師奶寧    曹 培

中交第一公路勘察設計研究院有限公司  西安 710075

陜西西部建設工程檢測有限責任公司  西安 710056

 

    地下人防工程是為了在戰爭時掩蔽人員和物資，并進行醫療救護而修建的地下防護建筑。具有保護人民生命財產安全，進行人防指揮等作用，是贏得戰爭勝利的重要條件之一。然而，在我國很多城市早期修建的人防工程，由于在長期處于地下潮濕的自然環境中，且部分人防工程由于建筑功能的改變，進行了結構改造，均可能使人防工程結構的安全性大大降低，給人民的生命財產安全帶來隱患。對改造后人防工程結構的進行安全性評價已成為亟待解決的重要問題。因此，本文結合某人防工程在地面增建建筑物后結構的檢測與分析對該人防工程結構的安全性進行分析，為同類工程提供參考。

 

    某人防工程位于某市一公園內，為地下一層鋼筋混凝土平戰結合5級人防工程。工程建于20世紀80年代初期，1997年曾因地質原因停止使用，2001年進行過維修，2005年在位于該工程圓型廳頂部偏南位置的地面上，增建一幢二層磚混結構樓房，使用至今。

 

    如圖1所示，工程分落地拱（拱殼）和圓拱（球殼）兩個單元，設出3個出入口，建筑面積2116m²。工程落地拱單元基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，拱跨度22.4m，矢高6.4m，拱厚度600mm～800mm漸變，拱體結構配筋如下：縱向受力鋼筋為φ18@200、橫向鋼筋為φ12@300。圓形拱單元采用鋼筋混凝土筏板基礎，殼體水平投影直徑20.0m，殼頂高4.0m，殼體厚度400mm，底部為鋼筋混凝土環梁支撐，殼體配筋如下：縱向為φ16@250，環向為φ18@250。混凝土強度等級均為C20，砌體采用MU10磚、M5水泥砂漿砌筑。

 

    為檢驗在地面增建房屋后該人防工程結構的安全性，需要對結構進行檢測與計算分析。相關工作如下：

    結合現場檢測結果，依據工程設計圖紙，應用有限元方法，建立計算模型，分別對拱殼、球殼、廊拱殼進行數值計算。具體過程及結果如下：

 

    如圖2所示，落地拱殼兩支座間距22.4m,拱頂高（跨中矢高）6.4m，兩端為鋼筋混凝土基礎。

    將殼體上部回填土等效為豎向壓力，將地面建筑墻體等效為線荷載，計算時取最大值17.8kN/m，并考慮地面活荷載(2.5 kN/m2)或建筑活荷載(2.5 kN/m2)的影響，于殼體頂部加載，為安全起見，混凝土強度取C20。拱殼采用彈性4結點殼單元，且上覆土在計算中亦一并建立實體模型，上覆土采用空間六面體單元 ，將地面建筑物等效為面荷載，并計入分項系數，施加于土體上表面，所建計算模型如圖3所示。

    將如圖4所示，計算分析結果其中最大拉應力為0.099MPa，最大壓應力為-0.14MPa，抗拉抗壓均能滿足要求。

    3.2.1球殼

    如圖5所示，球殼地面投影直徑為20m，殼頂高4m，殼厚0.4m，底部為鋼筋混凝土環梁支撐，頂部開孔直徑為2m。

    對于地下結構，土的拱效應對土體自重及地面荷載產生的附加應力有較強的抵抗作用，同時球殼底部環梁對球殼有較強的約束作用，計算中未考慮土拱效應及環梁對球殼的約束作用，計算結果偏于保守。

 

    將殼體上部回填土等效為豎向壓力，將地面建筑墻體等效為線荷載，計算時取最大值33.2kN/m，并考慮地面活荷載的影響，混凝土強度取C20，于球殼頂部加載，球殼采用平面殼單元，計算模型如圖6所示：

    由球殼底面、頂面沿拱軸線方向應力計算結果（圖7）可見，球殼底面（內鄰空面）無拉應力，全底面受壓且最大壓應力為-4.2MPa；頂面（鄰土面）亦無拉應力區域，全頂面受壓且最大壓應力為-2.8MPa。

    3.2.2廊拱

    采用平面單元建立廊拱殼的計算模型（如圖8所示）。加載計算，得到荷載組合下廊拱殼的底面、頂面沿拱軸線方向應力圖（圖9）。

    由圖9可見，底面（內鄰空面）最大拉應力為3.2 MPa，底面最大壓應力為-14.8MPa；頂面（鄰土面）最大拉應力為3.6 MPa，頂面最大壓應力為-11.7MPa。與拱殼類比可知，廊拱殼抗拉及抗壓均滿足要求。

    根據檢測結果，就混凝土結構構件的安全性，按承載能力、構造以及不適于繼續承載的位移（或變形）和裂縫分析 。相關結果如下：

 

    由結構承載力計算結果可見，混凝土結構構件的承載能力滿足要求；混凝土結構構件的連接方式正確，構造基本符合設計要求；混凝土結構構件沒有不適于繼續承載的位移和變形現象；未發現混凝土結構構件出現裂縫。

 

    結合結構內力計算結果亦可知，因本工程原設計為人防工程，原結構在設計計算中考慮了常規爆炸沖擊荷載的影響，若結構僅在現有荷載作用下，雖在人防結構頂部有增建的建筑，即使忽略土體拱效應，地下拱殼的抗壓及抗拉能力均能滿足要求。

 

    綜上所述，承重結構滿足承載力要求，不需進行加固。

 

    由該人防工程進行結構檢測與數值計算結果，對該工程結構在地面增建改造后結構的安全性進行了分析。相關結論如下：

    （1）鋼筋混凝土外觀質量良好，未發現由于基礎的不均勻沉降造成的地面與墻體開裂及其它損害情況，鋼筋銹蝕程度及混凝土碳化深度均符合要求。

    （2）檢測構件的現齡期混凝土抗壓強度滿足原設計強度要求。

    （3）結構計算分析表明，因原結構在設計計算時考慮了爆炸沖擊荷載的影響，僅在現有荷載作用下，結構抗力滿足要求。

    （4）承重結構的安全性等級符合要求，尚不顯著影響承載力，可不采取加固措施。

    （5）現有地面建筑物未對地下結構承載力造成影響，該人防工程在現狀下可安全正常使用。

    （6）對地下人防工程結構進行內力分析時，若不考慮土拱效應時結構承載力不滿足要求，應在考慮土拱效應時對結構承載力做進一步分析，可較為精確的對結構承載能力進行評定。

 

[1]  GB/T50476-2008, 混凝土結構耐久性設計規范[S]，北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]  劉文競，楊建中，王霓等. 某地下室上浮事故的檢測鑒定及加固處理[J]，工業建筑，2010，40（6）：127-130

[3] 卜良桃，陳軍，黎紅兵. 火災后混凝土結構檢測和加固技術研究[J]，工業建筑，2009，39（6）：117-119

[4]  張亞歐，谷志飛，宋勇. ANSYS 有限元分析實用教程[M]，北京：清華大學出版社，2004.

[5] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP 2000 中文版使用指南［M］. 北京：人民交通出版社，2006.

[6]  牛荻濤. 混凝土結構耐久性與壽命預測[M]. 北京：科學出版社，2003

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)