不同截面形式的波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)受力性能分析

張 琪，姬永紅，周劍敏，張穩(wěn)軍，張高樂

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300354；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津市 300354]

0 引 言

城市地下空間合理開發(fā)與利用對推動(dòng)城市的可持續(xù)發(fā)展具有促進(jìn)作用。為了有效地提升城市化水平、實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)，具有環(huán)保、長期使用和結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)的城市地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生。目前，地下綜合管廊多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。然而，混凝土結(jié)構(gòu)綜合管廊存在一定缺陷[1]：一方面，混凝土對不同環(huán)境的適應(yīng)性較差，抵抗地層不均勻變形能力較差；另一方面，混凝土預(yù)制管節(jié)運(yùn)輸不便，現(xiàn)澆管廊施工工期較長，同時(shí)也會產(chǎn)生建筑垃圾等。

近年來，波紋鋼結(jié)構(gòu)逐漸廣泛地應(yīng)用于排水系統(tǒng)、橋隧、涵洞和地下綜合管廊等工程中。波紋鋼結(jié)構(gòu)不僅具有輕質(zhì)、施工快捷、綠色環(huán)保、節(jié)約地下空間、強(qiáng)度高等優(yōu)勢，還具有較強(qiáng)的適應(yīng)變形的能力，因此能夠有效地解決由于地層不均勻沉降對綜合管廊結(jié)構(gòu)造成的破壞。該結(jié)構(gòu)斷面線型豐富，可較好地適用于不同的地質(zhì)條件[2]，主要斷面形式包括馬蹄形、圓形、矩形、橢圓形、半圓形、簸箕形等[3]。

目前，波紋鋼結(jié)構(gòu)受力性能研究已逐漸受到諸多學(xué)者關(guān)注。梁養(yǎng)輝等[4]基于試驗(yàn)工程，針對波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)管內(nèi)應(yīng)變與填土壓力變化規(guī)律展開了詳細(xì)分析。孫海波等[5]針對管拱形和圓形截面管涵在不同填土高度條件下的力學(xué)性能展開了對比分析，研究結(jié)果顯示圓管截面應(yīng)力峰值比管拱截面應(yīng)力峰值大。詹蓉[6]以波紋鋼電力隧道為研究對象，探究結(jié)構(gòu)受力變形，并得出波紋鋼隧道中下部變形較大的結(jié)論。劉剛[7]利用有限元分析軟件揭示了波紋鋼管涵結(jié)構(gòu)的受力與變形分布規(guī)律。周劍敏[8]系統(tǒng)地探究了埋深、地層條件和超載對矩形斷面波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力和變形特征的影響。但對于不同斷面形式的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力變形特征對比分析相對較少。

本文結(jié)合有限元分析軟件建立三維數(shù)值模型，分別以圓形斷面、矩形斷面和馬鞍形斷面的波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)為研究對象，揭示不同截面形式的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力性能和變形特點(diǎn)。研究成果可為今后波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。同時(shí)，在具體工程中，還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況選擇綜合管廊最優(yōu)斷面形式。

1 波紋鋼綜合管廊工程背景

依托平遙古城基礎(chǔ)設(shè)施提升改造項(xiàng)目，其地下綜合管廊工程位于平遙古城內(nèi)北大街，道路狹窄，僅有3.8～7 m，且要敷設(shè)10 kV 和0.4 kV 電力電纜、通信線纜、燃?xì)狻⒔o水、雨水和污水等多種管線。

本項(xiàng)目工程范圍內(nèi)建筑物密集，道路狹窄、線型曲折，需敷設(shè)管線種類較多。且地下空間局促，與常規(guī)設(shè)計(jì)方式存在矛盾，難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。因此，為了在需滿足國家文物保護(hù)單位的保護(hù)要求前提上實(shí)現(xiàn)狹小道路下方建設(shè)綜合管廊，本工程提出管廊小型化設(shè)計(jì)方案，其標(biāo)準(zhǔn)斷面為凈尺寸1.6 m×2.7 m的矩形斷面（見圖1）。

