建筑结构中的人防设计与抗震设计研究

2020-10-13农宇春

建材与装饰 2020年28期

农宇春

（广西南宁市人防科研设计院，广西南宁 530000）

在建筑工程结构设计过程中，人防与抗震设计是两个十分重要的内容，关系到建筑的使用功能及安全。因此，在实际工作中应根据工程实际情况，结合相关要求认真开展设计，保证设计的合理性、经济性与可行性，从而为之后的建筑施工与使用奠定良好基础。

1 工程概况

某建筑的人防工程处在两条市政路之间的交汇部位，工程周围存在很多地标性建筑，地形相对复杂，且人口密集。该建筑为地下2 层，总建筑面积在3.5 万左右，主体结构采用框架结构，战时作为人员掩蔽所使用，防护等级确定为丙级，地下第1 层的抗力确定为6 级，地下第2 层的抗力确定为5 级。该建筑能有效缓解人车不分流造成的交通拥挤，通过科学合理的布局，能对周围的商业运营及人文项目等都造成积极影响。

该工程的地层，从上到下依次为：①填土层，层厚在2～4m 范围内；②第四季冲洪积粘土层，层厚在1.6～7.4m 范围内，其主要构成为粉细砂或粗砂，K 值为6.2×10-5cm/s；③中粗砂层，层厚在1.3～4.2m 范围内，其主要构成包括石英质和少量粘土，K 值为1.7×10-3cm/s；④亚粘土层，层厚在 4.4～8.6m 范围内，其主要构成为风化泥质粉砂岩，K 值为2.3×10-4cm/s；⑤全风化泥质粉砂岩层，层厚在1.5～5.8m 范围内，其主要构成为土状风化矿物，K 值为 5.2×10-4cm/s；⑥强风化泥质粉砂岩层，层厚在 0.7～3.6m 范围内，其主要构成为短柱状或饼状碎块。

该工程的人防结构主要参数包括：①结构的安全等级为一级；②结构的设计使用年限为50 年；③抗震设防烈度为Ⅶ度；④基础的设计等级为甲级；⑤地下第1 层的人防抗力等级为6 级，地下第2 层的人防抗力等级为5 级。

2 人防和抗震设计

2.1 人防设计

对该工程进行人防设计时，主要是对过去人防工程存在的缺点予以补充，以此改善人们的舒适度，营造良好的商业氛围，人防主体结构组成部分如图1 所示。人防结构的主体包括顶底板和内外墙，在主体结构中，不同部分受到的打击力有很大不同，设计中应引起注意[1]。人防结构受到打击后，顶板往往是直接受到打击作用力的部位，对此，顶板厚度一般要达到250mm 以上，确保顶板在受到打击后发挥出良好的抵抗力。此外，为应对化学武器攻击，在顶板浇筑过程中可考虑使用密实度较高的防水混凝土。为切实保证顶板稳定性，可采用柱或剪力墙予以可靠支撑。

图1 人防主体结构组成部分

2.2 抗震设计

该工程结构埋深在5m 左右，地下部分周围土体的密度为1.9～2.1t/m3。结构采用强度等级为C30 的混凝土通过浇筑而成，混凝土的密度值和弹性模量分别为2.52×103kg/m3、2.9×104MPa。在结构的抗震设计过程中，首先利用QUARTERS 分析该建筑结构横断面的地震反应情况，将梁作为单元实施模型建立，结构周围的土体均按照实体单元来建立相应的模型。应注意，中柱和顶底板及侧墙均有所不同，主要是按照相同的间隔距离进行布置的，在这种情况下，可将其等效成纵墙，选择具体研究对象时，顶底板和侧墙基本一致，都可以将单位长度作为分析和研究的对象，在分析施结构横断面的地震反应过程中，等效前后所有抗震设计参数均不产生变化，包括截面刚度（抗弯和抗剪刚度）、截面积与抗压能力等，中柱等效之后，其密度值和弹性模量分别确定为 7.2×102kg/m3、8.62×103MPa[2]。

表1 抗震内力计算结果

根据该工程的实际情况和特点，可借助反应位移的方法，采用该方法进行设计的过程中，应先做出一定的假设，且不考虑空间这一因素的作用，将所有地震力计算都假设为在结构平面上分布的作用力，并充分结合结构位移、荷载与工程的实际情况，视作静力问题实施分析，实际工作中，可将产生于地表的位移采用强制方法将其移植至结构当中。在设计工作中，还要对场地平面进行专门的地震反应测定，具体可按照线性等效程序进行。然而，考虑到无法彻底收齐所有动力参数，故只能借助剪切模量及应力应变的实际变化曲线来完成分析考察。

若将地震波假设成一个剪切波，具体的传播方向是竖直向上，则它的振动平面将和结构横断面吻合。根据当地现有地震数据相关记录，找出和工程地质条件相接近的，输入最近一段时间收集到的所有地震波数据，此时要注意地震波采用的是剪切波形式，之后方可开始地震力的分析。根据近几年国内外相关研究成果可以看出，在接收到该工程的水平方向地震力数据后，在水平方向的变形方面，侧墙和中柱没有太大的差别；因截面中面积最小部位处在中柱的下部，这一结构体系在受力之后，将最先达到最大的承载力，很容易产生破坏，这是需要得到重点关注的一个结构截面。另外，在侧墙的下部受力之后将产生一定弯矩，这也需要在抗震设计过程中充分考虑[3]。对此，在实际的设计计算过程中，应重点考查下列各项参数：柱顶和柱底部水平方向位移、中柱和侧墙底部产生的弯矩。对于结构截面上的弯矩，主要采用单位长度对应的弯矩来表示。在实际的分析过程中可使用以下几种方法来进行：动力时程法、柔度系数法和自由场变形法等，在分析过程中要注意不同方法存在的区别和联系，而且还注意不同方法对应的加速度实际分布情况。抗震内力的计算结果如表1 所示[4]。

从以上分析结果可以看出，在理论支撑上，采用反应位移法具有很高优势，但如果按照相关规范提出的模式来确定刚度，则理论值会和实际情况存在很大差异，很难精确反映出结构和土体之间的相互作用；采用反应加速法以后，可以将结构和周围土体之间存在的作用力施加到建立的模型当中，不论是从变形还是从截面内力上考虑，都能有效提高计算结果的精确度。在该工程中，采用绝对峰值加速度分布方法，可以最大限度保证计算结果精度，进而保证抗震设计成果的安全性和准确性[5]。

3 柱网和边跨布置

在柱网布置过程中，建议采用矩形，若没有特殊要求不可使用正方形，其长短跨之比不能超过0.75，这样能有效保证经济性，而对于正交跨长比，应按照0.65～0.70 的范围控制，以此保证设计的实用性和经济性[6]。

在边跨设计过程中，柱网的设计必须充分考虑内跨柱间隔距离应比边跨柱之间的距离大15%～20%。若设计采用等跨框架梁的形式，并在两端采用悬臂梁，则能有效减小边跨的弯矩。若悬臂长度是跨度的40%，则等跨连续梁中每个支座的弯矩应按照qL2/12 的要求控制；若跨度达到9m 以上，则悬臂部位的弯曲变形将过大。