建筑结构中人防设计及抗震设计研究

发表时间:2019/6/13   来源:《防护工程》2019年第5期   作者:吴培培
[导读] 应注意细节把控,整体布置要符合相关标准要求,确保工程质量安全,设计出人性化、防护化、功能化十足的人防地下工程。
佛山市顺德建筑设计院股份有限公司
  摘要:建筑结构设计之中人防设计和抗震设计是其中十分重要的组成部分,对于人们的生命安全有十分重的影响,本文从实际出发分析了建筑结构设计之中人防设计以及相关抗震设计的措施。
  关键词:建筑结构:人防设计:抗震设计
  
  
  0引言
  人防结构和抗震结构虽然在概念和设计方式上有所不同,前其也有一个显著的共同点,即根本宗旨都是为了有效抵御各种自然和人为因素带来的震动,提高建筑的抗震动能力是这两种结构设计共同面临的课题。从设计原则上,人防结构设计与抗震结构设计也有一定的相同之处,强柱弱梁、强剪弱弯等设计原则在这两种结构设计中均有体现。除此之外,人防结构设计与抗震结构设计理念也是相同的,二者皆重视整体建筑的协调性。如果建筑的协调性不够好,很容易产生一些问题,其中薄弱的环节会对建筑的稳定性构成威胁,进而威胁到人们的生命财产安全。在人防结构设计中,一定要对薄弱环节引起重视,以此提高建筑主体的抵抗应力,使建筑在地震等自然灾害或人为因素造成的震荡下,不致产生垮塌或者变形。为此,相关人员要对建筑结构构件的承受力进行科学合理的分析,确保建筑的稳定性和安全性。在抗震结构设计中,也要注意薄弱环节和结构,尽量在事前规避可能产生的问题和隐患,以此使建筑主体在受到强烈冲击或者突发的地震造成的震动的状态下,可以很好地保障建筑内人员的生命安全和财产安全。
  1建筑结构设计之中的抗震设计
  抗震结构设计是指在建筑结构设计时,为了加强建筑物整体稳定性和安全性,提高建筑体抵抗自然灾害和人为灾害所进行的设计。在建筑物应有寿命年限内,使建筑物能够保持足够的耐久性和可用性。
  1.1设计内容
  建筑抗震结构设计,在现实施工过程中,必须注重建筑结构在使用过程中的可靠性和稳定性。其次,必须以人为主体,满足居民对建筑体安全性和舒适度的要求。现代抗震结构设计影响因素众多,环境要求不一样,设计时必须进行全面探查确保建筑设计的合理稳定。
  1.2设计加强点和方法
  (1)对塔楼的薄弱部位进行加强设计;与连接体相连的梁和柱需要提高抗震等级,连接体相连的柱需要用钢骨混凝土柱,钢骨柱需要从中层至顶层之间进行柱的轴压比控制。梁深入塔楼的第二跨,需要加强连接体与剪力墙的锚固,一面地震时连接体的拉脱。在塔楼薄弱层需要用箍筋加密加粗,水平钢筋也应加强。图1为塔楼基本结构设计图。
  
