地下室結構設計問題研究

黎學宏

摘要：單建式防空地下室由于頂板標高無變化、作用荷載較大，適宜采用板柱結構。在保證使用凈高要求的前提下，能有效減小房屋層高的優點，且減小地下室層高，就可減少基坑開挖深度，自然可降低深基坑圍護造價和減少土方開挖量，因而可大大降低綜合造價。本文就針對板柱結構在地下室結構設計中的一些問題，進行分析和探討。

關鍵詞：結構設計；防空地下室；板柱結構；等效靜荷載；平時；戰時；

一、等效靜荷載的確定

根據《人民防空地下室設計規范》 GB50038-2005，的規定，甲類防空地下室結構應分別按平時使用狀態的結構設計荷載組合、戰時常規武器爆炸等效靜荷載與靜荷載同時作用的荷載組合及戰時核武器爆炸等效靜荷載與靜荷載同時作用的荷載組合進行設計。實際上，由于戰時材料強度取值、截面設計規定、結構構造要求等均相同，僅等效靜荷載取值不同，采用等效靜荷載法進行結構設計時，可將戰時的兩種組合合并為一種，取用常規武器爆炸等效靜荷載與核武器爆炸等效靜荷載中的較大值即可，這樣在滿足工程設計精度的前提下能大大減小了計算工作量。

值得注意的是，在確定頂板和外墻等效靜荷載時，要看是否可考慮上部建筑影響，上部建筑如果滿足《人民防空地下室設計規范》第4. 3. 4條和第4. 4. 4條規定，則可考慮上部建筑影響。單建式防空地下室不考慮上部建筑影響。為抵抗水浮力設置的抗拔樁不屬于基礎受力構件，其底板等效靜荷載標準值應按無樁基底板取值。由于《人民防空地下室設計規范》中的表4. 8. 2頂板覆土最大厚度為1. 5 m，大于1. 5 m時原則上需按規范給出的公式計算；分別按1. 5 m

二、構件尺寸的確定

地下室頂板厚度首先要滿足防空地下室戰時的防護厚度，對不同的抗力級別，《人民防空地下室設計規范》有明確的規定。頂板由于是無梁樓蓋，樓板厚跨比宜大于1/30，同時樓板厚度應滿足抗沖切要求，抗沖切驗算應按平時和戰時分別進行。

平時抗沖切驗算可按《混凝土結構設計規范》中的公式7. 7. 1-1進行，公式中F1為平時使用荷載（恒載和活載，采用基本組合）作用產生的沖切荷載設計值，可取柱所承受的軸向力設計值減去柱頂沖切破壞錐體范圍內的荷載設計值；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，按《混凝土結構設計規范》采用。

戰時抗沖切驗算可按《人民防空地下室設計規范》附錄D中的公式D. 2. 2-1進行，公式中ftd為混凝土在動荷載作用下抗拉強度設計值，按《人民防空地下室設計規范》第4. 2. 3條規定取值；F1為恒載Gk（包括頂板自重、粉刷重和覆土重）和頂板等效靜荷載Qk共同作用所產生的沖切荷載設計值，計算沖切荷載設計值時，作用在頂板上的荷載設計值q設按下式計算：

q設=1.2Gk+1.0Qk

必須注意，當無梁樓蓋的跨度大于6 m或其相臨跨度不等時，沖切荷載設計值應取按上述方法計算所得沖切荷載設計值的1. 1倍。

全埋式地下室外墻和底板厚度，《人民防空地下室設計規范》無明確規定，其厚度應滿足防水要求、平時和戰時的承載力要求以及平時抗裂和變形要求，根據水頭和混凝土設計抗滲等級，對5級、6級防空地下室可按《高層建筑混凝土結構技術規程》表12. 1. 9確定；另外，地下室側墻做為無梁樓蓋的邊支座，其厚度應滿足無梁樓蓋的負筋錨固要求，厚度應大于0. 4la（la為受拉鋼筋的錨固長度）。柱截面尺寸由軸壓比控制。其余構件如臨空墻、防護單元隔墻等按《人民防空地下室設計規范》要求確定。

