地下人防工程结构内力计算的特点
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摘要:简要介绍了人防结构的设计特点,分析了关于等效静荷载的设计概念,并探讨几种人防结构构件上的荷载取值方法。
Abstract:This paper describes the characteristics of civil air defense structure design. The design concept of the equivalent static load is analyzed and the methods of choosing in some elements of civil air defense structure of the load are explored.
Key words:underground civil air defense engineering structure; design features; internal force calculation;features
中图分类号:TU91 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)06-0250-01
随着城市的发展,高层建筑已经遍布在城市中的各个角落。如何利用好地下建筑,已经成为建筑设计中至关重要的一部分。根据国家人防部门的要求,城市建筑中,人防设计是必不可少的,高层建筑基础埋深都很大,为了有效利用建筑基础,一般都将高层建筑的地下室部分做成人防工程。另外,城市建设的要求越来越高,地上已经没有空间来满足建筑配套车位的要求,很多建筑都将地下部分设计为地下车库,配合人防工程后,将普通的地下车库,设计成平战结合的人防车库。可以说人防地下室设计已经成了建筑设计和结构设计的一个重要部分,需要建筑设计人员熟练掌握其设计方法。但是长期以来,由于人防工程设计方法复杂,设计的参考资料非常少,国家相关规范更新较快,使得工程设计人员对人防工程设计的方法和概念存在很多模糊认识。通过总结人防工程的设计经验,对下面几个基本的概念谈谈我们的认识。
1人防结构的设计特点
通常,地下建筑使用功能为平战结合人防地下室。地下人防工程上作用的荷载,平时正常使用时以静荷载为主,战时以爆炸冲击波产生的动荷载为人防工程的主要荷载。因此,人防工程结构设计,除了要满足一般的使用要求以外,同时还要满足战时能够承受规定爆炸荷载的效应组合要求。
钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段进行设计。由于构件在塑性阶段工作可比仅在弹性阶段工作吸收更多的能量,因此可以充分发挥材料潜力。由于人防工程防护设计是将动荷载等效为静荷载进行分析,与此相适应的,人防工程的结构材料承载能力是按静载试验取得的,这些材料的强度在用于人防工程设计时,要将材料在动载下的强度提高因素考虑进去。因此,人防工程设计时的材料强度要用动荷载强度增强系数来进行调整后方可用于结构设计。这是人防工程结构设计的一个重要特点。
2关于等效静荷载的设计概念
人防工程设计的核心问题是人防工程结构内力的计算方法和构件截面的设计方法。人防工程设计从程序上看,大体可以分成三个层次:结构方案、内力分析、截面设计。其中的内力分析是人防工程结构设计与一般建筑结构设计有较大的区别,而截面设计则与一般建筑结构设计方法基本相同。进行人防工程的结构分析,首先要根据建设单位的设计委托书中确定的工程的抗力等级,由此明确工程的防护要求。防护等级确定后,即可根据有关的规范来确定人防工程的各种荷载作用数值。
人防工程的荷载平时以静载为主,战时以动荷为主,这种动荷载是冲击荷载。那么人防工程的荷载是如何选用的呢?动荷载又是如何作用于结构上的呢,解决这一问题的思路是,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。一般结构进行内力分析的方法是对结构从整体上进行分析,从整体结构到具体构件,而人防工程的内力分析是先将结构分解成为独立的构件,每种独立的构件分别按照不同的防护要求和防护等级,计算其等效静荷载,每种构件所受的荷载不再向其它构件传递。
等效静载法原则上只适用于单个构件。实际人防工程结构是由顶板、梁、外墙、柱等构件组成的多构件体系。用等效静载法设计时,一般将结构分解成独立的构件,求出各自的等效静载后,将复杂结构简化为基本结构或构件,即可按静力荷载作用下结构内力计算结构的内力。
这样一来,人防工程设计顶板时,不再考虑其它构件对顶板的影响,设计外墙时,不再考虑其它构件对外墙的影响。计算底板时,也不再考虑其它构件对底板的影响。另外,内部承重墙柱设计时也不再考虑所有其它构件的影响。
爆炸动荷载可以简化为等效的静荷载的原因,在于在爆炸荷载对于不同的工程部位并非同时达到荷载的最大值,因此可以不必把整个结构作为一个整体进行结构整体分析,而是独立地分别按照荷载的最大值分别设计计算各个构件。这是人防工程结构内力计算的基本特点。
3几种人防结构构件上的荷载取值方法
上部建筑物对于人防地下室顶板是否有防护作用,结构设计人员常常存在模糊认识,似乎上部建筑物对于人防工程存在某种程度上的防护作用。其实,这种认识是错误的。上部建筑物对人防地下室顶板核爆动荷载的影响,应从爆炸冲击波与建筑物的相互作用来进行分析。当冲击波从迎爆面墙壁的各个窗孔冲入室内,由于从孔洞骤然进入一个较大的空间,冲击波峰值降低,经过了室内各个方向障碍面复杂的反射过程,形成了新的超压波形,地面建筑也相应由变形、开裂、失稳而最后倒塌。
由此分析,可以清楚地理解上部建筑物自重计算方法,也就明确了为什么在人防工程等效静荷载中,上部建筑物自重会作用于顶板。这是因为上部建筑物在爆炸的冲击波作用下遭受破坏,建筑物倒塌,或者被抛掷到远处。核爆时,上部的混凝土承重墙全部倒塌,压在地下人防工程的顶板上,这时上部建筑物的自重取其全部,而其余结构形式,由于建筑物被抛掷,因此,上部建筑物的自重取一半或不计。
在设计构件截面时,要严格区分临空墙、扩散室墙、进出口楼梯、防倒塌棚架等各类构件的动荷载作用的区别。临空墙一侧在工程防护门以外受空气冲击波荷载作用、一侧在工程防护门以内不受冲击波荷载作用的影响。扩散室外与防护门外的通道相隔的临空墙,其外侧受到空气冲击波的强大压力荷载,墙的内侧还受到冲击波经过防爆活门进入扩散室的余压荷载。人防工程室内出入口楼梯核爆动荷载,应按构件正面和反而不同时受荷分别计算配筋。防倒塌棚架只是梁、柱等构件的迎爆面承受冲击波荷载,其余方向上均不受动荷载。
人防工程的结构设计,只要在一般建筑结构设计的基础之上,充分认识人防工程结构设计的特点,经过设计实践,不断总结设计经验,就可以掌握人防结构设计的规律,逐步提高人防工程的设计水平。