裝配式混凝土構件在城市綜合管廊中的應用分析

(1.南京市政管理處 江蘇 南京 210000；2.江蘇建研建設工程質(zhì)量安全鑒定有限公司 江蘇 南京 210000)

裝配式混凝土構件在城市綜合管廊中的應用分析

徐良興1楊延玉2王海東1劉勇1歐陽萌莎1

(1.南京市政管理處江蘇南京210000；2.江蘇建研建設工程質(zhì)量安全鑒定有限公司江蘇南京210000)

城市綜合管廊是將醫(yī)療、電力、通信和排水等功能集于一體的隧道工程，裝配式混凝土構件應用到管廊的施工中，可以提高工程質(zhì)量和安全水平，節(jié)約時間和經(jīng)濟成本。介紹了管廊預制拼裝結構及其連接方式，分析了裝配式混凝土結構和截面受力特征。

綜合管廊；預制拼裝；構件連接；受力

一、引言

隨著城市建設標準的提高和理念的更新，城市綜合管廊的概念應運而生。國外在十九世紀開始綜合管廊建設方面的探索，我國在建國之后開始引進國外的技術并在此基礎上進一步發(fā)展[1]。建設之初，管廊的作用主要包括給排水、通訊、電力，隨著管廊技術的發(fā)展，現(xiàn)在的管廊除了最初的作用外還囊括了醫(yī)療、燃氣以及其他市政管線等。預制拼裝構件應用到綜合管廊比現(xiàn)有的明挖現(xiàn)澆技術更加具有優(yōu)勢，不僅提高了工效，也有效保證了工程質(zhì)量。

二、管廊的優(yōu)勢

(一)避免其他管線施工影響

在城市建設過程中，尤其是在道路的施工過程中，首先要做的就是管線遷移。在城市有限的地下空間中，各種管線紛繁錯雜，不同管線施工范圍不一，就不可避免對之前埋設的管線造成損害，影響正常使用。綜合管廊就是預先留出一定的地下空間，用來埋設各種管線。因此，綜合管廊可以有效的避免某一管線施工對其它管線的影響，保證各管線安全、穩(wěn)定的運行。

(二)有利于統(tǒng)一管理

目前，國內(nèi)建設的綜合管廊是預先留出不同使用功能的獨立管倉，這樣不僅可以避免不同管線之間相互影響，也有利于不同管理、養(yǎng)護部門對專門管線進行維護。

三、裝配式混凝土結構與連接方式

(一)裝配式混凝土結構

裝配式混凝土結構是將預制的混凝土結構連接、拼裝成一個整體的受力結構。根據(jù)結構形式不同，裝配式混凝土結構可分為：裝配整體式混凝土框架結構、裝配整體式混凝土剪力墻結構，裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結構等主要結構體系。

1.裝配整體式混凝土框架結構

裝配整體式混凝土框架結構一般由全部或者部分框架梁、框架柱等采用預制構件建成的裝配整體式混凝土結構，其樓板、樓梯、外掛墻板等構件也全部或部分采用預制構件。

2.裝配整體式混凝土剪力墻結構

裝配式混凝土剪力墻結構體系有：疊合式混凝土剪力墻結構、全預制裝配式混凝土剪力墻結構。疊合式混凝土剪力墻結構是指采用疊合式的墻板和疊合式的樓板，并配合必要的現(xiàn)澆混凝土剪力墻、邊緣構件、梁、板等構件共同形成的裝配整體式剪力墻結構。

全預制裝配式混凝土剪力墻結構的內(nèi)外墻全部采用預制墻板，樓板采用疊合樓板，預制剪力墻之間的接縫采用濕法連接，水平接縫處的鋼筋可采用套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和底部預留后澆區(qū)內(nèi)鋼筋搭接連接的形式。

3.裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結構

裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結構，框架部分與裝配式框架類似，剪力墻部分可以采用現(xiàn)澆剪力墻也可采用預制剪力墻結構，若剪力墻布置成核心筒形式即形成裝配式框架剪力墻結構[7]。

