地下室结构设计问题研究

黎学宏

摘要：单建式防空地下室由于顶板标高无变化、作用荷载较大，适宜采用板柱结构。在保证使用净高要求的前提下，能有效减小房屋层高的优点，且减小地下室层高，就可减少基坑开挖深度，自然可降低深基坑围护造价和减少土方开挖量，因而可大大降低综合造价。本文就针对板柱结构在地下室结构设计中的一些问题，进行分析和探讨。

关键词：结构设计；防空地下室；板柱结构；等效静荷载；平时；战时；

一、等效静荷载的确定

根据《人民防空地下室设计规范》 GB50038-2005，的规定，甲类防空地下室结构应分别按平时使用状态的结构设计荷载组合、战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用的荷载组合及战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用的荷载组合进行设计。实际上，由于战时材料强度取值、截面设计规定、结构构造要求等均相同，仅等效静荷载取值不同，采用等效静荷载法进行结构设计时，可将战时的两种组合合并为一种，取用常规武器爆炸等效静荷载与核武器爆炸等效静荷载中的较大值即可，这样在满足工程设计精度的前提下能大大减小了计算工作量。

值得注意的是，在确定顶板和外墙等效静荷载时，要看是否可考虑上部建筑影响，上部建筑如果满足《人民防空地下室设计规范》第4. 3. 4条和第4. 4. 4条规定，则可考虑上部建筑影响。单建式防空地下室不考虑上部建筑影响。为抵抗水浮力设置的抗拔桩不属于基础受力构件，其底板等效静荷载标准值应按无桩基底板取值。由于《人民防空地下室设计规范》中的表4. 8. 2顶板覆土最大厚度为1. 5 m，大于1. 5 m时原则上需按规范给出的公式计算；分别按1. 5 m

二、构件尺寸的确定

地下室顶板厚度首先要满足防空地下室战时的防护厚度，对不同的抗力级别，《人民防空地下室设计规范》有明确的规定。顶板由于是无梁楼盖，楼板厚跨比宜大于1/30，同时楼板厚度应满足抗冲切要求，抗冲切验算应按平时和战时分别进行。

平时抗冲切验算可按《混凝土结构设计规范》中的公式7. 7. 1-1进行，公式中F1为平时使用荷载（恒载和活载，采用基本组合）作用产生的冲切荷载设计值，可取柱所承受的轴向力设计值减去柱顶冲切破坏锥体范围内的荷载设计值；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，按《混凝土结构设计规范》采用。

战时抗冲切验算可按《人民防空地下室设计规范》附录D中的公式D. 2. 2-1进行，公式中ftd为混凝土在动荷载作用下抗拉强度设计值，按《人民防空地下室设计规范》第4. 2. 3条规定取值；F1为恒载Gk（包括顶板自重、粉刷重和覆土重）和顶板等效静荷载Qk共同作用所产生的冲切荷载设计值，计算冲切荷载设计值时，作用在顶板上的荷载设计值q设按下式计算：

q设=1.2Gk+1.0Qk

必须注意，当无梁楼盖的跨度大于6 m或其相临跨度不等时，冲切荷载设计值应取按上述方法计算所得冲切荷载设计值的1. 1倍。

全埋式地下室外墙和底板厚度，《人民防空地下室设计规范》无明确规定，其厚度应满足防水要求、平时和战时的承载力要求以及平时抗裂和变形要求，根据水头和混凝土设计抗渗等级，对5级、6级防空地下室可按《高层建筑混凝土结构技术规程》表12. 1. 9确定；另外，地下室侧墙做为无梁楼盖的边支座，其厚度应满足无梁楼盖的负筋锚固要求，厚度应大于0. 4la（la为受拉钢筋的锚固长度）。柱截面尺寸由轴压比控制。其余构件如临空墙、防护单元隔墙等按《人民防空地下室设计规范》要求确定。

三、内力和配筋的计算

板柱结构的内力计算可采用近似法如等代框架法、直接设计法（有使用条件），也可采用有限元法进行精确计算。应优先采用有限元法进行计算。

有限元分析软件较多，但大多数不能进行战时计算，不能直接用于人防计算；一些只能进行人防构件计算，不能进行整体分析计算；采用PKPM系列SATWE软件，可进行整体分析，也可对平时和战时两种不同荷载效应组合进行计算，对板柱结构还可考虑柱帽作用。采用SATWE软件计算板柱结构，在工程数据建模时，应在柱与柱之间输入100 mm×100 mm的虚梁。目前， SATWE软件可计算防空地下室的顶板（无梁楼盖）、外墙、临空墙、梁和柱配筋，不能计算防护单元隔墙和门框墙等的配筋。防护单元隔墙和门框墙等可采用人防构件计算，也可参照全国通用图集《防空地下室结构设计》配筋。

四、地下室底板的计算

对采用桩基础独立承台的防空地下室底板（只起防水作用），按规范要求应分别按平时和战时两种情况单独计算，人工取最大包络配筋。按如下方法则可用PKPM系列软件一次完成平时和战时计算，即采用PMCAD软件按倒楼盖建一层防空地下室模型，顶板的恒载标准值按g1k（计算见后）输入，顶板的活载标准值输0. 01 kN/m2，采用SATWE进行计算，定义人防等级为5级或6级，但顶板的等效静荷载改用防空地下室底板的等效静荷载，对于5级人防为50 kN/m2，对于6级人防为25 kN/m2，这样可一次自动完成平时和战时计算，并取包络配筋，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载有等效静荷载、水的浮力和底板自重。由于水的浮力是满布的，可当恒载考虑，对结构不利；地下室底板自重，对结构有利。

五、桩基设计

由于在武器爆炸动荷载作用下，地基承载力有较大提高，同时安全系数也可取得相对较低，在这种瞬间荷载作用下，一般不会产生因地基失效引起结构破坏。因此，防空地下室在人防荷载作用下，可不验算地基承载力和地基变形。对于采用桩基的防空地下室，按单桩承载力特征值确定桩数时，可不考虑人防荷载作用，按平时荷载组合确定桩数即可。

根据静力荷载作用下桩基础的实测资料，由于打桩后土体往往产生较大的固结压缩量，以致在平时荷载作用下，虽然建筑物有一些沉降，但有的建筑物底板仍与土体相脱离。由于桩是基础的主要受力构件，为确保结构安全，在防空地下室结构设计中，桩身承载力应按计入上部墙、柱传来的核武器爆炸动荷载的荷载效应组合来验算。

六、结论

甲类防空地下室结构设计，可将战时的两种组合合并为一种，取常规武器爆炸等效静荷载与核武器爆炸等效静荷载中的较大值与静荷载组合进行设计。板柱结构顶板厚度除应满足战时的防护厚度外，应分别按平时和战时进行抗冲切验算；地下室底板和侧板应满足防水要求；门框墙、临空墙和防护单元隔墙等构件按人防规范要求确定。板柱剪力墙结构防空地下室可采用PKPM系列SATWE软件进行整体分析。地下室底板可按倒楼盖建一层地下室模型，用PKPM系列软件一次自动完成平时和战时计算，并取包络配筋。采用桩基的防空地下室，按单桩承载力征值确定桩数时，可不考虑人防荷载作用，按平时荷载组合确定桩数；但桩身承载力应按计入上部墙、柱传来的核武器爆炸动荷载的荷载效应组合来验算。

参考文献：

[1] 中华人民共和国建设部.GB 50038—2005 人民防空地下室设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社， 2005.