框架结构附建式防空地下室抗倾覆问题的探讨

第３卷第２期　２００２年４月　解放军理Ｘ－大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＰＩ　Ａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏ［ｏｇｙ　Ｖｏｉ　０　Ｎｏ：　Ａｐｒ　２０（ｉ，２　文章编号：１００９—３４４３（２００２）０２　００６２—０４　框架结构附建式防空地下室抗倾覆问题的探讨　戴小平　，　金丰年。，　王　斌！，　张耀　（１．解故军理工大学理学院．江苏南京Ｚ１１１　Ｏｌ｝２．解放军理工大学工程兵工程学院．江苏南京２１　０００７）　摘要：附建式防空地下室抗倾覆是防空地下室建设中的重要问题。根据建筑物的结构性能和力学特点，针　对框架建筑在冲击波作用下的各种可能破坏形态进行分析，提出“斯融安全破坏”原则，依据罗文豹提出的棱　爆炸冲击波作用下高层建筑防空地下室的稳定性分析ｎ　，建立框架结构下的附建式防空地下室在冲击波荷　栽作用下的稳定计算方程，提出结构构造措施。　关键词：框架结构；附建式防空地下室；抗倾覆　中图分类号　ＴＵ９３　３　文献标识码：Ａ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　Ａｃｃｅｓｓｏｒｉｌｙ　Ｂｕｉｌｔ　Ａｉｒ—ｒａｉｄ　Ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　Ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　Ｏｖｅｒｔｕｒｎ　ＤＡＩ　Ｘｉａｏ　ｐｉｎｇ　．Ｊ　ⅣＦｅｎｇ—ｎｉａ　ｒ￣　、ＷＡＮＧ　Ｂｉｎ？、ＺＨＡＮＧ　“　（１，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．ＰＩ　Ａ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ，，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１１　０１，Ｃｈｉｎａ：　２　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｌ，ｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｒｏｐｓ．ＰＩ　Ａ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ．Ｎａｎｊｉｎｇ　２１　０００７，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｅｓｓｏｒｉ［ｙ　ｂｕｉｌｔ　ａｉｒ—ｒａｉｄ　ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒ—ｒａｉｄ　ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｃｈａｒａｃｔｃｒ　ｓ１ｊｃ　ｏｆ　ｔ【ｌｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｂｒｅａｋ　ｍｅｌｔ　ｓａ［ｅｌｙ　ｄｅｓｔｒｏｙ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｅｖｅｒｙ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ　ｐａｔ—　ｔｅｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｒａｍｅｗｏｋ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ　１，ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｃｅｓｓｏｒｉ］ｙ　ｂｕｉｌｔ　ａｉｒ，ｒａｉｄ　ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ，　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｂｕｌｉｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ｛ｆｒａｍｅｗｏｒｋ：ａｅｃｅｓｓｏｒｉ［ｙ　ｂｕｉ［ｔ　ａｉｒ　ｒａｉｄ　ｂａｓｅｍｅｎｔ；ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｖｅｒｔｕｒｎ　对于防空地下室，当上部无建筑物或其上部只　有一层或两层的砌体结构或砖混结构时，往往不考　虑上部建筑物对防空地下室的破坏影响。