(二)裝配式混凝土構件連接

1.套筒灌漿連接

將套筒埋入預制墻體底端，兩頭分別連接預制墻體縱向鋼筋和預留后插鋼筋，待后插鋼筋插入后通過灌漿孔向套筒內(nèi)部灌入高強無收縮混凝土灌漿料。兩段插筋通過與硬化后的高強灌漿料之間的黏結力和咬合力實現(xiàn)有效傳力[8]。同時，套筒內(nèi)部設置螺紋或抗剪筋以增加灌漿料同套筒之間的黏結咬合，防止灌漿料同套筒之間發(fā)生滑移破壞。

2.漿錨搭接連接

漿錨搭接是目前工程界廣泛使用的間接鋼筋搭接方式，形式較多，包括螺旋箍筋約束的套筒漿錨搭接，抽芯成孔留洞漿錨搭接，波紋管漿錨搭接，螺旋箍筋約束波紋管漿錨搭接等。

四、不同結構受力對比

裝配式混凝土應用時主要考慮混凝土的強度、剛度和穩(wěn)定性。假設不同裝配式混凝土結構的結構尺寸、材料和環(huán)境相同，則結構的強度和剛度之間的差異可以忽略不計，本節(jié)重點分析結構的穩(wěn)定性。裝配式混凝土構件在房屋建筑工程和水利工程(箱涵除外，可以看做具有單一使用功能的管廊)中橫向受力條件與其在綜合管廊中的橫向受力條件不一樣。這就導致了整體結構和構件截面受力情況不一樣。

(一)整體結構受力分析

根據(jù)實際工程中管廊所處的地下條件，分析管廊受力情況，管廊受力如圖1所示。

圖1 管廊整體受力圖

房屋建筑整體結構中樓板受到上部荷載P1，底板受到地基反向承載力P2；管廊總體結構而言，頂板受到上部壓力P1，底板受到下部地基反向承載力P2，豎向側墻受到周圍側向土壓力P3和P4。考慮地震荷載和風荷載的情況下，房屋建筑結構沒有側向土壓力作用，而管廊結構則受到側向土壓力的約束作用。當考慮地震荷載和風荷載時，該兩種荷載對房屋建筑結構穩(wěn)定性更加不利。

選取房屋建筑結構和管廊結構中一個側墻進行最不利穩(wěn)定性分析，即垂直于側墻的穩(wěn)定性分析。根據(jù)結構整體受力情況，可以將房屋建筑結構中側墻簡化成一端固定連接，一端自由連接的受力桿件，其長度系數(shù)μ=2；將管廊結構中側墻簡化成一端固定連接，一端鉸接連接的受力桿件，其長度系數(shù)μ=0.7。根據(jù)歐拉公式分別計算出房屋建筑結構和管廊結構的的穩(wěn)定承載力[10]。利用歐拉公式計算桿件的臨界壓力Pcr，如公式1所示。

式1

式中：E為桿件的剛度系數(shù)；

I為桿件的慣性矩；

μ為桿件的長度系數(shù)。

根據(jù)歐拉公式可以計算出相同結構尺寸及材料的情況下，管廊結構的臨界壓力大于房屋建筑結構的臨界壓力，所以管廊結構的穩(wěn)定性比房屋建筑結構的穩(wěn)定性高。當考慮風荷載與地震的水平荷載作用時，其對房屋建筑結構的穩(wěn)定性更加不利。

(二)混凝土截面受力

取綜合管廊結構和房屋建筑結構頂板中部混凝土截面進行受力分析：管廊結構頂板受到頂部豎向均布荷載和橫向荷載作用，而房屋建筑結構頂板只受到豎向荷載作用。所以房屋建筑結構截面上部受到壓力作用，而下部由于彎矩而受到拉力作用，頂板截面受力如圖2(a)所示，其中h1為受壓區(qū)高度、h2為受拉區(qū)高度。當綜合管廊頂板側向土壓力作用小于截面拉力作用時，其截面受力情況如圖2(b)所示。

圖2 頂板截面受力圖左(a)、右(b)

