高层建筑人防地下室的结构设计浅析

何靖宇

摘要：人防地下室结构设计既要保证结构强度、荷载能力，又要强调其平站转换性能，本文结合实际工程，探讨了人防地下室的结构设计的几个问题，包括人防地下室设计原则、结构选型等，希望给同行提供借鉴。

关键词：人防地下室；结构设计；结构形式

1.工程概况

本工程位于某市中心的矩形地块内。地面建筑为4栋26层的高层住宅建筑，地上建筑总面积为62792.33m2。地下共1层，整个地下室为人防工程，面积为10938.9 m2。人防抗力等级为核5级常5级

2.人防工程结构设计原则

人防是根据国防的需要，动员和组织群众采取防护措施，防范和减轻空袭灾害。与普通的地下室相比，人防地下室结构设计的主要特点是要考虑战时武器爆炸动荷载的作用。人防地下室结构设计应本着以下原则：

2.1人防地下室结构要进行强度验算。在核爆炸动荷载作用下结构构件变形达到极限使用延性比来控制确定各种构件允许延性比时，充分考虑变形的限制和防护密闭要求，那样就没必要对结构变形和裂缝进行单独的验算了。

2.2无论防空设施面对常规武器，还是核武器的摧毁，设计时要求只考虑收到一次作用力的后果，受常规武器袭击可暂不考虑直接命中。对于一级防空地下室结构，以可能受到最强烈的情况进行设计计算。

3. 人防工程结构形式以及计算要点

3.1 人防顶板是整个人防工程中受最大人防荷载的结构构件。人防顶板的荷载结构分析主要分为以下两种组合：①顶板静荷载+活荷载，需要考虑结构构件的裂缝；②顶板静荷载+爆炸等效静荷载，此工况下可不考虑构件的裂缝。

人防顶板的结构形式现行可分为以下几种：梁板框架结构和无梁楼盖结构，而无梁楼盖又可分为普通无梁楼盖；预应力无梁楼盖以及现浇空心楼板无梁楼盖。以下作深入分析各种结构形式的合理性以及经济性

3.1.1梁板框架结构为结构形式中最普遍的一种结构形式，但由于人防荷载比较大，采用梁板框架结构的人防地下室层高需要比较高。以最低的人防抗力等级为例，主梁的高度最小取柱跨的1/7，如8m的柱网跨度，主梁的高度为1.2m，加上设备管道的高度约0.5m，合共约1.7m。由此可知，该人防地下室的层高需在4m以上。从而导致地下室的埋深较深。地下室的埋深是决定地下室工程造价的一个重要因素，而且也会影响结构的计算的难度。当地下室埋深较深时，地下水反力增大，挖土方量增加以及基坑支护的难度也会增大，最终会影响工程造价。

3.1.2普通无梁楼盖结构是一种常用于对净空要求比较高，荷载比较大，柱网跨度比较大的工程，现在的人防地下室工程多采用无梁楼盖这一结构形式。但当人防地下室顶板作为上部结构的嵌固部位或柱网区格内长短跨之比大于1.5，以及顶板标高变化比较多的时候，均不宜选用该结构形式。无梁楼盖相对梁板结构结构来说，具有一定的优势：①在钢筋及混凝土量上，与梁板结构相差不多，但由于无梁楼盖以平板为主，在模板的施工上会带来很多便利，可以使工期缩短。而在钢筋施工方面上，由于无梁楼盖的主要为板钢筋，分布比较均匀，施工操作相对简单，更能保证施工的质量。而梁板结构的梁钢筋比较集中，特别是梁支座面筋比较密，经常造成施工时梁面筋过密而难以浇筑混凝土及放震动棒，从而容易形成蜂窝，施工质量难以得到保证。②人防地下室的层高与埋深是影响地下室造价的关键因素，如例：本工程的人防地下室，人防抗力等级为核5级常5级，覆土厚度为0.9m，柱跨为8mX8m。在结构设计初期，尝试采用梁板结构形式，但由于荷载比较大，无论是平时还是战时，从而导致主框架梁的截面比较大。需要做到600X1300，井字梁需做到400X900，但由于地下室层高只有3.6m，不满足净高的要求，所以只有增加高度或者改变顶板的结构形式这两种方法。而采用无梁楼盖结构形式，楼板厚度只要0.45m后就可以满足要求，满足甲方的使用要求。从此例子可知，地下室的净空采用无梁楼盖的时候净高可以多出0.85m。而地下室净高一样的情况，无梁楼盖的人防地下室的基坑可以少开挖0.85m，外墙以及支护桩的计算长度，施工高度少了0.85m，底板的水压反力可减少8.5KN/㎡.所以最终采用无梁楼盖结构形式。

