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阅读 3525 次 某地下人防工程结构检测与分析

摘要:为了分析某地下人防结构在地面增建建筑物后的结构安全性,对人防结构的混凝土外观及钢筋锈蚀状况进行了检测,并应用有限元方法对结构的承载力进行了分析。现场测试与结构计算分析表明,混凝土及钢筋质量均能够满足强度要求,结构的承载力亦能满足要求。因此,即使增建地面建筑物,该人防结构仍可安全使用。...
 
某地下人防工程结构检测与分析
 
师奶宁    曹 培
中交第一公路勘察设计研究院有限公司  西安 710075
陕西西部建设工程检测有限责任公司  西安 710056
 
    地下人防工程是为了在战争时掩蔽人员和物资,并进行医疗救护而修建的地下防护建筑。具有保护人民生命财产安全,进行人防指挥等作用,是赢得战争胜利的重要条件之一。然而,在我国很多城市早期修建的人防工程,由于在长期处于地下潮湿的自然环境中,且部分人防工程由于建筑功能的改变,进行了结构改造,均可能使人防工程结构的安全性大大降低,给人民的生命财产安全带来隐患。对改造后人防工程结构的进行安全性评价已成为亟待解决的重要问题。因此,本文结合某人防工程在地面增建建筑物后结构的检测与分析对该人防工程结构的安全性进行分析,为同类工程提供参考。
 
1、工程概况
    某人防工程位于某市一公园内,为地下一层钢筋混凝土平战结合5级人防工程。工程建于20世纪80年代初期,1997年曾因地质原因停止使用,2001年进行过维修,2005年在位于该工程圆型厅顶部偏南位置的地面上,增建一幢二层砖混结构楼房,使用至今。
 
    如图1所示,工程分落地拱(拱壳)和圆拱(球壳)两个单元,设出3个出入口,建筑面积2116m2。工程落地拱单元基础采用钢筋混凝土条形基础,拱跨度22.4m,矢高6.4m,拱厚度600mm~800mm渐变,拱体结构配筋如下:纵向受力钢筋为φ18@200、横向钢筋为φ12@300。圆形拱单元采用钢筋混凝土筏板基础,壳体水平投影直径20.0m,壳顶高4.0m,壳体厚度400mm,底部为钢筋混凝土环梁支撑,壳体配筋如下:纵向为φ16@250,环向为φ18@250。混凝土强度等级均为C20,砌体采用MU10砖、M5水泥砂浆砌筑。
 
    为检验在地面增建房屋后该人防工程结构的安全性,需要对结构进行检测与计算分析。相关工作如下:

2、结构检测分析
    2.1检测内容
    结合工程条件,需要对以下内容进行检测:(1)地面建筑物测绘;(2)钢筋混凝土外观质量及钢筋锈蚀程度;(3)工程现状特别是洞口等薄弱环节处是否存在由于整体与局部位移变形造成开裂;(4)构件的现龄期混凝土强度。
 
    2.2检测结果
    地面建筑物测绘结果表明:地面建筑物为一层或二层砖混结构,位于人防工程圆型厅顶部偏南位置。
    通过现场破损检查钢筋,钢筋无锈蚀。对壳体混凝土碳化深度进行检测,发现碳化深度不大,深度范围在0.5mm~2.0mm。
    经现场检验,未发现由于基础的不均匀沉降造成的地面与墙体开裂及其他损害情况。
    对构件的现龄期混凝土强度检验时,采用回弹法检测其现龄期混凝土抗压强度。并钻取6个混凝土芯样对回弹值进行龄期修正,修正后的现龄期混凝土抗压强度结果按照检测批的判定,构件的现龄期混凝土抗压强度值范围37.9MPa~44.8MPa,平均值45.5 MPa,标准差2.77MPa,满足强度等级C40的要求。
 
3、结构计算与分析
    结合现场检测结果,依据工程设计图纸,应用有限元方法,建立计算模型,分别对拱壳、球壳、廊拱壳进行数值计算。具体过程及结果如下:
 
    3.1 拱壳单元
    如图2所示,落地拱壳两支座间距22.4m,拱顶高(跨中矢高)6.4m,两端为钢筋混凝土基础。

    将壳体上部回填土等效为竖向压力,将地面建筑墙体等效为线荷载,计算时取最大值17.8kN/m,并考虑地面活荷载(2.5 kN/m2)或建筑活荷载(2.5 kN/m2)的影响,于壳体顶部加载,为安全起见,混凝土强度取C20。拱壳采用弹性4结点壳单元,且上覆土在计算中亦一并建立实体模型,上覆土采用空间六面体单元 ,将地面建筑物等效为面荷载,并计入分项系数,施加于土体上表面,所建计算模型如图3所示。

