城市綜合管廊人防井蓋優化設計研究★

蔣林佑 趙旭東 陳一村

(陸軍工程大學,江蘇 南京 210007)

綜合管廊是指用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的地下構筑物[1]。由于綜合管廊同時綜合了多種生命線，其在平時和戰時的安全性因此變得尤為重要，必須考慮人民防空的要求[2]。根據現代戰爭對生命線體系的打擊，直接打擊對象并非城市的電力、通信、燃氣等市政管線，而是整個體系中的關鍵生產節點和配送節點，比如發電站、通信交換中心、天然氣門站、儲配站等。因此在防護定位中，收納這些管線的綜合管廊一般不考慮直接打擊，而主要考慮沖擊波間接毀傷，且防護等級一般定為核6級、常6級[3,4]。

綜合管廊按使用功能可以分為主體廊道結構和口部。對于防護沖擊波間接毀傷，主體結構埋置于地下，有上覆土層遮蔽，安全性較好，主體結構按平時設計要求配筋一般可滿足核6級、常6級防護要求。口部是主體結構與地面的連接點，戰時易受爆炸產生的沖擊波破壞，因而是綜合管廊人防設計的重點[4]。

口部主要包括檢查口、投料口等，其防護設備是人防井蓋。由于必須要考慮沖擊波正負壓的影響，常規市政井蓋的設計方法不能直接應用于人防井蓋。針對人防荷載的作用特點，作者研究了井蓋的結構尺寸對井蓋質量、井蓋最大應力的影響，并在此基礎上對人防井蓋的結構進行了優化。

1 綜合管廊人防井蓋優化背景

1.1 優化目標

本研究主要從經濟性和安全性上考慮人防井蓋的結構優化，優化目標設為井蓋總質量m和井蓋最大應力f。優化目的是在保證井蓋最大應力f不超過容許應力σ=250 MPa的前提下，盡可能減小井蓋總質量m和井蓋最大應力f，同時期望井蓋應力分布較為均勻，以利于充分發揮鋼材的力學性能。

1.2 控制參數

影響優化目標的控制參數是人防井蓋的結構尺寸，包括蓋板厚度h1、圓肋高度h2、內圈圓肋計算直徑d1、內圈圓肋肋寬Bd1、放射肋肋寬Br，見圖1。

人防井蓋的原設計參數為：

井蓋直徑φ=1 000 mm，外圈圓肋肋寬Bd2=20 mm，放射肋圓心夾角45°，人防井蓋總質量130.4 kg。其他結構尺寸如表1所示。

表1 人防井蓋的初始結構尺寸

2 力學分析

2.1 力學模型

人防井蓋放置在井座上，可視為周邊簡支圓板，根據《城市道路設計規范》，井蓋所受荷載是均勻作用于井蓋上的荷載圓[5]。鑒于綜合管廊沒有專門的人防設計規范，這里根據《人民防空地下室設計規范》，按防核武器抗力級別6級考慮。人防井蓋受沖擊波正壓時的等效靜荷載參照規范中室外豎井頂板的受力情況，取0.2 MPa，人防井蓋受沖擊波負壓時的等效靜荷載依據工程經驗，取0.05 MPa，井蓋加載方式為在其蓋板上表面施加均勻的面荷載。

當受沖擊波正壓時，人防井蓋的外圈圓肋與井座處接觸，約束外圈圓肋下表面x,y,z三個方向的位移。當受沖擊波負壓時，人防井蓋依靠插入井座的銷軸保持其固定狀態，約束銷軸x,y,z三個方向的位移。

本研究采用Inventor對井蓋進行有限元分析。設人防井蓋的制作材料為鋼材，對應于Inventor材料庫中的鑄造鋼，其容許應力σ=250 MPa，受沖擊波作用時，人防井蓋上出現的最大應力必須小于鑄造鋼的容許應力。

2.2 計算分析

2.2.1蓋板厚度h1

蓋板質量在井蓋總質量中占比過半，減小蓋板厚度，將有效減少人防井蓋的總質量。圖2表示人防井蓋在不同板厚條件下井蓋最大應力的變化情況。當板厚由10 mm增加至14 mm時，受沖擊波負壓時井蓋的最大應力降幅顯著，當板厚由14 mm增加至20 mm時，井蓋最大應力的降低趨勢相比之前明顯放緩，而受沖擊波正壓時，板厚變化對井蓋最大應力的影響比較平滑，見表2。

