黃島某地區綜合管廊應力與變形的數值模擬

劉孝泰，顏慶智*，饒江

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2.勝利石油管理局供水公司，山東 東營 257000)

黃島某地區綜合管廊應力與變形的數值模擬

劉孝泰1，顏慶智1*，饒江2

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2.勝利石油管理局供水公司，山東 東營 257000)

以黃島某段綜合管廊為分析對象，利用有限元軟件ANSYS建立其三維有限元模型，綜合考慮黃島該地區土體性質、管廊施工方式、路面行人載荷和行車載荷，對管廊在正常使用階段的應力分布和位移變化進行數值模擬計算。分析結果表明，該段綜合管廊設計比較保守，材料沒有充分利用，還有進一步優化的空間；各艙室腋角處存在明顯的應力集中現象，應在結構設計時予以重視，采取措施如增加腋筋配筋率，改善其受力狀態。所得結論可為今后類似工程設計提供參考。

綜合管廊；應力分布；位移；數值模擬

0 引言

綜合管廊是指城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、熱力和燃氣等市政管線的公共隧道。推進城市地下綜合管廊建設，統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題[1-8]。

黃島地區特殊性巖土主要是素填土、軟弱土和風化基巖。勘察結果表明，擬建場地及其影響范圍內的周邊環境內未發現影響場地穩定性的巖溶、滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區、地面沉降等不良地質作用，不良地質作用不發育。文中綜合管廊全長12.8 km，管廊標準斷面采用4艙通行管溝結構(分為污水艙、水力艙、電力艙和天然氣艙)，設計結構標準斷面內尺寸為13.85 m×4.6 m，如圖1所示。利用有限元軟件ANSYS建立綜合管廊的三維有限元模型，分析綜合管廊在正常使用階段的應力與位移特點。

1 工況分析

1.1 材料參數

計算所涉及的材料主要是巖土、鋼筋、混凝土，鋼筋材料型號為HRB400、HPB300，混凝土強度等級為C45，混凝土材料參數取值見表2，鋼筋材料參數取值見表3，該段開挖深度為8 m，土斷面示意圖如圖2所示。

土體參數根據地勘報告取值見表1，地下水位取地下0.5 m。

表1 土體參數Tab.1 Parameters of soil

圖1 綜合管廊橫斷面Fig.1 Cross section of utility tunnel

圖2 土層橫斷面Fig.2 Cross section of soil

C45混凝土容重/(kN·m-3)25彈性模量E/kPa3.35×107泊松比0.2抗拉強度設計值ft/kPa1.80×103抗壓強度設計值fc/kPa2.11×104

表3 鋼筋材料參數Tab.3 Parameters of reinforcement

1.2 荷載組合

荷載組合按照《建筑結構荷載規范》GB50009-2012的相關規定計算。

γ0S=γ0(γGSGK+ψγQSQK)。

(1)

式中：γ0為結構重要性系數，因為該結構設計使用年限為100 a，故該系數取為1.1；S為承載能力極限狀態的荷載效應(內力)組合值；γG為永久荷載的分項系數，土壓力取1.27(有利時取1.0)，結構自重取1.2(有利時取1.0)，土側壓力取1.4，水壓力取1.4；SGK為永久荷載標準值的效應值，這里永久荷載包括土重力、土側壓力、結構自重；ψ為可變荷載(人+車輛荷載)的組合系數，取為1.0；γQ為可變荷載(人+車輛荷載)作用效應的分項系數，取為1.4；SQK為人+車輛荷載換算土重標準值的效應[9-11]。

1.3 荷載的計算

(1)覆土壓力

p=h·γ。

(2)

式中：h為覆土厚度，m；γ為覆土重度，kN·m-3，地下水位以下的土層采用有效重度。

(2)結構頂板自重

Q=25c。

(3)

式中：c為頂板厚度，混凝土重度25 kN/m3。

(3)土側壓力采用水土分算模型

結構頂面土側壓：

q1=[γs+10(h-s)]K。

(4)

結構底面土側壓力：

q2=[γs+10(H+h-s)]K。

(5)

結構頂面水側壓力：

q3=10(h-s)]。

(6)

結構頂面活載側壓力：

q4=P·K。

(7)

結構底面處水側壓力：

q5=10(H+h-s)]。

(8)

