考虑人防冲击力的不利组合；（3）如果是桩基且是端承桩无沉降时，应不考虑人防冲击力的组合。
5．基础设计。在人防工程基础设计中，由于在核爆动力荷载作用下，地基承载力提高较高，一般可提高2～5倍，因此，对地基承载力与地基变形可不进行验算，但应验算结构构件本身强度承载力。
6．计算中应注意的几个问题：（1）在等效静荷载作用下，材料设计强度应取动力设计强度值，即考虑材料在动力作用下的提高系数。因此，等量等效静荷载与等量静荷载不等价，在截面设计中不能直接套用地面截面设计图表；（2）对于按弹塑性工作阶段确定的等效静荷载设计中，为保证构件延性，在受弯、受剪及受压计算中都有与地面设计不同的要求。在按弹塑性工作阶段设计时，受弯构件或大偏心受压构件的受拉钢筋配筋率不宜大于1.5%。由于我们设计的该类构件均按双面配筋，所以可以认为ρ<1.5%能满足要求，即在设计中考虑弹塑性工作状态，最大的调幅可达30%；（3）在按等效静荷载分析的内力进行梁、柱斜截面承载力验算时，其混凝土及砌体的动力强度设计值应乘以折减系数0.8。
五、结语
高层建筑地下室的结构设计是一个极其复杂的过程。高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室结构设计的合理与否将直接影响到建筑物的正常使用和工程造价。加强地下工程的改造设计和施工技术的研究，加强防水、防火、防护等防灾技术的研究，并创造条件，加以改造，提高地下空间的生活质量。