防空地下室主要構件的計算方法

潘紅艷

(太原理工大學建筑設計研究院，山西太原030024)

依據《中華人民共和國人民防空法》的要求，城市新建民用建筑應按照國家和省市有關規定修建地下防空工程。城市建筑一般設置平戰結合的防空地下室，包括主體結構設計和平戰轉換設計兩部分。因防空地下室管線較多，結構構件截面較大，層高較高，經常超出國家標準圖集[1]的適用范圍，需要設計人員手算各人防構件的內力和配筋。但現有的規范規程、設計手冊[2-5]和結構設計分析軟件并沒有明確規定各個構件的計算方法。這種設計依據的短缺，造成現階段人防工程的結構計算方法和計算模型不統一，設計結果差異較大。本文就人防工程設計中常遇到的人防構件的荷載取值、計算模型、內力分析和截面設計等做簡單的介紹(尤其是設計中爭議最多的門框墻)，供設計人員參考。

1 門框墻計算

1.1 加強梁(柱)設置原則

本省人防工程的主要設計依據為GB 50038人民防空地下室設計規范[2]和國標設計圖集FG01～05防空地下室結構設計[1]。

根據現行國標[2]的規定：門框墻支撐鋼筋混凝土平板防護密閉門時，當上擋墻和側擋墻的懸挑長度大于1/2倍該邊邊長時，宜在門洞邊設加強梁或加強柱；否則，可直接按懸挑構件法進行設計。根據現行國標圖集[1]所列的常用門框類型可以看出，墻體設加強梁和加強柱時，并非完全按照國標的規定進行，還需考慮門洞大小及層高等因素。如：1)圖集中的MK0608，因門洞較小，上擋墻(側擋墻)懸挑長度大于洞寬(洞高)的1/2倍而未設加強梁(柱)。2)圖集中的MK3025，上擋墻的高度是由層高確定的，詳見表1。

表1 國標圖集中加強梁(柱)設置原則匯總表

綜上所述，側擋墻長度大于1 000或大于門洞高度的1/2倍時設加強柱。單扇鋼筋混凝土門上擋墻長度大于600 mm或門洞寬度的1/2倍時設加強梁，雙扇鋼門均設置加強梁。常見的門框墻種類見圖1。

1.2 計算方法

國標圖集中門框墻上等效靜荷載的傳遞原則為“作用在鋼筋混凝土門扇上的等效靜荷載按雙向受力形式傳給四周的擋墻；作用在鋼制雙扇門上的等效靜荷載按單向受力形式傳給上擋墻和下門檻；防護密閉門上擋墻設加強梁，側擋墻設加強柱時，相鄰臨空墻上直接作用的等效靜荷載按雙向受力形式傳給加強梁和加強柱”。

門框墻可分割為側擋墻、門檻、上擋墻、加強柱和加強梁等單一構件進行設計。

1.2.1Ⅰ型門框墻計算

Ⅰ型門框墻可拆成上擋墻和側擋墻，按懸挑構件法計算：

(1)

V=qi+qel2

(2)

其中，qi為門扇傳來的等效靜荷載；qe為直接作用在門框墻上的等效靜荷載；l1為qi作用點至懸臂根部的距離，其值為門框墻懸挑長度l減去1/3門扇搭接長度；l2為qe作用在門框墻上的分布寬度，其值為門框墻懸挑長度l。

1.2.2Ⅲ型門框墻計算

Ⅲ型門框墻可分成側擋墻、門檻、上擋墻、加強梁和加強柱等構件進行設計。

1)等效靜荷載的取值。目前，關于設置加強梁(柱)后的上(側)擋墻人防等效靜荷載的取值各文獻表述不一，文獻[6]中認為“設加強梁(柱)的上(側)擋墻按照臨空墻取值；未設加強梁(柱)的上(側)擋墻按照門框墻取值。”究其原因，文獻[7]分析如下：“現行國標4.6.2條規定，結構構件密閉要求越高，延性比越低，等效靜荷載則應越大。當上(側)擋墻設加強梁(柱)后，加強梁(柱)變成了門框的支點，使得上(側)擋墻的延性比增大”,見表2。

表2 直接作用在門框墻構件上的等效靜荷載qe取值

2)上擋墻計算。設加強梁時，上擋墻按雙向受力板計算[7]。目前各文獻對其邊界條件規定有：四邊簡支板；橫向單向板；有限元法進行分析。鑒于國標對此沒有規定；筆者根據設計經驗認為，當四周構件的剛度大于上擋墻的剛度時定為固結，否則為鉸接。而剛度的大小一般如下規定：頂板面內剛度很大，為固結；支撐墻的厚度不小于板的厚度時為固結，否則為鉸接。加強梁一般截面較小，按鉸接考慮；加強柱邊為連續板，為固結，見表3。

