無橫向接頭綜合管廊標準段結(jié)構(gòu)承載力分析

■李嘉維

(陽光學院，福州 350001)

0 概述

綜合管廊[1]系于城市地下建造的一個隧道空間，將電力、通信、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，統(tǒng)一建設(shè)和管理，有效解決了因檢修破舊地下管線造成的道路重復開挖形成的“黑色污染，馬路拉鏈”等問題[2]，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。

綜合管廊結(jié)構(gòu)計算包括標準段計算和節(jié)點計算，其中尹希[3]對綜合管廊標準段設(shè)計要點進行了歸納和分類，李林軼[4]基于彈性地基上的結(jié)構(gòu)物分析方法提出了一種接近實際的彈性支撐方法，陳智強[5]等提出了抗彎剛度模型和抗彎承載力模型,對管廊的接頭設(shè)計做了詳細的研究。既有研究主要集中于對管廊模型及邊界條件的優(yōu)化，對于管廊標準段的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究尚少，尤其是無橫向接頭綜合管廊標準段。本文以廈門某共同溝為例，基于有限元軟件ANSYS，對無橫向接頭綜合管廊標準段結(jié)構(gòu)內(nèi)力及承載力驗算進行了分析和研究。

1 工程概況

廈門某市政道路一期工程A標位于集美新城中心區(qū)“三橫三縱”和悅路上，兩端各連接杏林灣路、海翔大道共同溝，全長1150.75m，共同溝布置于和悅路道路東側(cè)下方。本段共同溝在和悅路下布置，在半幅機動車道管溝頂板結(jié)構(gòu)上直接鋪設(shè)路面調(diào)平層及瀝青面層，最低覆土高度0.52m。本工程標準段為矩形箱室結(jié)構(gòu)，箱體標準段側(cè)壁、頂板、底板厚度為350mm，標準斷面寬B=5.3m，高H=4.3m，單室箱涵。市政管線共同溝內(nèi)兩側(cè)布置管線橋架或水管材支墩，支架寬度0.8m，中間為電瓶車維修通行通道寬度，要求不小于2.0m，兩側(cè)各0.5m側(cè)向凈空。共同溝內(nèi)納入電力、綜合電信、給水管、中水管、污水及其他預留等管線。雨水、燃氣管不納入共同溝內(nèi)。

2 結(jié)構(gòu)上的作用

作用于管廊結(jié)構(gòu)上的荷載類型主要有永久荷載、可變荷載、偶然荷載三種。

(1)永久荷載：土壓力、結(jié)構(gòu)主體及收容管線自重、混凝土收縮及徐變作用、預應(yīng)力、地基不均勻沉降。

(2)可變荷載：地面車輛荷載、人群荷載、地下水壓力、施工荷載、凍脹力、壓力管道內(nèi)的靜水壓力及真空壓力。

(3)偶然荷載包括：地震荷載。

2.1 荷載計算

2.1.1 頂板荷載

(1）垂直土壓力

式中：γ1、γ2、γ3分別表示瀝青混凝土、 細石混凝土和回填土的容重；h1、h2、h3表示箱涵頂上瀝青混凝土、細石混凝土和回填土的高度；Cd為開槽施工土壓力系數(shù)，一般可取1.2計算。

(2）結(jié)構(gòu)自重

式中：γ4表示鋼筋混凝土的容重；δ表示箱涵頂板的厚度。

（3）垂直活荷載

地下箱型綜合管廊與給水排水工程埋地矩形管埋設(shè)基本相同，故采用《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》附錄B中B.0.2條，按兩個以上單排輪壓綜合影響傳遞到箱涵頂?shù)呢Q向壓力標準值計算公式計算：

式中：μd為動力系數(shù)；n為車輛后排輪子總數(shù)量；Qvk為地面車輛后排車輛單個輪壓標準值（kN/m）；ai為i個車輪的著地分布長度 （m）；bi為i個車輪的著地分布寬度(m)；dbj為沿車輪著地分布寬度方向，相鄰兩個車輪間的凈距(m)；H1為行車地面至管廊頂面的高度（m），H=H1+H2+H3。

臨時荷載一般取10kPa，活荷載和臨時荷載在計算過程中取大值，兩荷載不同時存在。

（4）頂板荷載組合

將恒載和活載進行組合，根據(jù)《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中5.2.3條，土壓力荷載分項系數(shù)取1.27(有利時取1.0)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重分項系數(shù)取1.2(有利時取1.0)，地下水壓力荷載分項系數(shù)取1.27，汽車荷載分項系數(shù)取1.4，地面臨時荷載分項系數(shù)取1.4。將作用于頂板的恒載和活荷載進行組合為：