  图1 塔楼基本结构设计图
  (2)采用隔震加固法;结构刚度和地震作用成反比,结构周期变大时,刚度减小从而降低了地震作用。目前实践中,以增大周期隔震加固技术最为普遍,最有代表性的就是铅芯橡胶隔震。主要利用橡胶铅芯阻尼值高、水平变形力大且能能够吸收地震爆发能量的特点,将铅芯和橡胶隔震垫安放在地基基础和上部结构之间,再使二者分开。地震过程中,隔震垫会产生较大的水平变形并吸收热量,使上部结构水平速度降低,达到减小上部结构地震作用的目的。
  (3)消能减震加固法;在工程抗震过程原理分析中,结构阻尼和地震之间呈反比例关系。增加结构阻尼主要通过结构变形较大的部位设置阻尼器的消能减震方法来实现。利用阻尼器控制结构在地震作用下的变形,降低建筑结构在水平和竖直方向的地震作用,确保建筑物在较大震动作用下不会出现大的破坏。
  (4)外加构件法;在原建筑结构构件外部增加构件从而加强结构抗震能力、变形能力以及整体性的方式称为增设构件法。该方法主要对建筑物承载力和变形力不足进行加强,进行构件加固设计时,需要关注加固结构整体抗震性能的变化。
  2人防结构设计
  2.1人防结构设计内容
  人防结构设计,是现代建筑施工中一个重要的环节,直接关系到建筑工程的经济、社会以及战备效益。在一些危险区域,依旧存在不安定因素,加强人防结构设计、确保建筑设计安全合理不仅是当前建筑工程应有的标准,更是国际形势下的必然结果。正常情况下,人防工程设计是一种相对稳定性很高的特殊保护地下建筑类型工程,以建筑形势区分,可以划分为掘开式人防工程和暗挖式人防工程,各自拥有不同的形式,并且实际时需要结合实际情况进行分析,选取最恰当的方式进行施工。
  2.2设计特点
  (1)设计目标可靠指标可适当降低;一般的建筑工业与民用建筑使用的平时荷载是永久使用的主要荷载,一旦破坏就会造成很严重的后果。在民用设计中结构构件承载力指标要求很高,而对于人防工程来说,由于炮弹冲击波或核爆炸作用时间短,而且考虑一次瞬时作用,允许防空结构有相对较低的安全度,承载能力极限可靠指标要求稍微降低。
  (2)结构可采用弹塑性体系设计;平时荷载作用下的钢筋混凝土构件,一旦构件进入变形塑性就会在静载作用下失去承载能力,防空地下室人防荷载为动荷载,具有瞬息、短暂作用性质。构件进入塑性只要不超过极限就可有阻尼的自由振动,使变形力降低,最后恢复到一定的静止平衡状态,虽仍有残余变形,对于防空来说却能达到承载要求。
  (3)设计材料强度值高;人防结构强调承受瞬间作用力,在快速加载状态下,材料破坏变形是来不及展开的。数值达到最大就会开始卸载,所以加强施工材料的强度,对于地基的承载力,人防动荷载作用力可以几倍到十几倍。
  2.3工程案例
  某综合办公楼,主楼26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 99.6m,基础形式为桩基承台,底板标高- 9.7m。两层地下室面积为18100m2,其中含人防面积11900m2,平时使用功能为车库,战时使用功能为四个核6级常6级甲类二等人员掩蔽部及一个核五常五级专业队装备掩蔽部,共 2个防护单元,4个抗暴单元。
  1.1 结构布置
  该工程为综合办公楼,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。
  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。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。
  1.2弹塑性设计
  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。
  另外,笔者在设计过程中,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≤max,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。
  1.3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,一般只要涉及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墙、柱传来的核武器爆炸动荷载效应组合值来验算构件强度。
  1.4 构造要求
  地下室结构均为超长结构,同时由于人防地下室密闭要求,且在防护单元内及口部不能设沉降缝,此时控制结构的差异沉 降成为结构设计的关键问题。就此问题,本工程均采取以下措施:1)高层与裙房及地下室结构连接部位设置沉降后浇带,待高层沉降稳定后再浇筑,使地下结构连为一体,后浇带设置时应避开密闭通道等有防护密闭要求的部位;2)在混凝土中掺加膨胀剂,利用膨胀剂的补偿收缩功能,减少混凝土硬化过程中的收缩应力;3)底板较厚时,混凝土采用分层浇筑,阶梯式推进,在每层混凝土初凝前完成上层浇筑;4)减小墙体 水平分布钢筋间距和提高其最小配筋率,以控制和减少混凝土结构裂缝的产生。5)混凝土浇筑完成后一周内应对混凝土表面采用有效的养护措施。
  1.5平战转换
  由于人防工程是战时受袭时作为保障城市居民生命安全,并具有特殊功能要求的建筑物,因此结构需要承受的荷载较一般结构大几十倍至数百倍,此外结构密闭要求很高,所以在设计中应尽量减小结构跨度,减少并缩小直通大气的各种孔口,而这种原则,恰为平时功能使用造成困难,规范中对此点作指导性的规定,具体做法应根据平战要求和工程本身的实际条件综合确定。
  3结语
  总之,建筑结构设计之中人防设计和抗震设计是其中十分重要的组成部分,对于人们的生命安全有十分重的影响,为了人类的住房安全,要提高建筑质量就要从各个方面来入手,包括对建筑物的人防设计以及抗震设计。虽然抗震结构与人防结构的设计在某些部分存在着许多共同点,与此同时差异性也同样存在,因而,相关设计人员可以取长补短,通过优势互补,提高建筑物的使用质量和使用年限,推动我国建筑行业又好又快发展起来。
  参考文献:
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  [3]杨庆兵,杨全庆.关于现代建筑结构抗震设计的方法分析[J].科技致富向导,2014,02:67.
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