圖1 平遙古城北大街綜合管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

基于此，建立相同材質(zhì)、波形和凈高的管廊斷面開展不同截面形式的波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)受力和變形特征分析。其中，圓形斷面內(nèi)徑2.7 m，馬鞍形斷面凈尺寸為3.16 m×2.7 m。

2 土層-結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)：綜合管廊結(jié)構(gòu)采用Q355 波紋鋼板，質(zhì)量密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，采用線性彈性本構(gòu)模型。三維數(shù)值計(jì)算中,波紋鋼板選用殼單元結(jié)構(gòu)模擬，其波紋鋼板波形為200×55 mm（見圖2），壁厚6.5 mm，鋼板縱向?qū)挾热?.2 m 為一個(gè)管節(jié)。

圖2 有限元模型波紋鋼板斷面圖

表1 地層物理參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 不同截面形式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖3 為利用有限元分析軟件建立的圓形、矩形和馬鞍形斷面土體的結(jié)構(gòu)模型。圖4 為3 種截面形式的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由此可知，圓形斷面和馬鞍形斷面腰部處應(yīng)力值相對較大，矩形斷面結(jié)構(gòu)下方關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中較為明顯，管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)應(yīng)力相對較小。此外，縱向接縫位置易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：P a）

矩形斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值相對較小，其應(yīng)力值為46.09 MPa，與矩形斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值相比，圓形斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值增加了31.9%，應(yīng)力值為60.79 MPa。馬鞍形斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值增加近1 倍，應(yīng)力值為91.45 MPa。

3.2 不同截面形式的結(jié)構(gòu)變形

圖5 為3 種斷面形式的波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)開挖完成后土體結(jié)構(gòu)變形云圖。由此可知，圓形斷面和馬鞍形斷面的管廊結(jié)構(gòu)受土壓力作用下結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別向外擴(kuò)張，呈“橫鴨蛋”形狀。其中，馬鞍形斷面橫向變形相對較大，橫向變形峰值為4.24 mm。

圖5 結(jié)構(gòu)變形云圖（單位：m）

矩形斷面管廊結(jié)構(gòu)變形峰值主要位于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置，橫向變形量為1.84 mm 左右，而結(jié)構(gòu)兩側(cè)變形相對較小。

不同斷面形式的管廊結(jié)構(gòu)底部均向內(nèi)發(fā)生隆起變形。馬鞍形斷面變形相對較大，變形值為15.26 mm。圓形斷面變形相對較小，變形值為7.35 mm。

3.3 不同截面形式的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取中間管環(huán)各部位軸力匯總見表2。

從表3我們可以看出，在詞性、詞意和搭配錯(cuò)誤方面顯著性水平為.000，說明詞匯是區(qū)分高低分作文的顯著性因素；在篇章結(jié)構(gòu)和文章主題方面的顯著性水平達(dá)到了.021和.025,在語法和句式方面的顯著性水平為.032，拼寫方面的顯著性水平也達(dá)到了.045，均低于0.05，說明在區(qū)分高低分作文時(shí)，這些因素發(fā)揮著重要的作用。此外，我們注意到，篇章結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤數(shù)量雖然不多，但教師在批改時(shí)卻作為一個(gè)重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 結(jié)構(gòu)軸力匯總表 單位：kN

由表2 可知，圓形斷面波紋鋼綜合管廊軸力值相對較大，馬鞍形斷面波紋鋼綜合管廊軸力值次之。且兩種形式斷面結(jié)構(gòu)腰部位置軸力最大，拱肩和拱腳處結(jié)構(gòu)受力次之，其軸力值相差不大。矩形斷面波紋鋼綜合管廊軸力值相對較小，該斷面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置受力最大。

這3 種截面形式的結(jié)構(gòu)頂部和底部受力均較小。

3.4 超載作用下波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力與變形

3.4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

以馬鞍形斷面波紋鋼綜合管廊為主要研究對象，在地層結(jié)構(gòu)上加載20 kPa 超載，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6 所示。