式中：s為地下水位距離地面高度；h為頂板上覆土厚度為；H為結構總高度；P為結構頂面活載，該荷載中的行人荷載一般按4.0 kPa計算，行車荷載一般按20 kPa計算；K為靜止土壓力系數；K=1-sinφ(由表1取值)，采用水土分算模型，水的重度取10 kN/m3，在計算側壁活荷載時，汽車荷載不考慮動力系數。

(4)水壓力

水壓力作用于結構表面，計算公式如下：

pω=γω·hω。

(9)

式中：γω為水的重度，取10 kN/m3；hω為計算點距離地下水位面的深度，m[12-15]。

2 數值模擬

2.1 建立結構計算模型

截取該工程標準段建立管廊模型，截面如圖1所示，管廊模型尺寸為13.85 m×4.6 m×20 m。管廊采用Solid單元建模，Solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發的單元。可以較好的模擬混凝土中的配筋(或玻璃纖維、型鋼等)，以及材料的拉裂和壓潰現象[16-17]。管廊模型受力如圖3所示。

2.2 計算結果分析

經數值模擬計算，管廊應力分布如圖4所示，管廊最下層各艙整體受力均勻，各個艙室的下腋角處均存在應力集中情況，其中污水管線艙和電力管線艙下腋角的應力集中情況最明顯。

具體分析情況為：水力管線艙頂板應力變化情況為中間大，沿左右兩邊方向逐漸減小，最大值為2.02 MPa，最小值為0.45 MPa。而管廊底板應力變化呈相反情況，中間位置應力最小，為0.2 KPa，最大應力值出現在兩端腋角處，為1.35 MPa。混凝土材料強度允許值為45 MPa，管廊的最大應力值遠小于規定的強度允許值。污水管線艙、天然氣管線艙和電力管線艙側壁自上往下應力逐漸增大，最小應力值為0.2 MPa，最大應力值為1.12 MPa。

圖3 結構荷載分布圖Fig.3 Distribution map of structure load

圖4 綜合管廊應力分布云圖Fig.4 Stress distribution map of utility tunnel

圖5 綜合管廊位移云圖Fig.5 Deformation diagram of utility tunnel

由圖5分析可得：管廊整體變形趨勢呈凹字形，管廊底板不變形，頂板變形由中心向左右兩邊均勻減小，水力管線艙頂板中心位移最大，位移值為0.5 mm，最小位移值為零；電力管線艙和天然氣管線艙比較穩定，整體位移接近于零；污水管線艙底板不變形，而側壁自下向上變形逐漸增大，變形范圍在0.2 mm左右。規范規定的撓度允許值是25 mm，管廊的最大位移值遠小于規定允許值，結構滿足要求。

3 結束語

經過分析得出如下結論：

(1)管廊的最大位移和最大應力均遠小于設計允許值，說明結構設計比較保守，材料沒有充分利用，結構還有進一步優化的空間。

(2)管廊各個艙室內壁腋角處出現明顯的應力集中現象，在結構設計時應適當增加腋筋配筋率。

(3)管廊上部結構比下部結構變形大，設計時應合理分配艙室大小，周圍土體對管廊產生土壓力的同時也起到一定的約束作用。

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NumericalSimulationoftheStressandDeformationfortheUtilityTunnelinHuangdao

Liu Xiaoqin1，Yan Qingzhi1*，Rao Jiang2

(1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580； 2.Shengli Petroleum Management Bureau Water Supply Company，Dongying 257000)

In this paper，a period of utility tunnel in Huangdao is taken as the analysis object，the three-dimensional element model is established by using the finite element software ANSYS.Considering the soil nature in Huangdao，the construction method of utility tunnel，the pedestrian load and the traffic load，the stress distribution and the displacement change of the tunnel in the normal use stage are numerically simulated.The analysis results show that the design is conservative，the material is not fully utilized and there are room for further optimization.There are obvious stress concentration phenomena of axil angle in each cabin，which should be paid more attention to in structural design，and measures such as increasing the wail reinforcement ratio and improving the stress state should be taken.The conclusions can provide reference for similar engineering design in the future.

Utility tunnel；stress distribution；displacement；numerical simulation

TU 990.3

A

1001-005X(2017)06-0093-04

2017-05-23

國家自然科學基金(51308510)；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(2014BSE28027)

劉孝泰，碩士研究生。研究方向：結構可靠度。

*通信作者：顏慶智，博士，教授。研究方向：結構可靠度。E-mail：yanqzhi@163.com

劉孝泰，顏慶智，饒江.黃島某地區綜合管廊應力與變形的數值模擬[J].森林工程，2017，33(6)：93-96.