人民防空地下室结构设计计算方法

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发表于2018-05-24 6582人浏览 2人跟帖总热度:2038

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标签：地下室结构设计

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人民防空地下室结构设计计算方法

随着建筑结构新规范全面颁布，新规范在工程设计中已全面开始，这对于如何在工程设计中正确应用理解规范条文,正确选择设计软件及合理选取设计参数显得优为重要。大家知道：各新规范都明确要求结构设计必须对结构分析软件的计算结果进行分析判断，确认其合理有效后方可作为工程设计依据。如何判断？当然只能依靠概念设计来判断；另外大家一定要注意，编程序的人一再讲“设计者采用他们的程序计算，出了问题他们并不负责，仍然由设计者负责”；另外施工图审查单位只承担相应的技术审查失察责任，主要的质量责任还由设计者负责（在合理使用年限内负终身责任）。

一、上部结构与防空地下室分析模型

上部结构与防空地下室组成一个承力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。地下室外的回填土对结构侧向有一定的约束作用，地下室楼层侧移刚度通常较大。

上部结构与防空地下室分析模型可简化为：①分离模型（有条件的）：将上部结构与地下室分开，分别设计计算，按规范确定嵌固层作为二者分界；②共同工作分析（无条件的）：将上部结构与地下室作为一个整体，考虑共同作用，采用如下两种方式之一来考虑地下室外回填土对结构的约束作用。方法1：地下室水平位移的侧向嵌固（-K法）。方法2：地下室水平位移的有限（弹簧）约束（K法）。

地下室如果设计不当，对整体抗震性能会产生较大影响，对于半地下室的埋深要求应大于地下室外地面以上的高度，才能不计其层数，总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱要协调统一。地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，未采取措施不应作为上部结构的嵌固部位，规范明确规定作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，地下室顶板为无梁楼盖时不应作为上部结构嵌固部位，结构计算应往下算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板，但剪力墙底部加强区层数应从地面往上算，并应包括地下层。

上部结构固定端，当高层建筑仅设单层地下室且底板采用天然地基筏板基础或桩一筏基础时，通常选择基础底板而非首层作为结构嵌固端，这有利于充分利用其基础的“无限”刚度，为首层楼面的灵活结构选型创造条件，即使是首层楼面留有大孔洞，或选用无梁楼盖结构，都不会有什么影响。此外，规范规定地下一层的抗震等级与上部结构必须一致，以基础底板作为嵌固端不会造成地下室结构造价的提高，反而可能取得较好的经济效益。即使单层地下室底板是以桩为基础的普通梁板结构，一般情况下仍然取底板处为结构嵌固端，唯一例外的是地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度，因此可取其作顶板为上部结构的嵌固端。

二、可用于人防地下室结构设计设计软件

可用于人防地下室结构设计软件有：1、理正人防设计软件包，只能计算顶、底板，外墙、临空墙、内隔墙，门框墙等构件，不能进行整体结构计算。2、PKPM软件包中的一个SATWE模块可算高层下的人防地下室顶板和顶板梁，但对临空墙、门框墙等构件及底板不能计算。BOX模块也可算人防地下室，并可计算底板，可惜BOX只能用于箱形基础。箱形基础计算机辅助设计软件BOX可对三层内任意不规则平面形状的箱形基础进行结构计算和五、六级人防设计计算，并可绘制结构施工图。结构设计计算内容包括：按箱基规程和人防规范等要求，进行基础沉降与反力计算，箱基整体与局部弯矩及配筋计算，墙体、洞口、过梁等内力及配筋计算。结构施工图包括：各层顶板和底板以及墙体的配筋图，洞口图等。本程序可与PMCAD和TAT接力计算，数据共享，无需填写数据文件。计算结果有图形显示，可随时对计算结果和施工图的绘制进行干预。虽然用SATWE和TAT均可完成地下室的设计，但用TAT计算得到结果仅作参考，最好用设有地下室人防设计功能的SATWE^［¹⁷^］。3、若手头没有以上软件，用TBSA计算人防结构也未偿不可，不过要注意材料的调整系数。

近期，由中国建筑标准设计研究院与北京金土木软件技术有限公司又开发了人防地下室结构分析与设计软件ADABS。ADABS基于新版人民防空地下室规范编制，对结构进行整体分析计算、考虑战时核武器和常规武器荷载、按战时和平时状态包络进行设计、给出构件计算书。程序以整体建模与构件计算相结合、与PKPM和ETABS实现数据兼容，突出了全面性与易用性的特点。ADABS以一种全新的操作方式展现给中国工程师。该系统将三维建模与菜单式操作结合起来，达到程序的灵活性与智能化的平衡。计算过程透明度高，并辅以规范条款及使用说明，分析、设计过程可以由工程师干预、控制。ADABS继承了ETABS的强大建模、分析功能，是中国规范与国际知名结构分析内核的经典结合。