“］。但是，当　上部为多层框架建筑物，下部为附建式的防空地下　室时，对于防空地下室本身而言，可以设计建造使它　能够承受一定等级的核爆炸冲击波荷载的作用，满　足应有的强度要求　但是，在核爆炸冲击波荷载的作　用下，由于上部结构的刚度较大，当上部结构在遭到　破坏甚至于完全倒塌的过程中，上部结构将传递给　防空地下室丧失防护功能　对于防空地下室倾覆　问题的研究，哈尔滨工程力学研究所作了初步探讨，　提出了启发性的见解　Ｊ。国外还未见到有关此方面　的研究，只是在一些手册中提到过，而且仅仅是一些　基于工程判断的简单规定。例如：美国只是提到这种　可能性，但是并没有提出具体的处理方法和标准；瑞　士规定４层以上地面建筑下面不设置防空地下室；　前苏联要求地面高层建筑物自由支承在地下室上　面，或者作与地下室的连接，但是在冲击波荷载作用　下上部建筑物应该被破坏，而不使下部的地下室承　地下室很大的倾覆力作用，即倾覆力矩和剪力，可能　使地下室发生较大的位移甚至于完全翻转，从而使　收稿日期：２００ｉ∞０ｌ　受附加力而产生破坏　’　文献［５　使用有限元法对其　进行了分析，但可能引入较大的误差　。目前，国内　外对于防空地下室倾覆问题的研究进行得比较　作者简介：戴小平ｔ１９７１一），男、硕士生，讲师　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　戴小平，等：框架结构附建式防空地下室抗倾覆问题的探讨　节，而是上部结构破坏后对防空地下室的影响结果。　少　，因此，对其进行一番探讨是有必要的　作为最后结果，本文结合文献［１］认为可能有以下几　１　冲击波对建筑物的破坏作用　Ｉ．１　冲击波对建筑物的作用机理　防空地下倾覆的主要因素在于上部建筑的破坏　种破坏形态。　（１）在地面冲击波作用下，首层的柱头、柱脚的　根部受到巨大的水平剪力和弯矩作用．此处钢筋混　凝土截面达到塑性铰状态，上部建筑物遭到破坏，但　这些塑性铰均发生在地下室顶板以上部位，对地下　对地下室的影响．但是，上部建筑及其附建式地下室　在遭到核爆炸袭击时，它们所受的冲击渡作用是一　室不产生影响，如图２（ｂ）所示。　个极其复杂的破坏过程　如果粗略地分析ｔ可以认为　当核弹空中爆炸时（例如，按空爆并在规则反射区之　外情况讨论）．人射冲击波的合成波沿地面滑过，上　部建筑物受到正面冲击．并随即产生反射和绕射ｔ而　其负荷的水平力及由此形成的倾覆力矩立即通过结　构构件．即上部建筑物的承重及抗侧力构件——框　架等传至地下室顶板：另一方面，由于核爆炸的空气　冲击渡作用于地面．传至土体产生了压缩波（尸波）　及剪切波（Ｓ波）．并以荷载形式作用于防空地下　室　，见图１所示，　图ｌ　空气冲击渡及土中压缩渡、剪切波的传递　，　一　Ｆｉｇ　ｌ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ａｉｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓ－　１ｏ¨ｗａⅥ　ａｎｄ　ｈｅａｒ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ＳＯｌ日日　　　Ｊ当建筑物距爆心投影点足够远时，土体中的压　缩波对地下室四周侧墙的水平荷载基本是对称相等　的，它不会使地下室产生整体运动，而且作用于地下　室顶板上的垂直荷载对地下室的稳定是有利的。所　以，土体中的压缩波对地下室整体稳定性的影响甚　微，可以忽略不计。但是，空气冲击波速远大于土壤　中的压缩波速，并且空气冲击波对建筑物的作用，前　后左右不对称，因此，空气冲击波是影响建筑物稳定　性的主要因素。　１．２冲击波对建筑物的破坏形态　当空气冲击波在地表滑过时，从其与建筑物相　遇时起，到建筑物的变形、破坏，其应力应变过程是　十分复杂的。