PKPM人防地下室结构的设计

1、第五章人防地下室结构的设计一、概述人防荷载需要在PMCAD的“建筑模型与荷载输入”菜单里的“荷载输入人防荷载”子菜单中输入，输入的是作用在有人防要求的楼面上的人防荷载。在此项子菜单里，设计人员可以对不同房间的人防荷载进行修改，也可以只在局部平面的房间布置人防。人防工程的梁、柱、墙、临空墙的内力和配筋计算可以在SATWE、PMSAP、SPAS-SATWE、TAT软件中进行。人防顶板的内力和配筋计算可以在PMCAD“画结构平面图”里完成。人防基础的设计需要在JCCAD软件中进行，在JCCAD软件的“基础人机交互”菜单里输入人防顶板和人防底板荷载，在“基础梁板弹性地基梁法”和“桩筏筏板有限元”菜单中

2、进行人防基础的内力和配筋计算。在JCCAD软件的“工具箱”里可以进行单元隔墙、门框墙和窗井墙的计算。此外，基础“工具箱”还根据人民防空地下室设计规范GB50038-2005（以下简称人防规范）的要求进行人防荷载和人防构件的计算与校核，内容十分丰富。在SPAS-SATWE软件里可以直接导入PMCAD模型和相应的人防荷载，并进行人防构件的设计。二、人防荷载组合与效应根据人防规范的相关规定，对于甲类防空地下室，人防荷载主要包括常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载，对于乙类防空地下室，人防荷载主要包括常规武器爆炸动荷载。对于常规和核爆炸两种武器产生的动荷载的确定，人防规范提供了两种方法，一种是按照动荷

3、载的相关公式确定，另一种是按照等效静荷载确定。在目前的PKPM系列软件中，在PMCAD里输入的人防荷载是按照等效静荷载输入的，在JCCAD软件的基础“工具箱”里，设计人员可以根据需要选择按“公式法”还是按等效静荷载方法计算人防荷载。1、人防荷载组合应注意的问题在采用SATWE软件进行人防工程设计前，必须在PMCAD软件中定义活荷载。08版已经要求用户必须将活荷载单独当作一个荷载工况来处理，同时，对于需要计算人防设计的房间楼板，其上必须布置有活荷载的均布面荷载值，不能为0，哪怕是一个很小的数值。这是程序设计的要求，因为程序将地下室顶板的竖向等效均布荷载Qe1的导荷计算与楼面均布活荷载密切相关，如

4、果不输入楼面均布活荷载，则程序无法进行人防荷载的组合。当导算到梁柱墙构件上的活荷载为0时，该构件的第（7）工况（人防荷载工况）的内力标准值也将为0。（以下工程算例一取消）工程算例一某工程，带一层人防地下室，人防等级为6级，人防顶板、外墙等效静荷载标准值如图1所示，其人防地下室平面图如图2所示：图1人防顶板、外墙等效静荷载标准值图2人防地下室平面图在PMCAD分别输入活荷载2.0Kn/m2和0.0Kn/m2,采用SATWE软件进行人防工程计算，梁1的计算结果如下：荷载工况M-IV-IM-1M-2M-3M-4M-5M-6M-7M-JNV-7V-JTV-1V-2V-3V-4V-5V-6(1)-5.7

5、-4.2-2.7-1.20.41.93.44.96.50.01.81.81.81.81.81.81.81.81.80.2(2)9.16.94.62.40.2-2.1-4.3-6.5-8.80.0-2.6-2.6-2.6-2.6-2.6-2.6-2.6-2.6-2.6-0.0(3)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(4)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(5)-79.0-29.111.838.345.732.2-0.6-47.

6、5-103.6-0.061.153.640.120.5-3.6-27.7-47.2-60.7-68.3-0.4(6)-30.5-11.74.615.819.414.52.1-15.4-35.5-0.022.420.916.49.0-0.7-10.4-17.9-22.3-23.8-0.1(7)-911.3-374.891.1415.9532.9417.494.1-370.4-905.50.0635.7594.8472.0267.50.9-265.8-470.3-593.1-634.0-3.7(8)-35.2-14.8-3.1-2.7-2.7-2.7-3.0-14.9-35.20.0-1.0-1.