由此可見，在同樣的結構和材料情況下，房屋建筑結構截面受壓區(qū)高度小于綜合管廊頂板截面受壓區(qū)高度，房屋建筑結構截面受拉區(qū)高度大于綜合管廊頂板截面受拉區(qū)。由于假設兩種結構中鋼筋的配置情況相同，所以不考慮鋼筋配置對截面受壓區(qū)和受拉區(qū)高度的影響。當兩者的豎向撓度相同時，前者的混凝土裂縫寬度大于后者，對結構安全更加不利。

因此，裝配式混凝土結構尺寸和材料相同的情況下，綜合管廊結構的穩(wěn)定性和截面受力性能比一般房屋建筑結構更好。

五、管廊與裝配式混凝土結合優(yōu)點

(一)管廊與套筒灌漿技術

由4.2節(jié)可知，截面靠近中性層部位承受拉力和壓力比截面邊緣部位小。將裝配式混凝土中的套筒灌漿技術應用到綜合管廊中時，在兩側混凝土套筒中間澆筑混凝土，具有兩方面的優(yōu)勢。

1.保證質(zhì)量

裝配式混凝土套筒大多在混凝土預制廠預制。混凝土預制廠良好的的養(yǎng)護環(huán)境可以保證裝配式混凝土套筒的質(zhì)量，而套筒置于截面邊緣，承受力的作用比較大。可以使管廊的質(zhì)量得到保證。

2.節(jié)約材料和經(jīng)費

在灌漿時，可以利用中性層部位受力較小的特點，適當降低混凝土強度，節(jié)省了水泥等用料，進而節(jié)約了工程的經(jīng)費支出。

(二)結構受力

與房屋建筑結構和其他用途結構相比，綜合管廊結構承受側向土壓力的作用，可以提高綜合管廊結構整體的穩(wěn)定性。

裝配式構件在組裝時，需要考慮的一個重要因素就是整體穩(wěn)定性。因此，將兩種技術結合起來，可以優(yōu)勢互補。

(三)施工方面優(yōu)勢

裝配式混凝土應用到綜合管廊中，主要有兩個施工方面的優(yōu)勢。

1.節(jié)省地下作業(yè)空間

綜合管廊多規(guī)劃在城市人口密集、土地使用緊張的地方，這就決定了綜合管廊在施工時必須利用有限的作業(yè)空間。施工時，綜合管廊地坑開挖的空間有限，地下模板作業(yè)受到限制，使用裝配式混凝土構件可以很好的解決這個問題。

2.加快施工速度

綜合管廊的另一個特點是時間緊，因此施工速度至關重要。裝配式混凝土的應用，可以有效的減少支模等工序，還可以將構件預制與其他現(xiàn)場施工工序同時進行，進而節(jié)約施工時間；此外，還可以節(jié)省勞動力成本，進而減少開支。

六、結論

相對于其他用途結構而言，將裝配式混凝土結構應用到管廊中可以有效的將二者的優(yōu)勢結合起來。裝配式混凝土技術與綜合管廊聯(lián)合應用還處于起步階段[5]，將裝配式混凝土應用到綜合管廊中是一種趨勢。本文通過分析，得出以下三點結論：

(1)綜合管廊的使用條件決定了其結構比房屋建筑等其他一般結構更具有穩(wěn)定性，可以彌補裝配式混凝土結構穩(wěn)定性不足的缺陷。

(2)裝配式套筒灌漿技術的應用，可以使綜合管廊質(zhì)量得到保證的同時，節(jié)省材料方面的支出。

(3)綜合管廊施工空間有限、時間緊迫，裝配式混凝土構件減少了支模等工序，需要的作業(yè)空間小，并且節(jié)約施工時間。

[1]賈志恒,陳戰(zhàn)利,李雯琳.城市地下綜合管廊的現(xiàn)狀及發(fā)展探索[J].江西建材，2016(12)：6-7.

[2]王靖.城市地下綜合管廊建設研究及裝配式鋼制綜合管廊應用初探[J].中國勘察設計，2017(07):100-103.

[3]何潔,何勇.淺談綜合管廊在市政工程中的應用[J].建筑與預算，2014(01):30-32.

徐良興(1984.02-)，男，江西廣豐人，本科學歷，工程師，副科長，主要從事市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督和市政工程領域研究工作。

楊延玉(1992.12-)，男，從事土木工程材料領域研究。