要详细探求结构的应力应变全过程是　困难的，但我们关心的不是上部结构的破坏详尽细　口　ＡＰ　Ｌ—Ｊ　一日　—Ｅ了一　（ｄ）　（ｅ）　（ｆ）　（ｇ）　图２冲击谴作用下建筑物的可能破坏状态　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｄｅａｔｒｏｙｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　（２）在冲击波作用下，首层以上的楼层柱脚和柱　顶产生塑性铰，上部建筑物遭到破坏但不危及地下　室的安全与稳定，如图２（ｃ）所示。　（３）上部结构发生剧烈变形，由于上部结构的框　架柱的纵向受力钢筋延伸到地下室的墙体和底板ｔ　上部结构所承受的巨大水平力及弯矩通过纵向钢筋　传递，导致地下室的墙体和顶板产生塑性铰，使得上　部建筑遭到破坏的同时，地下室的顶板、柱和墙体等　也发生破坏，如图２【ｄ）所示。　（４）冲击波作用于上部建筑而产生的强大倾覆　力矩通过刚劲的框架柱传递，使地下室的一侧上拨　转动，导致整个地下室产生剧烈倾覆变位。而此剧　烈倾斜造成地下室内部设备破坏，地下室的室外管　线、连接通道遭到破坏，地下室内部人员摔倒受伤　等。发生了地下室的主体结构虽未破坏，而实际上　附建式地下室已处于完全不能使用的状态，如图２　（ｅ）所示。　（５）当上部建筑承受空气冲击渡作用瞬间一巨大　的水平力通过框架柱的传递，使地下室向一侧帮移一　维普资讯 http://www.cqvip.com

解放军理工大学学报（自然科学版）　这时地下室的主体结构虽未破坏，但此显著的水平　位移已使地下室与室外连通管线、连接通道错位拉　断、柔性防水层撕裂漏水，地下室内部设备的摇晃与　倾倒等也造成地下室在实际上不能正常使用，如图　２（ｆ）所示　第３卷　和　轴的惯性矩，ＡＡ为框架柱的水平截面面积；　＾为框架柱水平截面面积之和；Ⅳ为上部结构总垂　直荷载；Ｐ　和Ｐ　为最外沿框架柱的轴向力。　（６）上部结构破坏受到冲击波作用破坏时，首层　以上的楼层柱脚、柱顶产生塑性铰，地下室处于稳定　状态．但上部结构的掉落物向下冲击，致使防空地下　室的顶板破坏，致使防空地下室实际上不能正常使　用．如图２（ｇ）所示。　２　防空地下室的稳定计算　２．１防空地下室稳定的前提　上述６种可能的破坏状态，在建筑物遭到核袭　击时可能出现一种，也可能同时出现几种。仅从防空　地下室的战术角度来看，第（３）～（６）种状态是绝不　允许产生，第（１）、（２）两种状态是允许产生的。对于　第（１）、（２）两种状态，不是仅对地下室的结构设计采　取措施就可以加以制止的，而且即使对上部结构也　采取措施加以制止，从经济上来讲是不合理的，实际　上也是不必要的。针对这样的结论，应该使得其破坏　形态出现以下的结果：日］①出现第（１）、（２）两种状态；］［目　　②上部框架结构没有出现塑性铰，地下室才是稳定　安全的“。对此笔者提出“断融安全破坏”原则　断融　上部结构在一定等级的核爆炸冲击渡作用过程　中，框架柱在地面位置自动融断，不至于对防空地下　室产生倾覆；安全——上部结构破坏后的掉落物向　下冲击，不至于破坏防空地下室的顶板。根据这样的　原则结台文献Ｉ３］提出以下３个前提条件：①上部建　筑与地下室连接部位的柱强度要求；②在上部建筑　破坏过程中，防空地下室在土体中的嵌固稳定条件；　③防空地下室顶板的防冲击要求　２．２框架柱强度和地下室的稳定计算“一　建立图３所示的结构体系和坐标系，对于结构　体系来讲，在建筑物破坏之前的过程中，　和　方向　上最外枯的连接构件的内力利用结构力学、材料力　学的知识是可以求出的，那么：　，　一　（尸　一Ｎ×ＡＡ／Ａ）　（１）　一　ｌ心　，　Ｍ　一　（，）　一Ｎ×ＡＡ／Ａ）　（２）　１…　式中：儿和　为框架柱对地下室在纵、横方向上可　能产生的倾覆力矩；Ｉ　和　为框架柱的水平截面对　蹬３建筑结构体系及其坐标系　Ｆｉｇ　３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　当上部结构设计完毕，满足和平时期常规荷载　组合之下的建筑物强度、稳定性要求时，框架柱的截　面、配筋已经确定，可以令底层框架柱的强度达到其　动力荷载作用下的极限轴向力．