7、0-1.0-1.0-1.0-10.7-18.1-22.6-24.10.0(9)2.01.26.417.822.117.96.51.52.40.024.122.618.110.71.11.11.11.11.10.0活荷载为2.0Kn/m2时梁1的内力标准值荷载工况M-IM-1M-2M-3M-4M-5M-6M-7M-JNV-IV-1V-2V-3V-4V-5V-6V-7V-JT(1)-5.1-3.7-2.4-1.00.31.73.04.45.7-0.01.61.61.61.61.61.61.61.61.60.2(2)8.26.24.22.20.2-1.8-3.9-5.9-7.9-0.0-2.3-2.

8、3-2.3-2.32.3-2.3-2.3-2.3-2.3-0.0(3)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(4)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(5)-79.0-29.111.838.345.732.2-0.6-47.5-103.6-0.061.153.640.120.5-3.6-27.7-47.2-60.7-68.3-0.4(6)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.

9、00.00.00.00.0(7)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(8)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0(9)0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0活荷载为o.oKn/m2时梁1的内力标准值注：荷载工况=(1)-X方向地震作用下的标准内力荷载工况=(2)-Y方向地震作用下的标准内力荷载工况=(3)-X向风力的工况号荷载工况=(4)-Y向风力的

10、工况号荷载工况=(5)-恒载作用下的标准内力荷载工况=(6)-活载作用下的标准内力荷载工况=(7)-人防荷载作用的工况号荷载工况=(8)-梁荷载不利布置力作用下的负内力包络荷载工况=(9)-梁荷载不利布置力作用下的正内力包络M-表示梁各截面上的弯矩V-表示梁各截面上的剪力N-表示该梁主平面内各截面上的轴力最大值T-表示该梁主平面内各截面上的扭矩最大值-I-,-1-,-2-,-3-,-4-,-5-,-6-,-7-,-J-表示截面号通过比较可知，当活荷载为2.0Kn/m2时，第(7)工况(人防荷载工况)输出了梁1的内力标准值，而当活荷载为O.OKn/m2时，第(7)工况(人防荷载工况)输出的梁1的

11、内力标准值均为0。2、人防设计荷载与作用效应分析(1)人防设计荷载地下室人防设计计算考虑的荷载，除常规考虑的恒载、活载、风荷、地震作用等外，还有地下室顶板的竖向等效均布静荷载Qei、外墙的水平等效均布静荷载Qe2和临空墙的水平等效均布静荷载Qc，对于一个二层地下室的结构，若二层地下室都考虑人防荷载作用，相应的人防荷载加载简图如下图3a所示，若只有最下面的一层考虑人防荷载作用，则相应的加载简图如下图3b所示（图中Q为地下水对地下室外墙的侧压力，Q为回ws填土对地下室外墙的侧压力）。3a3b图3人防荷载加载简图（2）人防作用效应分析人防作用效应按等效静荷载法计算，计及上部建筑物的影响，进行三维线弹

12、性有限元分析，求得相应各构件的人防作用效应。地下室外墙平面外弯矩按一端嵌固、一端弹性约束的单向板计算。（3）人防作用效应组合地下室构件的截面验算，除考虑恒、活、风、地震作用效应组合外，根据人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）第4.10.2条（以下省略规范名称，只列出条款）要求，对于考虑人防地下室的普通构件（如梁柱墙等），程序中考虑了两组人防作用效应组合：Sgk+L0Sqk】.2Sgk+L0Sqk其中，Sgk为恒载作用效应，SQK为相应于Qe1的人防设计荷载作用效应；对于临空墙，考虑的人防作用效应组合同上，其中SQK为相应于Qe1和Qc的人防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面

13、内强度验算和平面外强度验算；对于地下室外墙，考虑的人防作用效应组合有：1.0SGK+1.0SEK+1.0SQK1.2*（SGK+SEK）+1.0SQK其中，Sek为地下室外墙的侧向土、水压力作用效应，SQK为相应于Qe1和Qe2的人防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面内强度验算和平面外强度验算。由此可见，尽管在PMCAD里输入了活荷载，但程序在进行人防作用效应组合时并没有将输入的活荷载考虑进去。SATWE软件在“自定义组合工况”菜单里缺省的人防荷载组合系数如图4中黑色方框所示：当有多层人防时，整体计算时Qe1施加在人防最顶层，以此计算柱、墙的人防内力和人防最顶层梁的内力。其余楼层人防梁的

