綜合管廊交叉口中隔壁板對(duì)框架受力影響分析

徐佳為

[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]

0 引言

綜合管廊是21 世紀(jì)新型城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。通過綜合管廊的設(shè)計(jì)形式解決傳統(tǒng)直埋敷設(shè)方式因管線增容造成城市道路反復(fù)開挖，進(jìn)而影響城市景觀的現(xiàn)象。近年來對(duì)綜合管廊的研究越來越多，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]的研究主要集中在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[2]、預(yù)制裝配式管廊技術(shù)參數(shù)值[3-4]和荷載取值[5]等方面，對(duì)管廊特殊節(jié)點(diǎn)[6]，如通風(fēng)口、吊裝口、交叉口等的研究比較少。

本文將以某工程交叉口節(jié)點(diǎn)為例，來分析交叉口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一些難點(diǎn)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防水占有非常重要的地位。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往不通過強(qiáng)度控制，而是通過裂縫控制，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是采用正常使用極限狀態(tài)下的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合來進(jìn)行分析，滿足工程的耐久性和安全性要求。

1 工程概況

某城市三條道路的地下綜合管廊在道路交叉口，相交節(jié)點(diǎn)采用上下兩層垂直相交方案，平面布置簡(jiǎn)圖見圖1。其中，處于上層的管廊為北側(cè)的單層單艙和南側(cè)的單層雙艙管廊。北側(cè)單艙為綜合艙，標(biāo)準(zhǔn)斷面布置見圖2。南側(cè)雙艙為熱力艙和綜合艙，標(biāo)準(zhǔn)斷面布置見圖3。位于下層的管廊為東側(cè)的單層雙艙管廊，雙艙分別為熱力艙和綜合艙，標(biāo)準(zhǔn)斷面布置見圖4。

圖1 交叉口平面布置簡(jiǎn)圖

圖2 綜合管廊1 標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

圖3 綜合管廊2 標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

圖4 綜合管廊3 標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

管廊交叉口位于綠化帶下，頂板覆土約為2.5 m。根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50838—2015）的相關(guān)規(guī)定，本構(gòu)筑的安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100 a，混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C 35。由于交叉口埋深大于10 m，抗?jié)B等級(jí)取P8。主體結(jié)構(gòu)裂縫控制等級(jí)為三級(jí)（0.2 mm），綜合管廊防水等級(jí)為二級(jí)。主筋采用H R B 400 級(jí)鋼筋?？垢∷徊捎玫乇硐? m。

根據(jù)地勘報(bào)告和孔點(diǎn)分析，該交叉口底板所處土層為⑧層黑灰色粉質(zhì)黏土夾砂，地基承載力特征值見表1。

表1 地基土承載力特征值

2 荷載取值

管廊工程荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、頂板覆土壓力、水土側(cè)壓力、活荷載和水浮力。這些荷載可分為恒荷載和活荷載兩大類。恒荷載包括自重、頂板覆土壓力、水浮力和水土側(cè)壓力?；詈奢d包括地面超載、超載側(cè)壓力和中板活載。

根據(jù)施工階段和使用階段受力狀態(tài)，將管廊節(jié)點(diǎn)的受力分為表2 所示3 個(gè)工況。由于地下工程基本以裂縫作為控制條件，因此主要考慮正常使用極限狀態(tài)下的工況。

表2 綜合管廊荷載工況

3 交叉口模板確定

由于上下層管廊內(nèi)的管線有交叉需求，現(xiàn)將交叉需求總結(jié)如下：

（1）下層?xùn)|側(cè)熱力艙的熱力管2×DN 500 需要接入上層南側(cè)熱力艙。

（2）上層北側(cè)的綜合艙電力電纜2×66 kV、給水管DN 500 和通信線纜需要接入下層?xùn)|側(cè)綜合艙。

根據(jù)管線交叉的需求，需要在交叉口中板開洞。同時(shí)由于電力電纜、熱力管等轉(zhuǎn)彎半徑有相關(guān)規(guī)定，在滿足轉(zhuǎn)彎半徑要求的同時(shí)，管線交叉過程中不會(huì)相互碰撞。由此得出交叉口模板圖（見圖5 至圖7）。

圖5 交叉口底板布置圖（單位：mm）

圖6 交叉口中板布置圖（單位：mm）

圖7 交叉口頂板布置圖（單位：mm）

4 節(jié)點(diǎn)分析計(jì)算

本文采用通用有限元設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，單元網(wǎng)格采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，將土模擬成單向彈簧對(duì)底板進(jìn)行約束。

對(duì)交叉口節(jié)點(diǎn)分析一般采用X 向和Y 向各取一榀框架獲得二維簡(jiǎn)化模型來計(jì)算交叉口的梁柱配筋，通過三維精細(xì)模型來計(jì)算各壁板和頂中底板配筋。由于在二維模型中并未考慮壁板對(duì)框架的相關(guān)影響，可能使結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此本文著重在三維精細(xì)模型的計(jì)算結(jié)果中提取一榀帶中隔壁板的框架，與二維簡(jiǎn)化模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出壁板對(duì)框架的影響，從而對(duì)今后的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。