在设计单位普遍采用PKPM中SATWE做人防设计的时候，为什么还要再选择ADABS呢？理由1：ADABS设计密肋楼盖有优势.SATWE设计密肋楼盖，柱上框架梁配筋太大，不能考虑柱上板带非柱上梁参与柱上板带的弯矩分配。这是因为SATWE中板是不参与刚度计算的。ADABS计算时楼板是需要剖分的，板的刚度参与计算。结果更接近实际。理由2：ADABS设计现浇空心楼板有优势。PKPM中的SLABCAD计算现浇空心楼板没有办法计算空心楼板的刚度折减和两个方向的刚度差，ADABS的核心模块同SAP2000和ETABS，可以准确的解决上述两个问题。理由3：柱帽的设计。PKPM中SLABCAD中的柱帽计算是按照平板刚度分配以后，再按照柱帽高度计算配筋，没有考虑柱帽刚度对内力分配的影响，配筋偏小。ADABS采用壳单元计算柱帽(仅平板柱帽，变截面柱帽计算要在SAP2000中完成)，可靠度增加。理由4：基础变截面筏板计算。PKPM基础JCCAD计算框架柱下变截面筏板很难定义。ADABS直接定义壳单元，采用面弹簧计算基础荷载，直接准确。

目前，设计人员习惯使用的方法，一是将整个人防结构拆成多个结构构件，使用“理正人防工程结构设计软件”进行设计计算（参见例一）；二是将“理正人防工程结构设计软件”配合“PKPM软件包”中的一个“SATWE模块”一起使用。即用“PKPM软件”设计计算顶板和顶板梁，用“理正人防工程结构设计软件” 设计计算外墙、临空墙、内隔墙、门框墙、柱和底板（参见例二）。基础形式为预应力混凝土时，也有采用“PKPM软件”将底板梁按倒楼盖法分析（参见例三）。基础形式为桩筏基础时，用“理正人防工程结构设计软件”按倒无梁楼盖计算底板可能更简便；三是查表法^［¹¹^］、［⁹^］、［⁴^］。“查表法”比用“PKPM软件”设计计算结果省，就是说用“PKPM软件”设计计算结果偏大。

用PKPM建模时将地下室底板一同建入参加SATWE整体计算，这时仅有一层的地下室将有两个标准层，在satwe中地下室层数填2（因为地下室底板参加建模为第一标准层，地下室顶板建模为第二标准层，这样地下室就有两层，此刻地下室层数该填2），这样做可以简化计算，基础顶面荷载准确。整体一次性建模的目的是导荷明确，减少地下室与上部结构分别计算容易出现错误，提高劳动效率。但存在一个新问题即第一标准层的柱高该取多少才合理？一般取2500，2000，1500，估计也不大，不就是柱的自重大点嘛。对于上部的周期、位移等等影响不大。因为一般你填了地下室层数后，电脑就默认地下室顶板处为嵌固层了，所以底下的布置与上部无多大关系，当然不能变化太大。

现在新版PKPM能计算人防顶板梁和板筋了，底板通常拿出来另外算，把人防荷载反过来输入算的，新版的PKPM里有定义人防荷载的，在人防规范里查找到你需要的人防等效荷载，在SATWE里就有输入的地方，顶板底板、梁的算法一样，门框墙、临空墙等最好用理正人防来算，防空地下室结构设计这本书里也有能查表查到大多数情况下的配筋。

注意用PKPM来计算人防是有局限的。2005版的新人防规范把核6级人防细分为核6级和核6B级，核6B级人防荷载比核6级要小不少，这部分人防荷载，注意要在PKPM核6级下修改。另外PKPM的人防顶板等效静荷载不考虑板的跨度，与人防规范要求也不相符。

PKPM软件的东西太理论化了，直接用来施工，给施工带来很多不便，需要进行调整。调整的原则是根据计算得出的配筋信息，能归并的尽量归并，能拉通的钢筋尽量拉通，这样有利于结构整体的刚度。对于构造上的要求一定要保证满足，例如，整榀框架需要在上部设置两根通长的角筋。梁的钢筋最好采取小直径小间距，这样有利于抗裂。对于相差不大的配筋可以归并，是施工当中减少钢筋种类，使配筋简单明了。

使用PKPM软件需要特别注意的地方是构造要求的短柱需要全柱加密等的信息，软件并不能自动的全部给出，需要设计人员在后期的绘图中自己添加上去；对于框架结构，需要在楼梯房间的四周设置柱，在填充墙中设置构造柱。

结构施工图中的构件定位是很重要的，在施工图中一定要和建筑图配合，根据外观的需要，来决定梁柱的定位。对于次梁等在PKPM中不能显示轴线的构件，必须在后期的施工图绘制中添加上去。

