安裝偏角對城市綜合管廊支架受力影響分析★

許廣州 董 聰 楊會兵 曹廣勇石仁生 陳開軍 魏國強 阮 磊 翟朝嬌

(1.合肥福臨工程監理有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽建筑大學建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；.合肥高新區綜合管廊建設辦公室，安徽 合肥 230088； 4.上海新光工程咨詢有限公司，上海 200437)

0 引言

我國許多城市市政管線都埋在地下表面，造成地下空間擁擠和混亂，為了使城市地下空間資源充分得到利用，地下綜合管廊應運而生。國內外關于綜合管廊支架有不少研究，仲良[1]對綜合管廊支架選用和受力計算進行了研究，王智文[2]和史偉偉[3]詳細介紹了綜合管廊中裝配式支架安裝工藝和要求，薛達[4]通過有限元分析軟件研究了冷彎C型鋼梁在彎矩和扭矩共同作用下的受力性能。城市綜合管廊一般設計使用年限為100年，管廊支架在地下潮濕的環境中受長時間的荷載，經常會發生支架塌落，而裝配不規范產生的偏角會加劇這種情況的發生。本文通過實驗還原了現實施工中的安裝偏角，研究了安裝偏角對城市綜合管廊支架受力影響，并通過ABAQUS有限元分析軟件模擬驗證試驗的準確性，并提出了幾條建議。

1 實驗

1.1 工程背景

本項目位于合肥市高新區，建設內容包括綜合管廊工程和入廊污水管線，總投資20.90億元。其中綜合管廊工程總長20.29 km，位于明珠大道等共7條道路，主要建設內容為管廊主體以及配套的電氣、監控、照明、檢測、給排水、消防、通風、控制中心等工程，建成后滿足區域電力、通信、給水、再生水、供熱、污水及燃氣等管線的敷設需求，其建設狀況如圖1所示。

1.2 實驗內容

綜合管廊支架體系主要為管廊內的管道及橋架起到支撐及固定作用，傳統的地下室及地道內的支架大多采用后錨固法施工，即先在施工現場加工支架，再通過膨脹螺栓與結構進行固定。由于現場安裝過程存在偏差，兩個固定螺栓所在直線與垂線出現偏角，支架截面在豎直方向出現偏轉，示意圖如圖2所示。我們分別在100 N,150 N和200 N的荷載下選取0°，5°，10°，15°和20°的偏斜角度進行實驗。

1.3 實驗步驟

1)根據數值計算結果在固定端卷邊上部和固定端支架下部開孔處粘貼電阻應變片并連接動態應變儀來計算應力變化，焊腳處無法粘貼應變片僅進行數值模擬，如圖3所示；在梁懸臂端的上方將激光位移計固定，位移計與梁懸臂端的距離約為10 cm處，在梁懸臂端上選取一點并將激光對準該點，來測量支架懸臂端撓度變化。

2)將支架用膨脹螺栓固定在垂直混凝土墻上，通過改變膨脹螺絲位置來改變安裝偏角，偏角分別取0°，5°，10°，15°和20°。

3)在施加載荷之前，按一次應變儀面板上的“平衡”按鈕(調零)并記錄激光位移計的讀數，然后開始用砝碼給支架添加三個荷載并在應變儀上讀取并記錄相應的各點處應變計的讀數和變化后激光位移計的讀數，如圖4所示。

4)分別在100 N,150 N和200 N的荷載下進行實驗。實驗至少做兩遍，取線性較好的一組作為本次實驗的數據。

2 數值模擬方法

2.1 模擬內容

我們分別取0°，5°，10°，15°和20°的偏斜角度，用ABAQUS[5]進行數值模擬，得出在荷載作用下偏角對支架撓度的影響，求出最大應力點得到最危險截面。然后與實驗進行對比得到結論。

2.2 模型建立

簡支梁長0.7 m，由C字型鋼與底座焊接而成，支架下部有橢圓形開孔。橫截面尺寸如圖5所示，材料選用Q235碳素鋼材料，其性質如表1所示。

表1 材料性質

以HYAT型通信電纜中重量最重的電纜為理論計算荷載，理論計算取最大間距1 500 mm，為保證預留荷載余量，荷載按100 N,150 N和200 N計算，分別取0°，5°，10°，15°和20°的偏轉角度進行模擬。

2.3 模型假定

1)管廊支架固定端由螺栓固定，沒有位移和轉角，假定支架固定端為完全固結狀態，簡化為懸臂梁進行計算。

2)假設在管廊支架上放置三排電纜，其荷載在實際運用中為線荷載，截取一段線荷載將其假定成集中荷載作用在管廊支架上。

2.4 分析結果

在模擬中選取正常安裝和10°偏角，支架上施加三個150 N的集中荷載，分析得到Mises應力圖。在正常安裝時支架向下發生彎曲，如圖6所示，Mises應力最大值50.87 MPa，出現在支架下部靠近固定端橢圓開孔處的中間位置；在支架上部的對應位置為上部應力最大點，Mises應力最大值為41.87 MPa，應力沿支架方向向兩端逐漸減小，兩點連線所在與軸線垂直的截面為應力最大平面，如圖7所示；懸臂端撓度為1.02 mm。