14、内力通过局部施加Qe1获得。这是程序的缺省计算方法。实际情况当中，不同的人防单元荷载可能有变化，与程序的缺省方式不同，这时可以在PMCAD“人防荷载修改”中对人防荷载进行逐层、逐房间修改，对于不需要设计人防荷载的楼板房间，将相应房间上的人防荷载输入为0。程序计算时，将自动取用修改后的人防荷载（如图5所示）。（可以将荷载改为0）三、材料强度的调整图5a修改人防荷载对话框1、材料强度综合调整系数的调整当构件的内力计算由人防荷载控昔条的规定自动考虑材料强度综合调整系数。2、材料动力系数的调整人防工程的顶、底板和外墙的动力系数Kd按第4.6.34.6.7条的相关规定取值。d3、混凝土强度的修正进行梁、

15、柱斜截面承载力验算时，混凝土的动力强度设计值乘以折减系数0.8（见4.10.6条）。进行墙、柱受压构件正截面承载力验算时，混凝土轴心抗压动力强度设计值乘以折减系数0.8（见4.10.5条）。4、钢筋砼构件纵向钢筋的最小配筋率钢筋混凝土构件纵向钢筋的配筋率最小值按4.11.7表取值(见4.11.7条)。例如工程算例一中的梁2，SATWE软件显示的基本信息如下砼两端刚接主梁，普通梁DL=6.90Kind=1B*H=0.300*1.000Cov=30.0SS=100.0RC=30.0FYI=300.0构件材料信息(Ma):构件两端约束标志(IE)：构件属性信息(KE)：长度(m)截面类型号截面参数(

16、m)保护层厚度(mm)箍筋间距(mm)混凝土强度等级主筋强度(N/mm2)考虑人防荷载组合时，其配筋计算结果如下：-I-1-2-3-4-5-6-7-J-M(kNm)-981.-356.0.0.0.0.0.-481.-1144.LoadCase(36)(36)(0)(0)(0)(0)(0)(37)(36)TopAst2671.960.900.900.900.900.900.1297.3254.%Steel0.930.330.300.300.300.300.300.451.16+M(kNm)0.0.181.547.665.507.100.0.0.LoadCase(0)(0)(36)(36)(36)

17、(36)(36)(0)(0)BtmAst1050.900.900.1477.1796.1367.900.900.1050.%Steel0.350.300.300.510.630.480.300.300.35Shear747.692.542.296.-24.-339.-584.-735.-790.LoadCase(36)(36)(36)(36)(37)(36)(36)(36)(36)Asv107.92.57.57.57.57.63.103.118.Rsv0.360.310.190.190.190.190.210.340.39现以I节点所对应的梁端弯矩M=-981Kn.m为例，第(36)组合为1.

18、2SGK+1.0SQK，其配筋面积为2671mm2，若以相同的弯矩按不考虑人防组合下材料强度综合调整系数计算,则按照GJ软件计算的配筋面积为4151.54mm2,可见两种计算结果存在明显的差异。5、其他构件验算SATWE软件的地下室人防设计功能不仅仅适用于钢筋混凝土结构，也适用于钢结构和钢与混凝土混合结构，其中，钢构件、钢骨构件和钢管砼构件的截面验算，均取用砼、钢筋和钢材的动力设计强度，采用相应规范的计算公式进行验算。四、局部人防地下室的计算对于局部人防地下室的结构设计，设计人员可以通过在需要计算人防工程的地方施加人防荷载，不需要计算人防工程的地方（即不需要计算人防的房间）令人防荷载为零来实现

19、。这样程序在进行构件设计时，当该构件为人防荷载组合控制，则自动按人防规范的相关规定进行设计，当该构件为非人防荷载控制，则自动按照非人防荷载组合进行构件的设计，材料强度综合调整系数也同时不考虑了。工程算例二某工程算例如图6所示，楼面恒载为15Kn/m2，活载为2Kn/m2,16轴没有布置人防荷载，611轴布置人防顶板荷载55Kn/m2，梁1梁4人防荷载作用下弯矩图如图7所示。MOO1600016000Ia)ooIEflOOMOOMOO1600016000Il)Uji.jt.3i.Di.J人防荷载引起的弯矩，但弯矩从梁3右端的-57.2Kn.m到梁1左端弯矩为0,衰减得很快。梁4、梁2、梁3的配筋

20、计算结果如下：-I-1-2-3-4-5-6-7-J-M(kNm)-761.-276.0.0.0.0.0.-314.-812.LoadCase(36)(36)(0)(0)(0)(0)(0)(36)(36)TopAst3839.1323.450.1044.1588.980.450.1589.4095.%Steel2.880.950.300.781.190.740.301.193.08+M(kNm)0.60.112.440.548.427.112.60.0.LoadCase(0)(0)(0)(36)(36)(36)(0)(0)(0)BtmAst2661.450.704.2222.2765.2158.

