孙举飞

福建省建研工程顾问有限公司，福建 福州 350108

1 工程概况

本工程位于福州市城区，为某小学新建教学综合楼，地上五层、地下二层。人防地下室设于地下二层，为甲类，常6核6级。战时主要出入口为坡道，坡道出入口与相邻建筑关系见图1：

图1 坡道平面图

根据《人民防空地下室设计规范》［1］的规定，工程防护类别为甲类的人防地下室，在战时为人防地下室主要出入口的，且位于室外出入口的通道的出地面段，与相邻建筑应有一定距离，不宜布置在建筑倒塌范围以内。地面建筑倒塌范围根据其结构体系有所不同。本工程主体结构为钢筋混凝土框架，出地面段相邻建筑物与出入口距离小于5m，故需要设置防倒塌棚架保证相邻建筑物受核爆冲击后其倒塌物不会堵塞出入口通道，以使人员或车辆进出顺畅。

防倒塌棚架为设置在出人口通道未设置盖板段的上方，用于抵挡相邻建筑在核爆冲击下破坏而产生的倒塌物落入通道造成出入口堵塞的棚架。棚架必须自身能承受核爆时冲击波等效荷载，还能承受相邻建筑物倒塌引起的等效荷载。防倒塌棚架可利用平时口部建筑作为防倒塌棚架设计，也可设计为临战时安装的装配式构筑物。本工程的防倒塌棚架设计主要有以下三种方案。

2 平时口部建筑作为防倒塌棚架设计方法及注意事项

方案（一）利用平时口部建筑作为防倒塌棚架设计，在工程建设时就采用现浇钢筋混凝土或钢结构防倒塌棚架盖住坡道出地面段。棚架平时即一直存在，临战时不用再额外采取任何措施即可发挥防倒塌的作用。使用现浇钢筋混凝土结构时，棚架柱网布置可利用主楼结构柱，并在坡道另一侧加设一排柱。计算模型为框架结构体系。也可在坡道贴着主楼一侧另设置一排柱，使棚架与主楼设缝脱开，形成独立于主体结构的单跨混凝土框架结构。采用钢结构时，可在主楼一侧利用主楼结构柱外伸牛腿，坡道另一侧设置钢柱，计算模型体系可采用钢柱为悬臂柱，钢梁为一端铰接于钢柱，一端铰接于牛腿。也可在坡道两侧各设置一排钢柱，使棚架与主楼设缝脱开，形成独立于主体结构的钢结构排架结构。

结构设计时，在核爆作用下，只验算结构的承载力，不验算结构变形及裂缝，且只考虑核爆对结构的一次作用。本工程为核6 级人防地下室，承受的水平方向等效静荷载标准值可取15kN/m2，相邻建筑物倒塌产生的垂直方向等效静荷载可取50kN/m2。计算时，材料强度综合调整系数对于混凝土在C55 及以下时可取γd=1.5，钢筋采用HRB400 级时可取γd=1.2。钢材采用Q235 时可取γd=1.5；，焊缝与螺栓应取γd=1.0。

棚架柱应能承受各方向水平核爆等效荷载，但X、Y 两个方向等效水平荷载应分别计算，不同时作用。钢筋混凝土柱取X、Y 两个方向最不利情况对柱进行对称配筋。钢柱应选用各方向截面特性接近的形状，可选择箱型截面柱。棚架柱还需承受棚架梁传来相邻建筑物倒塌垂直等效荷载，但垂直等效荷载不与水平等效荷载同时作用，应分别计算。

防倒塌棚架主要是为了防止相邻建筑物倒塌物堵塞人防地下室出入通道，故棚架屋面可只设置梁不做板，梁与梁之间的间隙不能太大，否则无法阻挡倒塌物落入坡道。屋面也可设计为现浇梁板体系，因在倒塌等效荷载作用下只需验算楼板承载力，不验算楼板的挠度与裂缝，因此楼板在人防荷载作用下可采用塑性设计法。

围护结构可优先选用轻质围护墙，应特别注意的时围护墙与柱的连接不应采用钢筋拉结，否则围护墙所受冲击波等效荷载会传至与其拉结的柱上，导致柱不仅承受自身截面范围内冲击波等效荷载，还额外承受围护墙传来冲击波荷载，使得柱截面及配筋需要加大。

3 装配式钢结构防倒塌棚架设计方法及注意事项

方案（二）使用装配式防倒塌棚架，即棚架平时不存在于坡道出地面段上方，临战时再安装。装配式防倒塌棚架临战时安装应在不使用机械的情况下，即使是非熟练工人也能在规定的时间内安装完成；装配式防倒塌棚架所需的预制构件应随着人防地下室的建造一起制作完成，不能临战时再制作；应对每个预制构件做好标记，存放于人防地下室的预制构件间。装配式一般可采用预制混凝土构件或钢结构构件，考虑到预制混凝土柱的重量，以及梁柱节点的安装特点，在不使用机械的情况下，很难在短时间内完成混凝土预制构件的搬运与安装。所以装配式防倒塌棚架一般采用更轻便、梁柱通过焊接及螺栓连接即可的装配式钢结构构件。