由圖6 可知，超載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值為115 MPa，與不施加超載作用的計(jì)算結(jié)果相比，應(yīng)力值增大了25.75%，應(yīng)力峰值仍出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)腰部位置。

圖6 馬鞍形斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：P a）

3.4.2 結(jié)構(gòu)變形

圖7 為超載作用下和不施加超載作用下馬鞍形斷面波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)開挖完成后土體結(jié)構(gòu)變形云圖。從中可知，有無超載作用對結(jié)構(gòu)橫向變形規(guī)律影響不大，超載作用下結(jié)構(gòu)橫向變形增大15.25%，橫向變形為4.89 mm。

圖7 馬鞍形斷面結(jié)構(gòu)變形云圖（單位：m）

由于超載的作用，結(jié)構(gòu)呈“橫鴨蛋”變形明顯，且土層和管廊結(jié)構(gòu)豎向變形有微小變化，結(jié)構(gòu)底部隆起值略有減少，底部向內(nèi)變形13.05 mm。與不施加超載作用的豎向變形結(jié)果相比，隆起值減少14.48%，結(jié)構(gòu)頂部沉降量為3.97 mm。

3.4.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表3 為超載作用下和不施加超載作用下馬鞍形斷面波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)軸力匯總表。由此可知，超載作用對結(jié)構(gòu)軸力分布無明顯影響。結(jié)構(gòu)頂部和底部軸力值相對較小，結(jié)構(gòu)腰部軸力值最大，結(jié)構(gòu)軸力峰值增大8.48%，軸力最大值為118.9 kN。

表3 馬鞍形斷面結(jié)構(gòu)軸力匯總表 單位：kN

因此，在波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮超載作用對結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié) 語

本文以圓形、矩形和馬蹄形3 種斷面形式的波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)為主要研究對象，結(jié)合有限元分析軟件構(gòu)建三維精細(xì)化數(shù)值模型，揭示了不同結(jié)構(gòu)斷面形式對波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力與變形特征的影響規(guī)律，分析了不同斷面形式的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受圍巖壓力作用下結(jié)構(gòu)最不利受力位置，最后探討了超載作用對波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)受力性能的影響。主要研究結(jié)論如下：

（1）圍巖靜壓作用下，圓形斷面和馬鞍形斷面的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)腰部位置應(yīng)力集中較為明顯；矩形斷面波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)應(yīng)力相對較小，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)力值相對較大。

（2）圍巖靜壓作用下，圓形斷面和馬鞍形斷面的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)變形方式為橫向擴(kuò)張，其中馬鞍形斷面橫向變形相對較大。矩形斷面管廊結(jié)構(gòu)變形量最大值主要位于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置，即矩形4 個(gè)角分別向兩側(cè)擴(kuò)張，而管廊兩側(cè)橫向變形相對較小。

不同斷面形式的管廊結(jié)構(gòu)底部均向內(nèi)收縮變形，其中馬鞍形斷面結(jié)構(gòu)變形相對較大，圓形斷面結(jié)構(gòu)變形最小。管廊結(jié)構(gòu)豎向變形量比橫向變形量大，若結(jié)構(gòu)變形過大而產(chǎn)生滲漏水，嚴(yán)重則會影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、喪失結(jié)構(gòu)承載能力。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)關(guān)注波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)變形量，尤其是結(jié)構(gòu)豎向變形。

（3）圍巖靜壓作用下，圓形斷面波紋鋼管廊軸力值最大，矩形斷面波紋鋼管廊軸力值最小。圓形斷面和馬鞍形斷面的波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)軸力最大值位于結(jié)構(gòu)腰部位置，而矩形斷面波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置受力最大。因此，在矩形斷面管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)4 個(gè)角處的受力。

（4）矩形斷面波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)受力性能良好，且該斷面內(nèi)部空間利用率相對較高，適用于道路狹窄并需敷設(shè)綜合管廊的情況。

（5）超載作用對波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)的受力變形特征有一定程度影響，因此，在波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮超載作用對結(jié)構(gòu)的影響。