式中，qvk和臨時荷載取大值。

2.1.2 側(cè)墻荷載

（1）垂直土壓力產(chǎn)生的荷載

Kα為主動土壓力系數(shù)，對砂類土或粉土可取1/3；對粘性土可取1/3～1/4；γs′為地下水位以下回填土的有效重度(kN/m3)，可取 10kN/m3；故有：

（2）垂直活荷載產(chǎn)生的荷載

根據(jù)《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》附錄B中B.0.4條，由于垂直活荷載作用于側(cè)墻產(chǎn)生的水平荷載可按下式計算：

其中：qvk′和地面臨時荷載取大值；

（3）側(cè)墻荷載組合

將作用于側(cè)墻產(chǎn)生所有水平荷載進行組合為：

2.1.3 底板荷載

由結(jié)構(gòu)受力平衡可知，底板所受力為頂板所受荷載加上結(jié)構(gòu)自重。

式中，B為底板總寬度，G為結(jié)構(gòu)頂板荷載，P1為結(jié)構(gòu)側(cè)壁重量。

將底板所受的垂直荷載進行組合：

2.2 結(jié)構(gòu)計算分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)力學求解器

通過結(jié)構(gòu)力學求解器建模驗算，將頂板、側(cè)壁及底板的荷載施加到閉合框架上，底板設(shè)置兩個鉸支座，算出內(nèi)力圖（圖 1）。

2.2.2 有限元計算

本工程采用Ansys有限元軟件.管廊結(jié)構(gòu)的計算模型采用閉合框架模型[6]，取縱向1m的標準段為計算單元，其中綜合管廊頂板、底板、側(cè)壁墻后均為350mm，均采用Beam單元模擬其特性。本工程可簡化為平面應(yīng)變問題進行計算，邊界條件按彈簧單元支撐，考慮底板施加兩個鉸支座，四周施加荷載，由于本工程中地層土質(zhì)較好，地基反力按彈性地基梁進行計算，地基反力視為直線分布。計算結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)驗算

按照Ansys所得結(jié)果進行配筋，采用雙層雙向配筋，受力筋和分布筋均選用三級鋼筋HRB400，其中外層受力筋Φ22@100，內(nèi)層受力筋Φ20@100，分布筋Φ12@150，如圖3。主要結(jié)構(gòu)采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級S6，基礎(chǔ)素混凝土墊層采用C15混凝土。

圖1 結(jié)構(gòu)力學求解管廊內(nèi)力圖

圖2 Ansys求解管廊內(nèi)力圖

圖3 標準段面配筋圖（mm）

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010》[7]的相關(guān)規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足正截面抗彎承載力驗算、斜截面抗剪承載力驗算以及在正常使用狀態(tài)下的裂縫要求。

（1）正截面抗彎承載力驗算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010》[7]給出正截面抗彎承載力驗算公式如下：

根據(jù)ansys計算結(jié)果，選用底板截面最大彎矩394.974kN·m來進行正截面抗彎承載力驗算。可得Mμ＞394.974kN·m，其正截面抗彎正截面承載力大于底板最大彎矩設(shè)計值，滿足要求。

（2）斜截面抗剪承載力驗算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010》給出的斜截面抗剪公式如下：

根據(jù)ansys計算結(jié)果，選用底板截面最大剪力513.942kN來進行斜截面抗剪承載力驗算。可得Vcs＞513.942kN，其斜截面抗剪承載力大于底板最剪力設(shè)計值，滿足要求。

（3）裂縫驗算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010》相關(guān)規(guī)定，按荷載作用的標準組合并考慮長期作用影響計算的最大裂縫寬度公式如下：

可得，管廊的的最大裂縫寬度小于0.2mm，滿足要求。

4 結(jié)論

地下綜合管廊作為城市的“生命線”，其結(jié)構(gòu)的安全性應(yīng)引起工程界的注意。本文以廈門某共同溝為背景，結(jié)合有限元軟件ANSYS對無橫向接頭綜合管廊標準段進行計算與分析，并進行驗算，最后給出了標準斷面配筋構(gòu)造圖，為今后的共同溝計算提供了一種參考。