对于用PKPM自动生成的图纸，要根据需要改变字体样式，符合美观的要求。应使用探索者的外部接口工具来改变字体、编号、尺寸等。要对照施工图设计深度文件看漏掉什么内容，在后期的施工图绘制过程当中补充进来。有些内容在PKPM中不能表现的，需要在这里发现并添加，例如次梁的定位。

注意，目前（直至20060326版）PKPM计算人防梁有问题，主要是错误的套用了人防规范的4.10.4条。

理正人防工程结构设计软件3.0版根据现行《人民防空地下室设计规范》（GB 50038-2005）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）和修订中的《人民防空地下室结构设计手册》为依据编制。与《人民防空工程结构设计手册》配套使用，自动导算人防荷载，完成不同防护等级的板、连续梁、井字梁、无梁楼盖、刚架、扁壳及截面计算，输出完整规范的计算书。采用等效静荷载法进行结构动力计算，将结构体系拆成顶板、外墙、底板等结构构件，分别按单独的等效自由度体系进行动力分析。分别采用有限元精确分析和调整系数的简化计算方法，完成整个人防结构工程设计计算。该软件集成化程度高，可连续选择多个构件、多项设计内容；计算速度快、结果准确可靠。采用动态可视化技术、图形与文件双重输出方式，自动生成全中文、规范化、图文混排的计算书，是人防工程设计、管理、审核、存档的有效手段。该软件操作简单、使用方便，在配筋计算时已按规范要求对材料强度进行了调整。

三、将结构体系拆成顶板、外墙、底板等结构构件的计算

（一）、人防地下室顶板计算

可完成嵌固、简支边界条件下的顶板的内力、配筋计算，可考虑相邻板支座弯矩的作用。

顶板为梁板结构时，通常情况按四边固定双向板计算。板长和板宽均取纵横两方向梁轴与梁轴之间尺寸。

（二）、人防地下室外墙计算

可完成嵌固、简支边界条件下的外墙的内力、配筋计算，可考虑相邻板支座弯矩的作用。

通常情况按上下固接左右简支的单向板计算。即根据边界约束条件，上、下顶、底板作为外墙的嵌固端，左、右的扶壁柱不能承受墙体传来的侧向力（因扶壁柱配筋计算一般没有考虑该侧向力），故不能以扶壁柱为两侧支座。在计算时取外墙的单位墙长10米，按变形协调原理，假设左右两侧为简支。墙宽一般取地下室层高。

有的工程外墙配筋计算中，凡外墙带扶壁柱的，不区别扶壁柱尺寸大小，一律按双向板计算配筋，而扶壁柱按地下室结构整体电算分析结果配筋，又未按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。按外墙与扶壁柱变形协调的原理，其外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋有富余量。建议：除了垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大(如高层建筑外框架柱之间) 外墙板块按双向板计算配筋外，其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋为妥。竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁桩，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋要根据扶壁柱截面尺寸大小，可适当另配外侧附加短水平负筋予以加强，外墙转角处也同此予以适当加强。

地下室外墙计算时，底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端)，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配，这方面问题在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。地下室底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置(如楼梯间)外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。车道紧靠地下室外墙时，车道底板位于外墙中部，应注意外墙承受车道底板传来的水平集中力作用，该荷载经常遗漏。

（三）、人防地下室底板计算

可完成嵌固、简支边界条件下的底板的内力、配筋计算，可考虑相邻板支座弯矩的作用。

竖向荷载为设计值；底板及覆土荷载均为标准值（荷载组合有利）；水浮力为设计值。组合后荷载（设计值）= 竖向荷载（设计值）＋人防结构等效静荷载＋水浮力（设计值）－底板及覆土自重荷载（标准值）* 1.0。

内力和配筋计算同顶板。

（四）、人防地下室临空墙计算

可完成嵌固、简支边界条件下的临空墙的内力、配筋计算，可考虑相邻板支座弯矩的作用。

临空墙即出入口临空墙，按板计算：一般按四边固定或三边固定一边铰接计算^［⁴^］。当临空墙厚度小于顶板厚度时，上节点为固接（本图集为Ⅰ型）；当临空墙厚度大于等于顶板厚度时，上节点为铰接（本图集为Ⅱ型）。临空墙下节点一般为固接。计算时根据不同的长、宽比，取为双向板。

（五）、人防地下室防护单元隔墙计算

可完成嵌固、简支边界条件下的单元隔墙的内力、配筋计算，可考虑相邻板支座弯矩的作用。

相邻防护单元间隔墙（防护单元与防护单元之间、人防地下室与普通地下室之间）。

防护单元隔墙按板计算，一般按四边固定或三边固定一边铰接计算。当防护单元隔墙厚度小于顶板厚度时，上节点为固接（本图集为Ⅰ型）；当防护单元隔墙厚度大于等于顶板厚度时，上节点为铰接（本图集为Ⅱ型）。防护单元隔墙的下节点一般为固接。计算时，根据不同的长、宽比，取为双向板^［⁴^］。

