型鋼混凝土地下綜合管廊力學性能模擬研究

河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056107

綜合管廊于1833 起源于法國巴黎［1］，1958 年我國第一條地下綜合管廊建設于天安門前［2］，此后，我國諸多專家對綜合管廊進行了研究：同濟大學的研究人員［3］對預應力地下綜合管廊受力性能進行研究，發現結構受力分三個過程：開裂、屈服和極限破壞，管廊的破壞荷載比標準荷載多1.37 倍。高宇甲等［4］等在對型鋼混凝土管廊模型進行靜力試驗，實驗表明：結構在豎向荷載作用下頂板的應變最大，且在使用過程中比較鋼筋混凝土管廊更容易發生張拉開裂。

目前，綜合管廊大多為鋼筋混凝土結構，為了減少后期維修費用，加快管廊建設施工速度，本課題組將型鋼混凝土試用在綜合管廊中，提出了型鋼混凝土地下綜合管廊結構。目前研究中關于型鋼混凝土地下綜合管廊的成果很少，其疲勞性能有待深入研究，本文圍繞型鋼混凝土地下管廊在長期循環車輛荷載下的力學性能展開研究。

1 型鋼混凝土地下管廊結構

型鋼混凝土管廊結構采用型鋼為主要受力部件，型鋼外包裹混凝土，并放置鋼筋網在混凝土表面之下與混凝土共同承受拉力作用。型鋼骨架可以直接在工廠進行定制，大大提高施工效率以及提高管廊結構的強度和承載力。

建立型鋼混凝土地下管廊結構有限元模型，路面取為簡化的0.5m 厚的C30 混凝土路面，路基層全部取為卵石土，忽略不同地層的影響管廊采用矩形單艙型，寬3.3m，高3.3m，管廊段長3m，管廊頂板覆土取為2m。計算模型深度和寬度均為10m，管廊選用二節點梁單元，土體與路面選用實體單元，約束計算模型底面與側面的水平和豎向位移，假定路面、土體和管廊結構材料均為線彈性材料，忽略溫度影響，對模型施加簡化車輛均布荷載。

2 型鋼混凝土地下管廊靜力分析

2.1 埋深對管廊力學特性的影響

圖1 管廊頂部豎向應力隨埋深變化

對比分析埋深為0.7m，1m，2m，3m，4m 結構的力情況。圖1 為管廊頂板豎向應力隨埋深變化圖，管廊頂板豎向應力隨埋深的發展趨勢為先小幅度減小后增大，其中管頂土壓力增加規律近似線性呈現。提取管廊頂板的附加應力峰值變化分別為：32.64%、44.56%、24.95%、20.21%，可見車輛荷載對管廊的影響隨管廊埋置深度增大而減少，若埋深繼續增大，頂板的豎向總應力則主要由土壓力控制。可以理論上最佳埋深在介于0.7m 與1.5m 之間。

2.2 車輛荷載幅值對管廊豎向位移的影響

設置車輛荷載幅值（MPa）分別為0.7、1.25、1.7、2，管廊的豎向位移（mm）隨荷載幅值的變化分別為1.51、2.73、3.59、4.75，隨著荷載的增大，管頂受到的附加位移逐步增加，在第三級到第四級荷載下的位移增量速率變大，荷載基數越大位移增大速率越大。

3 型鋼混凝土地下管廊疲勞分析

3.1 常規疲勞模型循環荷載下管廊的力學特性

施加荷載最大值為160kN 的標準車荷載作用在路面上，提取施加循環過程中頂板最大位移為：0.531mm。經過10 萬次的循環荷載后管廊最大的米塞斯應力為0.326kPa，應力管廊的性能沒有受到循環荷載的影響，此時的機動車荷載的作用遠小于能引起管廊疲勞的荷載，結構完全處于彈性工作狀態。

3.2 超重車輛疲勞荷載下管廊的力學特性

往復荷載循環1000 次后結構頂板最大塑性應變累計值為1.477×10-6。結構頂板的損傷演化規律為：從頂板受拉側中心的單元率先出現塑性損傷，隨著循環次數增加，頂板中心周圍的單元受力增大，并逐漸進入塑性工作階段。推測若繼續加載，等效塑性應變會繼續向周圍擴散，直到結構破壞，同時塑性應變最大值依舊在管廊頂板混凝土受拉側跨中中心和前側。

4 結論

（1）機動車荷載在土體中的衰減速度由大變小，車輛附加應力隨深度增加而增大，管廊結構頂部的土壓應力隨埋深增大近似呈線性增長，管頂的總應力隨埋深增大先小幅減小后增加；埋深越大，管廊頂板機動車附加位移越小。

（2）管廊附加位移隨荷載幅值增大而增加，重載車輛對結構位移的影響比荷載增幅對結構的位移的影響更大。

（3）型鋼混凝土地下綜合管廊在標準疲勞車荷載循環荷載作用下未出現塑性，在超載車輛疲勞荷載作用下產生了損傷，最大塑性應變累計值為1.477×10-6。