當安裝出現沿順時針方向10°偏角時，支架在出現向下彎曲的同時也出現了扭轉變形，如圖8所示，Mises應力最大值為68.09 MPa，出現在支架右下角焊接處，應力分布集中；在支架右上角內側的焊接處為上部應力最大點，Mises應力最大值為62.21 MPa，冷彎C字型鋼與底座焊機平面為應力最大截面，如圖9所示，應力沿支架方向向懸臂端逐漸減小；懸臂端豎向最小撓度為0.97 mm。

3 試驗結果與模擬實驗對比分析

結合試驗與數值模擬結果，得出以下結論:

1)隨著偏轉角度的增大，懸臂端撓度先減小后增大。為了說明此現象，我們在CAD中畫出橫截面以質心為原點建立坐標系，隨著偏角的增加截面慣性矩I如表2所示。

表2 截面慣性矩

由抗彎剛度W=EI可知,彈性模量E只與材料組成及其型號有關，故抗彎剛度與慣性矩呈正相關。由表2可得隨著偏轉角度的增加豎向抗彎剛度增加水平抗彎剛度減小，與實驗與數值模擬中0°～10°的懸臂端撓度變化與理論計算符合；10°～20°的懸臂端撓度變化隨著角度的增大而略微增大，這是由于支架的扭轉變形導致的。仲良[1]提出荷載下支架的形變不能超過L/100，其中L為懸臂梁長度。而實驗中最大撓度為4.07 mm小于規定里的7 mm，故在僅有的荷載下支架的形變仍在允許范圍內，但偏角不宜超過10°(見圖10)。

2)在正常安裝時支架卷邊的最大應力出現在靠近固定端的上部，支架下部最大應力出現在靠近固定端的開孔部分，下部應力大于上部應力。當安裝出現偏角后支架卷邊的最大應力處出現在偏轉方向一側的卷邊上部，支架下部最大應力出現在偏轉方向一側的開孔處，上部應力大于下部應力。由圖11，圖12可以看出隨著偏轉的增大在0°～5°時卷邊上部的應力增加比較緩慢，5°以后應力快速增加，而支架下部應力增加比較平穩。

3)在正常安裝時焊腳處應力較小，隨著轉角度的出現焊腳處的應力迅速增大，偏轉方向一側的卷邊內側焊腳成為支架上部最大應力處，偏轉方向一側的下部焊腳成為支架下部最大應力處，且下部焊腳應力大于卷邊焊腳，隨著角度的增加應力增加變緩慢，見圖13。

4 誤差分析

通過比較，ABAQUS有限元數值分析能夠得到與實驗基本相符的結果，但是兩種方法計算的結果存在部分差異，經過分析可能原因有以下幾點：

1)模擬中有限元單元假設具有均勻、各向同性、單元間接觸形式統一的特點，而實際工程中支架材料結構較為復雜，C字型鋼與底座焊接處存在焊接殘余應力，支架可能存在幾何缺陷導致應力分布的改變，無法通過有限元建模完整呈現出來。

2)模型建立中假設固定端完全固定，而實驗和工程實踐中僅靠兩根螺栓無法實現完全固定，故導致模擬撓度和實驗撓度差別較大。

5 結論

本文通過實驗還原了現實施工中的安裝偏角，在100 N,150 N和200 N荷載下分別取了0°，5°，10°，15°和20°的偏轉角度進行了實驗，并用ABAQUS進行數值模擬比較，可得到以下結論：

1)懸臂端豎向撓度隨著偏轉角度先減小后增加。

2)在正常安裝情況下應力最大值出現在支架下部靠近固定端橢圓開孔處的中間位置，隨著偏轉角度的增加，應力最大處出現在偏轉方向一側的下部焊腳，而且應力大于正常安裝時的最大應力，應力分布更為集中。

3)綜合實驗和ABAQUS數值模擬發現，懸臂端撓度在10°時最小，各點應力在正常安裝下最小，在偏角大于5°時應力增長較快，所以安裝時應盡量減少偏角的發生，如果有偏角的存在應控制在5°范圍內。

解決安裝偏角問題的關鍵在于預防。施工單位在進行施工時應嚴格按照規范要求進行，當偏角大于5°時應重新安裝支架；當偏角小于5°時，支架長時間在潮濕環境中工作，支架焊接處因難以防腐導致非常容易破壞，故應對焊接處做重點防腐處理，如涂覆防腐材料[6]。當焊腳處出現腐蝕時應及時更換新的支架，以防止支架發生塌落。