应根据防护单元隔墙两侧抗力等级及所处的位置，确定墙体两侧的等效静载标准值。按两侧水平等效静载单侧作用分别计算^［⁴^］。

（六）、人防地下室门框墙计算

门洞边长大于或等于2倍墙体悬挑长度，墙体按悬臂梁或牛腿计算。当不满足上述条件时，在门洞边设梁或设柱^［⁴^］。

当采用门洞设梁或柱的方法时，应根据相邻临空墙的支座及工程的具体情况，另行计算临空墙配筋并采用相应的构造^［⁴^］。

防护密闭门上挡墙符合h₂≤a/2时，采用悬臂或牛腿计算^［⁴^］。

当上挡墙符合a/2＜h₂≤2250时，5级防空地下室采用三边固定一边简支的计算模式，6级防空地下室采用三边固定一边自由的双向板计算模式。

（七）、人防地下室窗井墙计算

窗井墙示意图见上图，计算方法同门框墙。

（八）、人防地下室连续梁计算

可完成三十跨以内的连续梁内力、配筋计算，每跨可设置不同跨长、截面尺寸及多种荷载形式，按照人防工程的特殊要求进行支座及跨中弯矩的调幅。

连续梁的左、右支座可简化为：支承在独立柱上、扶壁柱上、梁上、内隔墙上、外墙上均为简支；支承在剪力墙上为固接。

（九）、人防地下室井字梁计算

采用有限元方法可完成多跨、多区格、多点柱支承的井字梁及密肋楼盖的内力、配筋计算。可以选择不等跨、变截面、多种边界条件及不同荷载分配模式。

（十）、人防地下室无梁楼盖计算

采用等代框架法计算30跨以内的中间楼盖或顶层楼盖两种计算模型。可计算柱上及跨中板带的弯矩（根据人防要求进行调幅）和配筋，并完成对柱帽、板的冲切验算。

无梁楼盖的柱网宜采用矩形，任一区格的长、短边之比不宜大于1.5。无梁楼盖通常以纵横两个方向划分为柱上板带和跨中板带进行配筋。板带的宽度取垂直于计算方向柱距的一半，划分区格如图所示。

柱上板带和跨中板带划分区格示意图

采用等代框架法计算其内力（全截面），然后根据用户交互的板带分配系数计算出柱上板带及跨中板带的内力值及配筋值。

等代框架示意图

柱帽支反力分布图

无梁楼盖结构的设计计算详见参考文献［18］。

（十一）、人防刚架计算

可完成人防工程特有的单、多跨拱洞或全封闭刚架的内力和配筋计算。杆件包括直杆、曲杆、折杆，可选用多种荷载形式，可设定多种约束条件。

（十二）、人防矩形（方形）底球面扁壳计算

连续等跨边界条件示意图

壳板内力示意图

按照《人民防空工程结构设计手册》中的计算图表计算。完成四边简支矩形底面的球面扁壳的内力与配筋计算。

（十三）、人防正六边形底球面扁壳计算

壳体示意图

壳板内力示意图

按照《人民防空工程结构设计手册》中的计算图表计算。完成周边简支正六边形底面的球面扁壳的内力与配筋计算。

（十四）、人防圆形底球面扁壳计算

壳体边界条件示意图

按照《人民防空工程结构设计手册》中的计算图表计算。完成弹性支承圆形底面的球面扁壳的内力与配筋计算。

（十五）、人防梁截面配筋计算

对梁截面进行配筋计算，包括抗弯计算、抗剪计算、抗扭计算、剪扭计算。除混凝土和钢筋的材料强度修正按《人民防空地下室设计规范2005年版(GB 50038-2005)》规定外，计算方法同《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002。具体事项参阅本技术条件的“第二部分1.7.1节”。

（十六）、人防柱截面配筋计算

对柱截面进行配筋计算，包括轴压计算、偏压计算、压剪计算、抗弯计算、双向受压计算和双向受剪计算。除混凝土和钢筋的材料强度修正按《人民防空地下室设计规范2005年版(GB 50038-2005)》规定外，计算方法同《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002。具体事项参阅本技术条件的“第二部分1.7.3节”。

交互参数荷载设计值弯矩Mx(kN.m)、弯矩My(kN.m)、轴力N(kN)、剪力Vx(kN)、剪力Vy(kN)取自“人防（顶板）连续梁计算”支座处。（注：因选的是某支座处较大值，而忽略柱自重。）

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