表2 不同板厚下井蓋的應力值和總質量

2.2.2圓肋高度h2

井蓋的肋分為圓肋和放射肋。圓肋高度對井蓋剛度的影響很大，確定合適的肋高，可以減少井蓋的變形量。圖3表示圓肋高度變化時，人防井蓋最大應力的變化情況。可以看到，圓肋高度對最大應力的影響比較均勻，近似線性變化，見表3。

表3 不同圓肋高度下井蓋的應力值和總質量

圓肋高度h2/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質量m/kg46231.0245.6126.348218.7234.1128.450206.2223.7130.552194.8212.6132.554185.3203.1134.656179.3194.6136.7

2.2.3內圈圓肋計算直徑d1

當直徑d1增大至一定范圍時，內圈圓肋將遠離蓋板中心，應力峰值將顯著增大。合理的圓肋直徑有利于井蓋應力分布的均勻性。

當受沖擊波正壓，圓肋直徑為140 mm～220 mm時，應力峰值出現在圓肋內側一邊，且隨直徑增大變化較緩。當圓肋直徑從220 mm增加到240 mm時，圓肋外側應力值逐漸超過內側應力值，應力峰值出現在圓肋外側一邊，并且相比內側應力值增加速度較快。當受沖擊波負壓時，應力峰值出現在插銷座底部與蓋板連接處，在圓肋直徑為140 mm～160 mm時，應力峰值增加較快，此后隨著圓肋直徑增加，插銷座底部的應力峰值增加幅度變小,見圖4，表4。

2.2.4內圈圓肋肋寬Bd1

肋寬和肋高同為肋的截面尺寸參數，二者相互影響，決定了肋的形狀和承載能力。固定肋高h2=50 mm，受沖擊波正壓作用，當內圈圓肋肋寬Bd1從16 mm增加到22 mm時，人防井蓋最大應力下降了26.5%，而當內圈圓肋肋寬Bd1從16 mm增加到26 mm時，最大應力僅下降了34.2%。因此，當內圈圓肋肋寬Bd1≤22 mm時，肋寬的增加能有效降低應力峰值。當受沖擊波負壓作用時，肋寬變化對井蓋最大應力影響較小，見圖5，表5。

表4 不同內圈圓肋計算直徑下井蓋的應力值和總質量

內圈圓肋直徑d1/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質量m/kg140193.9206.8130.9160201.1221.0130.7180205.8220.1130.6200209.7223.5130.5220209.9222.9130.3240226.3226.6130.2

表5 不同內圈圓肋肋寬下井蓋的應力值和總質量

內圈圓肋肋寬Bd1/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質量m/kg16259.3237.4129.618232.1222.3130.020209.7223.5130.522190.7227.4130.924184.0224.6131.326170.5221.9131.7

2.2.5放射肋肋寬Br

繼續固定肋高h2=50 mm，受沖擊波正壓作用時，人防井蓋最大應力出現在內圈圓肋上。隨著放射肋肋寬Br的增加，內圈圓肋上的最大應力值也在緩慢增加，這是因為放射肋與內圈圓肋共同承擔了沖擊波的作用，而其中內圈圓肋將承擔主要的壓力。當放射肋肋寬Br增加時，意味著內圈圓肋肋寬Bd1的相對減少，從而內圈圓肋上的應力值將增大。受沖擊波負壓作用時，應力峰值出現在插銷座底部與蓋板連接處。當放射肋肋寬Br≤20 mm時，隨著肋寬的增加，插銷座底部的最大應力持續減小，此后趨于穩定，見圖6，表6。

3 優化建議

經過對蓋板厚度h1、圓肋高度h2、內圈圓肋計算直徑d1、內圈圓肋肋寬Bd1、放射肋肋寬Br五個結構參數的研究，在考慮經濟效益的同時保證一定的安全富余，確定h1=10 mm,h2=48 mm,d1=180 mm,Bd1=18 mm,Br=20 mm。相比較原設計方案的人防井蓋總質量130.4 kg，優化后的井蓋總質量為115.8 kg，下降了11.24%。優化方案充分發揮了鋼材的力學性能，從而節省了材料。

表6 不同放射肋肋寬下井蓋的應力值和總質量

4 結語

本研究采用Inventor對人防井蓋進行有限元分析，得出了在沖擊波正壓和負壓兩種情況下井蓋結構參數對人防井蓋承載力的影響規律，從而對井蓋設計方案進行了優化，在滿足承載力的條件下使井蓋總質量下降了11.24%，取得了較好的經濟效益。

Researchonoptimaldesignofthemanholecover