    将如图4所示,计算分析结果其中最大拉应力为0.099MPa,最大压应力为-0.14MPa,抗拉抗压均能满足要求。

    3.2 球壳-廊拱单元
    3.2.1球壳
    如图5所示,球壳地面投影直径为20m,壳顶高4m,壳厚0.4m,底部为钢筋混凝土环梁支撑,顶部开孔直径为2m。

    对于地下结构,土的拱效应对土体自重及地面荷载产生的附加应力有较强的抵抗作用,同时球壳底部环梁对球壳有较强的约束作用,计算中未考虑土拱效应及环梁对球壳的约束作用,计算结果偏于保守。
 
    将壳体上部回填土等效为竖向压力,将地面建筑墙体等效为线荷载,计算时取最大值33.2kN/m,并考虑地面活荷载的影响,混凝土强度取C20,于球壳顶部加载,球壳采用平面壳单元,计算模型如图6所示:

    由球壳底面、顶面沿拱轴线方向应力计算结果(图7)可见,球壳底面(内邻空面)无拉应力,全底面受压且最大压应力为-4.2MPa;顶面(邻土面)亦无拉应力区域,全顶面受压且最大压应力为-2.8MPa。

    3.2.2廊拱
    采用平面单元建立廊拱壳的计算模型(如图8所示)。加载计算,得到荷载组合下廊拱壳的底面、顶面沿拱轴线方向应力图(图9)。

    由图9可见,底面(内邻空面)最大拉应力为3.2 MPa,底面最大压应力为-14.8MPa;顶面(邻土面)最大拉应力为3.6 MPa,顶面最大压应力为-11.7MPa。与拱壳类比可知,廊拱壳抗拉及抗压均满足要求。

4、结构承载性能分析
    根据检测结果,就混凝土结构构件的安全性,按承载能力、构造以及不适于继续承载的位移(或变形)和裂缝分析 。相关结果如下:
 
    由结构承载力计算结果可见,混凝土结构构件的承载能力满足要求;混凝土结构构件的连接方式正确,构造基本符合设计要求;混凝土结构构件没有不适于继续承载的位移和变形现象;未发现混凝土结构构件出现裂缝。
 
    结合结构内力计算结果亦可知,因本工程原设计为人防工程,原结构在设计计算中考虑了常规爆炸冲击荷载的影响,若结构仅在现有荷载作用下,虽在人防结构顶部有增建的建筑,即使忽略土体拱效应,地下拱壳的抗压及抗拉能力均能满足要求。
 
    综上所述,承重结构满足承载力要求,不需进行加固。
 
5、结论
    由该人防工程进行结构检测与数值计算结果,对该工程结构在地面增建改造后结构的安全性进行了分析。相关结论如下:
    (1)钢筋混凝土外观质量良好,未发现由于基础的不均匀沉降造成的地面与墙体开裂及其它损害情况,钢筋锈蚀程度及混凝土碳化深度均符合要求。
    (2)检测构件的现龄期混凝土抗压强度满足原设计强度要求。
    (3)结构计算分析表明,因原结构在设计计算时考虑了爆炸冲击荷载的影响,仅在现有荷载作用下,结构抗力满足要求。
    (4)承重结构的安全性等级符合要求,尚不显著影响承载力,可不采取加固措施。
    (5)现有地面建筑物未对地下结构承载力造成影响,该人防工程在现状下可安全正常使用。
    (6)对地下人防工程结构进行内力分析时,若不考虑土拱效应时结构承载力不满足要求,应在考虑土拱效应时对结构承载力做进一步分析,可较为精确的对结构承载能力进行评定。
 
参考文献:
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[2]  刘文竞,杨建中,王霓等. 某地下室上浮事故的检测鉴定及加固处理[J],工业建筑,2010,40(6):127-130
[3] 卜良桃,陈军,黎红兵. 火灾后混凝土结构检测和加固技术研究[J],工业建筑,2009,39(6):117-119
[4]  张亚欧,谷志飞,宋勇. ANSYS 有限元分析实用教程[M],北京:清华大学出版社,2004.
[5] 北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP 2000 中文版使用指南[M]. 北京:人民交通出版社,2006.
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(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:文径 尹维维 编辑  刘真 审核)
 
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