21、704.450.2918.%Steel2.000.300.511.672.081.620.510.302.19Shear662.618.491.283.-9.-299.-508.-634.-679.LoadCase(36)(36)(36)(36)(37)(36)(36)(36)(36)Asv239.219.161.66.48.74.169.227.247.Rsv0.960.880.650.270.190.300.680.910.99梁4配筋计算结果-I-1-2-3-4-5-6-7-J-M(kNm)-219.-64.0.0.0.0.0.-107.-233.LoadCase(1)(1)(0)(0)

22、(0)(0)(0)(36)(1)TopAst1475.450.450.450.450.450.450.514.1681.%Steel1.060.300.300.300.300.300.300.371.26+M(kNm)0.60.112.164.198.161.112.60.0LoadCase(0)(0)(0)(1)(1)(1)(0)(0)(0)BtmAst525.450.704.1069.1316.1044.704.450.525.%Steel0.350.300.510.770.940.750.510.300.35Shear185.170.135.89.-16.-94.-139.-175.-2

23、18.LoadCase(29)(29)(29)(1)(36)(1)(28)(28)(1)Asv50.48.48.48.48.48.48.48.54Rsv0.200.190.190.190.190.190.190.190.21梁3配筋计算结果-I-1-2-3-4-5-6-7-J-M(kNm)-226.-69.0.0.0.0.0.-69.-226.LoadCase(1)(1)(0)(0)(0)(0)(0)(1)(1)TopAst1624.450.450.450.450.450.450.450.1619.%Steel1.220.300.300.300.300.300.300.301.22+M(kNm

24、)0.60.112.163.199.163.112.60.0.LoadCase(0)(0)(0)(1)(1)(1)(0)(0)(0)BtmAst525.450.704.1058.1319.1059.704.450.525.%Steel0.350.300.510.760.950.760.510.300.35Shear216.173.137.92.1.-92.-137.-173.-215LoadCase(1)(29)(29)(1)(29)(1)(28)(28)(1)Asv52.48.48.48.48.48.48.48.52Rsv0.210.190.190.190.190.190.190.190.2

25、1梁2配筋计算结果注：1、梁2、梁3、梁4的截面信息如下：（这段可以省略）（1）.构件材料信息（Ma）:砼（2）.长度(m)DL=6.00（3）.截面参数（m）B*H=0.250*0.600（4）.保护层厚度（mm）Cov=30.0（5）.混凝土强度等级RC=30.0（6）.主筋强度（N/mm2）FYI=300.0（7）.抗震等级NF=22、（36）为1.2恒+1.0人防荷载组合；3、（37）为1.0恒+1.0人防荷载组合；4、（1）为1.35恒+0.98活组合；5、（28）、（29）均为恒+活+地震组合。比较梁2梁4的计算结果可知，梁4主要是人防荷载控制，梁3只有个别截面是人防荷载控制，而梁

26、2则完全由非人防荷载控制，当为非人防荷载控制时，程序自动不考虑材料强度综合调整系数。细心的读者会发现，梁3的7号截面负弯矩控制工况为(36),即人防荷载控制，J号截面的控制工况为(1)，即1.35恒+0.98活组合，这似乎与经验不符，其原因如下：梁3的标准内力值计算结果如下：荷载工况M-IM-1M-2M-3M-4M-5M-6M-7M-JV-6NV-IV-1V-2V-3V-4V-5V-7V-JT(1)1.00.80.50.30.0-0.2-0.5-0.7-1.0-0.0-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.30.0(2)0.10.10.10.00.0-0.0-0.

27、1-0.1-0.1-0.00.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0(3)0.00.00.00.00.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.00.0(4)0.00.00.00.00.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0(5)-174.3-69.221.184.0106.881.115.3-77.9-185.9-0.0144.3133.1104.959.9-1.9-63.8-108.8-136.9-14

28、8.2-0.0(6)-21.8-8.82.610.613.510.21.9-9.8-23.2-0.017.816.613.37.6-0.2-8.1-13.7-17.1-18.2-0.0(7)24.714.44.2-6.0-16.2-26.5-36.7-46.9-57.20.0-13.6-13.6-13.6-13.6-13.6-13.6-13.6-13.6-13.60.0(8)-23.2-9.7-1.4-1.2-1.1-1.1-1.2-10.0-23.70.0-0.5-0.5-0.5-0.5-0.6-8.5-14.1-17.5-18.60.0(9)0.90.63.711.614.611.43.3