3.1.3预应力无梁楼盖，在《人民防空地下室设计规范》GB50038-2005中没有明确规定人防顶板不可以用预应力无梁楼盖这一种结构形式。但笔者认为由于预应力无梁楼盖在平时工况下，结构构件受到相当于战时的作用反力，由此可见结构构件一直受到相当大的荷载。会使结构构件出现疲劳破坏。不利于整个工程的安全性。因此笔者认为人防地下室不宜采用预应力无梁楼盖这一种结构形式。

4. 人防工程结构设计的材料选择

4.1. 由于人防地下室属于地下工程，人防地下室选用混凝土的强度等级一般为C25～C35。笔者不建议选用C40以上的混凝土。主要原因有：（1）由于人防地下室的顶板、底板及墙体比较厚。采用越高强度等级的混凝土，其水化热越大，混凝土越容易开裂。（2）根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，C25～C35混凝土纵向受力钢筋的最小配筋率相对C40～C55混凝土中纵向受力钢筋的最小配筋率要小，对于低抗力等级的人防地下室，采用低强度等级的混凝土，可减少构造钢筋，从而降低含钢量，减少造价。

4.2 人防地下室钢筋混凝土结构构件可采用除冷轧带肋钢筋，冷拉钢筋等经冷加工处理的钢筋以外的钢筋。根据《人民防空地下室设计规范》GB 50038-2005中的材料强度综合调整系数rd，可知HRB335的综合调整系数rd为1.35.（300x1.35=405 N/m㎡），而HRB400的综合调整系数为rd为1.2（360x1.2=432 N/m㎡）。可见HRB400级无论在平时或战时的抗拉强度都比HRB335高。

5. 人防地下室设计要注意的问题

5.1 甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用。设计时均按一次作用。 设计人员有时可能习惯认为人防是由核爆动起控制，但以下两种情况由常规爆动荷载起控制，设计时应着重注意。

5.1.1顶板底面高出室外地面的常5、常6级防空地下室，其外墙在弹塑性工作阶段设计时，其等效静载标准值qce2较核爆动大。注意，当上部结构为钢筋砼结构时，顶板底面不允许高出室外地面。

5.1.2出入口临空墙的等效静载标准值在室外直通式及室外单向式，且其L（L为室外出入口至防密门的距离）≤5m时，常规武器爆动等效静载标准值较核爆动等效静载标准值大。

6. 结束语

人防地下室结构设计是一项复杂的工作，在设计工作中应参考相关规范和指导，结合人防地下室具体施工条件和施工环境，选择最合适的设计方法。通过该工程的设计，笔者发现含人防地下室设计的关键是要求防空地下室在规定的设计使用年限内，除了要满足平时使用功能要求外，甲类防空地下室还应满足“能够承受常规武器爆炸动负荷的分别作用”的战时防护功能的要求，通过“平站转换设计”这一设计方法来解决平时与战时使用要求上可能出现的矛盾并实现长期准备，重点建设，使其在确保战备效益的前提下充分发挥社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]《人民防空地下室设计规范》GB50038-2005

[2]《建筑结构荷载规范》GB5009-2012

[3]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京：中国建筑工业出版社，2006

[4]陈喆、杜宜东.浅谈人防地下室结构设计.[j].价值工程.2010（18）：114