即：　受压状态下：Ｐ…＝见Ｘ△Ｊ４一尺　Ａ　＜３）　受拉状态下～Ｐ　一尺　×Ａ　（４）　式中，尺　为柱的极限动力受压强度；尺　为柱中锕筋　的极限动力强度；Ａ　为锕筋截面面积。　由结构力学、材料力学、锕筋混凝土结构构件的　知识可知，　方向的整体刚度小，　方向的整体刚度　太。在同样的冲击波作用下“方向为最不利方向，　方向为最有利方向。为了在冲击波作用下框架柱在　底层产生塑性铰而使上部结构破坏，因此，应该考虑　方向的破坏。地面处柱的抗弯强度应该以　计　算，抗剪强度以Ｑ　计算。　令，）一Ｐ　则：　Ｍ…一　（，）～　一　Ⅳ×△　４／一）　（ｊ　Ｊ　对于水平力：０　一下ｒＢＩ　（６）　式中，ｒ为混凝土截面极限动力抗剪强度　ｓ为连接　构件水平截面对建筑平面中性轴的静矩　Ｂ为建筑　物的平面宽度。　由于地下室在ｒ方向上的稳定性低于　方向　上的稳定性，为了保证其稳定．应该以　方向计算：　Ｍ　：　（Ｐ…一Ⅳ×ＡＡ／Ａ）　（７　Ｊ　…　一孕　（８ｊ　地下室的稳定力矩：　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　戴小平，等：框架结构附建式防空地下室抗倾覆问题的探讨　Ｍ　一（Ⅳ＋Ｎ　一Ｗ　）×Ｂ／２＋２／３×　［　ｚ＋（　一Ｒ　）］Ｂ　‘。　４　结　论　在充分分析冲击波对建筑物各种可能破坏形态　的基础之上，提出“稳定安全破坏”原则，得出了防空　式中，Ⅳ　为地下室本身自重；Ｗ！为地下水浮力；　，　砭为底板两端的地基反力；　一Ｋ×　；Ｋ为土抗力　系数；　为地下室顶端的水平允许变形。运用此式　时，便于安全可将第二项不计　地下室的抗滑移阻力：　Ｑ　一（Ⅳ＇ｍ　Ｎ　—Ｗ　２）×，＋Ｅ　２　（１０）　地下室稳定安全的如下三个前提条件。并提出了设　计时的要求和结构构造措施，为框架结构下的防空　地下室设计提供一定的参考依据。　式中，，为底板与土层的摩擦系数；Ｅ。为被动土层　压力值。　地下室设有桩基时：　Ｍ！一Ｔ）：ｏ１７　／ｚ　（ｕ）　Ｑ！一ｎＳ　ｔ１２）　式中，７　为单桩动荷载允许垂直承载力；一为桩数；ｓ　为单桩动荷载允许水平承载力，＞：　为各桩通过　桩群形心纵轴的距离平方和；ｚ一为最外沿桩与　轴的距离　为了防止上部结构破坏后的掉落物向下冲击破　坏地下室的顶板，设计时在地下室顶板上设置架空　层，并填充素土，这样，当满足：　＜Ｍ　或　＜　Ｍｌ＋　，Ｑ瑚　＜Ｑ　或Ｑ一＜Ｑ　＋Ｑ：时，则防空地下　室认为是稳定安全的　３地下室稳定的结构构造措施　通过前面的分析可知，在设计时应该注意框架　柱的受力钢筋不能有过高的安全度，只要能够保证　在正常荷载组合下结构稳定即可，否则对于地下室　的稳定安全带来负面影响。另外，要防止框架柱在地　面处破坏时“撕裂”地下室的顶板　］。因此，要特别注　意适当加强地面处柱的刚度，结合文献［１］可采取图　４所示的构造措施。　外柱　内柱　架空板　【　｛　；　＿　＝＝　Ｊ　图４框架柱局部加强　Ｆｉｇ　４　Ｌｏｃａｌ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　Ｃｏ］Ｕｍｎ　①上部建筑与地下室连接部位的柱强度要求；　②在上部建筑破坏过程中，防空地下室在土体　中的嵌固稳定条件；　＠防空地下室顶板的防冲击要求。　参考文献　［１］罗文豹．核爆炸冲击波作用下高层建筑防空地下室的　稳定性分析［Ａ］．见：中国土木工程学会防护工程学　会．中国土木工程学会第三救年会暨抗爆结构学术交　流会论文集［ｃ］．烟台：中国土木工程学会防护工程学　尝．１　９９２．９７—１０３．　［２］ＧＢ５００３８　１　９９４．人民防空地下室设计规范［ｓｚ．　［３］苗启松，胨肇元．高层剪力墙房屋下附建式人防地下室　倾覆问题的简化分析［Ａ］＿见　中国土木工程学会防护　工程学会中国土木工程学会防护工程学会第三次年　会暨抗爆结构学术交流会［ｃ］，烟台：中国土木工程学　会防护工程学会．１　９９２．１４１－１４９．　［４］熊建国高层抗震结构下防空地下室倾覆分析［Ｒ　．北　京：建设部人防规范管理组研究报告，１　９９８．　［５］苗启松，陈肇元，刑秋顺．核爆炸冲击渡作用下附建式　人防地下富倾覆问题有限元分析［ｊ］防护工程，１　９８９　（１）４２　４６．　［６］胨肇元．核爆炸空气冲击波对高层建筑下酣建式人防　地下室的倾覆作用［Ｒ］．北京：建设部人防规范管理组　的课题论证报告，１９８７．　（责任编辑：熊云）