4.1 二維模型

交叉口的二維簡(jiǎn)化模型截取X 向和Y 向一個(gè)柱距范圍內(nèi)的底板、中板、頂板、壁板、底梁、中梁、頂梁和框柱，形成一榀框架，并忽略底中頂板的翼緣作用，不考慮壁板對(duì)框柱的加強(qiáng)作用。結(jié)構(gòu)底板與地基土之間采用桿彈性地基，只提供向上反力，地基土基床系數(shù)取10 000 kN/m3，得出簡(jiǎn)化計(jì)算模型（見圖8）。

圖8 交叉口二維計(jì)算模型（單位：cm）

4.2 三維模型

以變形縫為界，建立整個(gè)交叉口的三維模型。結(jié)構(gòu)板單元采用殼單元，梁柱采用桿單元，設(shè)定網(wǎng)格屬性，以0.5 m作為網(wǎng)格劃分的最小尺寸進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,并進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理，滿足工程設(shè)計(jì)的需求。變形縫處提供水平向約束，底板采用單向彈性地基，具體三維模型見圖9。

圖9 交叉口三維計(jì)算模型

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

由于本文著重中隔壁板對(duì)框架計(jì)算的影響，因此對(duì)三維模型中的頂中底板和外壁板內(nèi)力分析不再展開，僅著重分析二維框架模型和帶中隔壁板的三維模型中相同位置的一榀框架的受力情況。根據(jù)X向和Y 向一榀框架的荷載和約束情況，通過有限元軟件計(jì)算得出在高水位、低水位和抗浮工況下一榀框架的彎矩包絡(luò)圖（見圖10、圖11）。

圖10 交叉口X 向一榀框架彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖11 交叉口Y 向一榀框架彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

通過三維模型中截取X 向和Y 向的帶中隔壁板一榀框架，可以得出X 向和Y 向框架的模型簡(jiǎn)圖（見圖12、圖13）。由荷載和約束條件，通過有限元軟件計(jì)算得出在高水位、低水位和抗浮工況下一榀框架的彎矩包絡(luò)圖（見圖14、圖15）。

圖12 交叉口X 向帶中隔壁板一榀框架計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：cm）

圖13 交叉口Y 向帶中隔壁板一榀框架計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：cm）

圖14 交叉口X 向帶中隔壁板一榀框架彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖15 交叉口Y 向帶中隔壁板一榀框架彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

通過圖10、圖11 與圖14、圖15 的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：

（1）帶中隔壁板框架中的梁柱彎矩明顯小于不帶中隔壁板框架中的梁柱彎矩。其中，X 向帶中隔壁板的一榀框架底梁和邊柱最大彎矩為539 kN·m，Y 向帶中隔壁板的一榀框架底梁和邊柱最大彎矩為682 kN·m。而不帶中隔壁板的相同位置一榀框架的底梁和邊柱最大彎矩分別為1 937 kN·m 和1 367 kN·m。X 向差3 倍，Y 向差1 倍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是頂中底板在框架中可以充當(dāng)框架梁的翼緣作用，可以增大梁的慣性矩，減小梁產(chǎn)生的彎矩。中隔壁板中的框柱在平面內(nèi)變形受到壁板的制約，壁板和框柱協(xié)同作用分擔(dān)了框架柱大部分的彎矩，因此框柱的彎矩也相應(yīng)減小。

（2）帶中隔壁板的底框架梁在中柱位置的彎矩與相同位置沒有中隔壁板的底框架梁彎矩方向正好相反。其中，X 向帶中隔壁板的底框架梁中柱位置的彎矩為94 kN·m（上部受拉），Y 向帶中隔壁板的底框架梁中柱位置的彎矩為29 kN·m（上部受拉）。而不帶中隔壁板的相同位置底框架梁中柱位置的彎矩分別為553 kN·m（下部受拉）和429 kN·m（下部受拉）。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在沒有中隔壁板時(shí)，中柱對(duì)底梁相當(dāng)于支座約束，底梁在中柱位置會(huì)產(chǎn)生反彎點(diǎn)；而當(dāng)有中隔壁板時(shí)，由于梁柱和中隔壁板的協(xié)同作用，中柱在平面內(nèi)的剛度明顯弱于中隔壁板，中柱無法起到支座約束的作用，底梁中梁和中隔壁板整體形成深梁的結(jié)構(gòu)，在中柱位置不會(huì)產(chǎn)生反彎點(diǎn)，因此中柱位置在有無中隔壁板的情況下彎矩正好相反。

5 結(jié)論

交叉口是綜合管廊的一個(gè)典型的空間受力節(jié)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)分析中不僅要采用三維空間模型進(jìn)行分析，還要采用二維平面框架進(jìn)行復(fù)核。通過分析可以得出如下結(jié)論：

（1）交叉口中的中隔壁板對(duì)平面框架中的梁柱受力有明顯的影響，會(huì)導(dǎo)致梁柱彎矩變小，忽略中隔壁板的作用，僅用平面框架來計(jì)算梁柱受力偏于保守。

（2）中隔壁板會(huì)導(dǎo)致梁的反彎點(diǎn)發(fā)生變化，在設(shè)計(jì)分析中要予以考慮。