装配式钢结构防倒塌棚架梁柱通过柱上焊接的牛腿采用螺栓连接，并为钢柱设置基础。计算模型采用悬臂柱加简支梁。结构计算时所受荷载荷载、验算要求及计算规定可参照方案（一）相应规定。

钢柱基础应设计为刚性柱脚。参考图集05SFG04 第8 页刚性柱脚主要有三种方案，刚性柱脚构造方案（一）（二）为外露式柱脚，柱刚接于地面预埋件，刚性柱脚构造方案（三）为内埋式柱脚，钢柱插入杯口基础内。方案（一）适用于柱底端在弯矩和轴力作用下锚栓不出现拉力或拉力较小时，方案（二）适用于柱底端在弯矩和轴力作用下锚栓出现较大拉力时。方案（三）适用于各种情况，但由于杯口基础壁厚的关系，有些情况下会占用较多坡道空间，从而影响建筑坡道平面布局。就本工程而言，由于坡道毗邻主体建筑一侧的侧墙与主楼间空间足够，故可将基础设置在坡道两边侧墙的外侧，而不需要设在坡道内侧而占用通道空间。

棚架屋顶分布梁可参照图集05SFG04［2］采用热轧轻钢工10@300 布置。钢梁通过两端铰接于钢柱，梁上承受垂直等效静荷载计算确定。

装配式钢结构防倒塌棚架平时存放于人防地下室的预制构件间内，要等到临战时才会安装。预制构件存放时间长、存放环境较差，对钢结构构件的耐久性要求较高，所以设计时应对钢结构构件的除锈和涂装做出特别要求。除锈必须使用机械操作，除锈等级不得低于Sa2，涂装用的防锈底漆和面漆需与除锈方法相匹配，涂装次数及涂层厚度可根据《工业建筑防腐蚀设计规范》GB/T 50046-2018 表5.2.3 涂装周期确定。设计时应明确使用的防腐涂装产品的保护年限及品质要求。

钢结构装配式防倒塌棚架在试安装验收合格后，平时也可作为建筑附属区域内的临时小型建筑物的主体结构使用，但其与基础的连接即安装和拆卸应是可逆的［3］。

4 采取措施后可不设置或少设置防倒塌棚架设计方法及注意事项

方案（三）从图a 可看出本工程坡道B 段仅在配电房的倒塌范围以内，其余与B 段距离大于5m 的相邻建筑的倒塌影响均可不考虑。配电房地上只有一层，考虑到战时冲击波影响下，能影响到B 段倒塌物较少，那么本工程可考虑B 段不设置防倒塌棚架，而仅在A 段设置。钢筋混凝土结构的地面建筑物在核6 级的甲类人防地下室附近时，虽然在核爆的冲击下会遭到严重破坏，但因为钢筋混凝土结构的整体性与延性比较好，其主体结构也不会倒塌。所以对于本工程这种抗力级别相对较低的人防地下室，不需要考虑钢筋混凝土主体结构倒塌，只需考虑毗邻建筑物围护墙的倒塌影响。就本工程而言，B 段倒塌影响建筑配电房为钢筋混凝土框架结构，且仅一层，围护结构较少，所以在采取措施使战时能堵塞坡道的倒塌物很少的情况下，是可以不考虑倒塌的影响，即可以不用设置防倒塌棚架。

本工程可采用的措施一是将配电房外墙设计为钢筋混凝土剪力墙结构，因为钢筋混凝土剪力墙的整体性与延性比较好，所以在战时冲击波的影响下外墙也不会倒塌，也就可以不考虑其倒塌影响。措施二是在外墙不使用钢筋混凝土剪力墙结构的情况下可通过加大配电房外墙的开窗面积而减少外墙砖砌块的使用量。战时即使外墙倒塌，也可迅速清理坡道倒塌物（主要为玻璃碎片及少量砖块），不至于堵塞战时主要出入通道。

采取以上措施后即可只在A 段设置防倒塌棚架。由于此段防洪挡墙顶至坡道高度达4.3～5.1m，所以有足够的净高可将防倒塌棚架屋面直接搁置于防洪挡墙顶面。

5 三种防倒塌棚架方案对比及选择

对比以上三种方案，方案（一）当棚架设计为有屋面板时可作为坡道雨棚使用，但会在坡道上方留有永久构筑物，影响建筑平立面效果，当建筑不允许或业主在意此影响时，应放弃此方案而选择方案（二）。选择方案（二）时应特别注意钢柱基础对坡道净宽的影响。基于本工程特点，在方案（二）的基础上优化得到方案（三），使得防倒塌棚架的设置量大幅减少，且利用防洪挡墙支撑棚架，免去了棚架钢柱及基础。通过对比，最后本工程选用方案（三），共设置17 根长度为5.9m的钢梁（工22b@300），临战时焊接于防洪挡墙顶端。

6 结束语

现代城市建筑越来越密集，用地越来越紧张，防倒塌棚架设计不仅要能满足结构设计的要求，也要满足建筑布局要求。