三、內力和配筋的計算

板柱結構的內力計算可采用近似法如等代框架法、直接設計法（有使用條件），也可采用有限元法進行精確計算。應優先采用有限元法進行計算。

有限元分析軟件較多，但大多數不能進行戰時計算，不能直接用于人防計算；一些只能進行人防構件計算，不能進行整體分析計算；采用PKPM系列SATWE軟件，可進行整體分析，也可對平時和戰時兩種不同荷載效應組合進行計算，對板柱結構還可考慮柱帽作用。采用SATWE軟件計算板柱結構，在工程數據建模時，應在柱與柱之間輸入100 mm×100 mm的虛梁。目前， SATWE軟件可計算防空地下室的頂板（無梁樓蓋）、外墻、臨空墻、梁和柱配筋，不能計算防護單元隔墻和門框墻等的配筋。防護單元隔墻和門框墻等可采用人防構件計算，也可參照全國通用圖集《防空地下室結構設計》配筋。

四、地下室底板的計算

對采用樁基礎獨立承臺的防空地下室底板（只起防水作用），按規范要求應分別按平時和戰時兩種情況單獨計算，人工取最大包絡配筋。按如下方法則可用PKPM系列軟件一次完成平時和戰時計算，即采用PMCAD軟件按倒樓蓋建一層防空地下室模型，頂板的恒載標準值按g1k（計算見后）輸入，頂板的活載標準值輸0. 01 kN/m2，采用SATWE進行計算，定義人防等級為5級或6級，但頂板的等效靜荷載改用防空地下室底板的等效靜荷載，對于5級人防為50 kN/m2，對于6級人防為25 kN/m2，這樣可一次自動完成平時和戰時計算，并取包絡配筋，大大地提高了效率。能采用以上方法的原因如下：作用在地下室底板上的荷載有等效靜荷載、水的浮力和底板自重。由于水的浮力是滿布的，可當恒載考慮，對結構不利；地下室底板自重，對結構有利。

五、樁基設計

由于在武器爆炸動荷載作用下，地基承載力有較大提高，同時安全系數也可取得相對較低，在這種瞬間荷載作用下，一般不會產生因地基失效引起結構破壞。因此，防空地下室在人防荷載作用下，可不驗算地基承載力和地基變形。對于采用樁基的防空地下室，按單樁承載力特征值確定樁數時，可不考慮人防荷載作用，按平時荷載組合確定樁數即可。

根據靜力荷載作用下樁基礎的實測資料，由于打樁后土體往往產生較大的固結壓縮量，以致在平時荷載作用下，雖然建筑物有一些沉降，但有的建筑物底板仍與土體相脫離。由于樁是基礎的主要受力構件，為確保結構安全，在防空地下室結構設計中，樁身承載力應按計入上部墻、柱傳來的核武器爆炸動荷載的荷載效應組合來驗算。

六、結論

甲類防空地下室結構設計，可將戰時的兩種組合合并為一種，取常規武器爆炸等效靜荷載與核武器爆炸等效靜荷載中的較大值與靜荷載組合進行設計。板柱結構頂板厚度除應滿足戰時的防護厚度外，應分別按平時和戰時進行抗沖切驗算；地下室底板和側板應滿足防水要求；門框墻、臨空墻和防護單元隔墻等構件按人防規范要求確定。板柱剪力墻結構防空地下室可采用PKPM系列SATWE軟件進行整體分析。地下室底板可按倒樓蓋建一層地下室模型，用PKPM系列軟件一次自動完成平時和戰時計算，并取包絡配筋。采用樁基的防空地下室，按單樁承載力征值確定樁數時，可不考慮人防荷載作用，按平時荷載組合確定樁數；但樁身承載力應按計入上部墻、柱傳來的核武器爆炸動荷載的荷載效應組合來驗算。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國建設部.GB 50038—2005 人民防空地下室設計規范[M].北京：中國建筑工業出版社， 2005.