表3 上擋墻邊界條件

根據表3確定邊界后，求出板的彎矩值，按照《混凝土結構設計規范》對其進行配筋設計，或按下面的簡化公式進行設計：

As=M/0.9fyh0

(3)

3)加強梁計算。加強梁的計算簡圖見圖2。計算時單個門扇的寬(c)按照門洞的凈寬(B)加200 mm確定。

其中，q1為梁寬范圍內qe引起的線荷載標準值；q2為上擋墻范圍內qe引起的線荷載標準值；q3為密閉門門扇傳來的單位長度標準值，按現行國標4.7.5和4.8.7條計算；h為加強梁的寬度；l0為加強梁的計算跨度。

目前各文獻對加強梁的計算跨度和邊界條件規定不統一[7]：取凈跨加200 mm為計算跨度，兩端固結；取凈跨為計算跨度，兩端固結；凈跨的1.05倍為計算跨度，兩端固結；國標圖集[1]無計算方法，但上擋梁的兩側均為④號筋，故兩端固結。

筆者認為，其實加強梁本質上還是梁，計算跨度l0取l和1.05ln中的較大值。計算各荷載引起的內力，并根據現行國標4.10.2條對上述內力進行組合。

4)側擋墻計算。設加強柱時，按照《混凝土結構設計規范》規定的單雙向板進行計算。邊界條件如表4所示。

表4 側擋墻邊界條件

5)加強柱計算。加強柱的計算簡圖見圖3。計算時單個門扇的寬(b)按照門洞的凈高(A)加200 mm確定。

加強柱在設計時一般橫著放，按梁計算，故計算跨度l0按l和1.05ln中的較大值取用，兩端固結。

其中，q1為柱寬范圍內qe引起的線荷載標準值；q2為側擋墻范圍內qe引起的線荷載標準值；q3為密閉門門扇傳來的單位長度標準值，按現行國標4.7.5和4.8.7條計算；q4為上擋墻上的qe引起的線荷載；F為加強梁上荷載傳來的集中荷載；d為加強柱的寬度；l0為加強柱的計算跨度。

2 人防外墻計算

人防外墻中的側壓力由地面荷載、地下水位以上土側壓力、地下水位以下土側壓力、水壓力及人防等效靜荷載引起，其計算簡圖如圖4所示。

圖4中,q1為地面均布荷載引起的土側壓力；q2,q3分別為地下水位上下土層引起的土側壓力；q4為地下水引起的側壓力；q5為人防等效靜荷載引起的側壓力。

根據《人民防空地下室設計規范》第4.9.2，4.9.3及4.10.2對其進行組合。

3 臨空墻和防護單元隔墻計算

人防臨空墻及不同防護單元隔墻常見的計算模型有以下幾種：

1)取1 m寬墻體為計算單元，上端鉸接，下端固接。

2)取1 m寬墻體為計算單元，兩端固接。

3)以整片墻為雙向板計算，上邊界簡支，其他三邊固接。

4)以整片墻為雙向板計算，四邊固定。

以上各模型中有2個問題需要解決：計算單元怎么取，邊界條件怎么確定。

計算單元取1 m或取整片墻的問題實際上就是按單向板或雙向板計算的問題。故按《混凝土設計規范》的規定：墻的長度與墻的高度的之比不大于2.0時，取整片墻按雙向板計算；墻的長度與墻的高度之比大于2.0，但小于3.0時，宜取整片墻按雙向板計算；墻的長度與墻的高度之比不小于3.0時，宜取1 m寬的墻體為計算單元按單向板計算。

關于邊界條件的問題，有文獻解釋如下：現行國標[2]第4.11.6.1條中規定防空地下室混凝土結構構件縱向受拉鋼筋的錨固長度laF=1.05la，圖4.11.12-1中要求構件縱向受拉鋼筋的直錨段不小于0.4laF，彎折段不小于15d。《砼結構設計規范》第9.3.4條的條文說明中“當水平段投影長度不小于0.4lab，彎弧—垂直段投影長度為15d時，已能可靠保證鋼筋的錨固強度和抗滑移剛度。”故縱筋直錨段長度不小于0.4laF時，應按固定計算，否則按簡支計算。

4 結語

本文對室內凈高超過3.6 m的人防工程的各構件的荷載取值、設計原則和計算分析進行了總結，得出如下結論：

1)明確了門框墻上擋墻和側擋墻設加強梁和加強柱的原則。

2)明確了門框墻各構件的計算方法，重點指出各構件的荷載取值和加強梁、加強柱的計算跨度及邊界條件，上擋墻和側擋墻的邊界條件及受力形式(即單向板或雙向板)。

3)分析了臨空墻和防護單元隔墻的8種計算模型中的計算單元選取問題、邊界條件確定辦法及豎向荷載可否忽略的問題。