29、0.61.00.018.417.313.98.30.50.50.50.50.50.0注：荷载工况=(i)-x方向地震作用下的标准内力荷载工况=(2)-Y方向地震作用下的标准内力荷载工况=(3)-X向风力的工况号荷载工况=(4)-Y向风力的工况号荷载工况=(5)-恒载作用下的标准内力荷载工况=(6)-活载作用下的标准内力荷载工况=(7)-人防荷载作用的工况号荷载工况=(8)-梁荷载不利布置力作用下的负内力包络荷载工况=(9)-梁荷载不利布置力作用下的正内力包络通过对内力标准值的分析可以看出，对于J节点，第(36)组合工况的内力值为1.2X(-185.9)X0.85+1.0X(-57.2)=246

30、.8Kn/m2，第(1)组合工况的内力值为1.35X(-185.9)+0.98X(-23.7)X0.85=233Kn/m2(0.85为梁端负弯矩调幅系数)，显然第(36)组合工况计算的内力值大于第(1)组合工况计算的内力值。但程序仍然显示J节点的弯矩值是第(1)组合工况，其原因是第(36)组合工况虽然弯矩大，但由于要考虑材料强度综合调整系数及动力强度系数等各种因素，其计算的配筋值反而比第(1)组合工况计算的配筋值小。采用GJ软件计算，第(36)组合工况计算的配筋值为1188.54Kn/m2,第(1)组合工况计算的配筋值为1680.6Kn/m2(与SATWE软件计算结果相符)，显然J节点所对应的

31、最不利组合工况为第(1)组合工况。而7号截面恰好为人防荷载控制，所以第(36)组合工况为最不利组合。五、人防顶板的设计人防顶板的配筋计算设计人员可以在PMCAD的“画结构平面图”菜单里完成，输入人防荷载后，程序自动按照人防规范的相关要求进行设计。现以工程算例一中的房间1为例，其基本信息如下：砼板厚：250mm钢筋强度等级：II级砼强度等级：C30房间长X宽：5700X6900mm均布恒载标准值：SGK=7.42Kn/m2GK人防等效静载标准值：SQK=55Kn/m2QK人防荷载组合为：1.2SGK1.0SQKPMCAD软件计算结果:X、Y向弯矩设计值分别为59.8Kn/m2和41.9Kn/m2

32、,JCCAD软件基础工具箱中对此人防顶板的计算结果为：X=59.32Kn/m2,Y=39.98Kn/m2。可见计算结果基本接近。六、基础设计软件JCCAD中考虑人防荷载的设计人防基础的设计可以在JCCAD软件里完成。点击进入JCCAD软件的“基础人机交互输入”菜单，在【基本参数】中输入人防底板等效静荷载、人防顶板等效静荷载(如图8所示)，则程序自动按照人防规范的相关要求进行设计。在JCCAD的“基础梁板弹性地基梁法计算”和“桩筏筏板有限元”菜单下可以做基础人防的设计计算。程序可将用户输入的顶板等效静荷载作荷载导算，即将其作为作用在与基础相连的第一层楼面上的房间均布面荷载，通过楼面荷载导算将人防

33、荷载作用在第一层的柱或墙构件上，基础计算时可以读取这些柱或墙构件上的人防荷载。同时，程序将用户输入的底板等效静荷载反向作用在基础底面。如图11所示。q(Kn/m)人防底板-A-A-7pbRTn_q(Kn/m2)21注：l.Nq均为防顶板荷载导到竖向件上的载2.q为输入的人IB板荷载2图11“桩筏筏板有限元”人防荷载导算示意图如果没有布置基础底板，用户输入的底板等效静荷载将不起作用。输入人防荷载后，程序可以给出人防荷载图和其作用下的弯矩图（如图9，图10所示）。如果在构件截面设计时为人防荷载控制，则在配筋计算时按照人防规范要求进行配筋计算。（图9、图10可以省略）.U.35l.51.B,|51.6,J5户方荷It在“桩筏筏板有限元”设计时，程序除了可以按照以上方式导算人防荷载外，还提供了直接读取SATWE计算的人防荷载效应的方式，在该菜单下有一个转换开关由用选择。这种方式下，由程序自动读取SATWE软件导算下来的人防荷载，然后再与人底板荷载共同作用进行配筋计算。对于局部人防地下室结构时，应采用这种方式十但是对