超重荷載下地下綜合管廊受力變形模擬研究

黃 懿

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

0 引言

綜合管廊是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，我國已迎來綜合管廊建設(shè)熱潮?，F(xiàn)代城市交通組成中重載超載情況并不少見，因此開展重載對綜合管廊結(jié)構(gòu)的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。在綜合管廊受力變形特性的相關(guān)研究方面，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。田子玄[1]主要針對裝配疊合式混凝土管廊的鋼筋連接方式、管廊節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析,并在大量試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了ABAQUS有限元對比分析。榮哲等[2]結(jié)合某實(shí)際工程，對荷載計(jì)算、模型選取內(nèi)力計(jì)算等方面進(jìn)行了分析。狄東超[3]對綜合管廊汽車輪壓等效均布活荷載進(jìn)行分析。Kawashima，Shamsabadi等對綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)沉降問題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究[4]。

地表交通荷載是地下管廊結(jié)構(gòu)承受的主要荷載之一。田飛等[5]利用有限元模擬軟件驗(yàn)證了波動(dòng)荷載在道路各層次中傳遞的規(guī)律，并計(jì)算出了交通荷載的影響深度。陳劍等[6]通過有限元軟件對路基土在交通荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，分析得到荷載影響深度為6 m～8 m。Boris Rakitin等[7]通過離心機(jī)試驗(yàn)和幾種廣泛采用的設(shè)計(jì)方法，對淺埋大直徑鋼管進(jìn)行超重荷載的試驗(yàn)及數(shù)值分析。Edgar Kraus等[8]以重復(fù)超重交通荷載，對德克薩斯州城市聚氯乙烯(PVC)和混凝土管的疲勞性能進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)測試，并采用有限元方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果敏感性分析。

可見交通荷載對常規(guī)淺埋于城市道路中央或兩側(cè)的地下綜合管廊有重要影響。尤其是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，車輛超載日益顯著。而目前的文獻(xiàn)中關(guān)于超重荷載對綜合管廊的影響鮮有進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文研究對象為湖南長沙某綜合管廊工程，大致呈東西走向，全長約1.2 km，標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)寬度為13.95 m，設(shè)計(jì)高度為4.25 m。管廊底板厚500 mm，頂板和外墻壁厚450 mm。采用C30防水混凝土建造，迎水面保護(hù)層厚度為50 mm，其余取30 mm。管廊結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級為三級；防水等級為二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為丙級，混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為二類b。

綜合管廊布置在道路兩側(cè)人行道以內(nèi)和車行道下方，開挖深度為10 m左右，覆土厚度在4.0 m左右?？辈橘Y料顯示，車輛經(jīng)過敷設(shè)綜合管廊的交叉路口的場地良好，場地?zé)o活動(dòng)性斷裂，區(qū)域場地穩(wěn)定，未見不良地質(zhì)作用及其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。建筑物安全等級為一級，場地等級為二級，場地地基等級為一級，基坑側(cè)壁安全等級為一級，持力層性質(zhì)較好。地下綜合管廊采用明挖法施工，基坑支護(hù)方式為放坡結(jié)合拉森鋼板樁支護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

2 有限元數(shù)值模擬與后處理分析

2.1 有限元模型的設(shè)定[9,10]

為簡化分析，在建立有限元模型時(shí)，做出如下簡化：

1)土體與綜合管廊混凝土接觸并形成一個(gè)連續(xù)的受力整體，主要考慮管廊結(jié)構(gòu)豎向位移，在接觸中只建立其法相接觸。

2)由于土中表層滯水量較少，所以不考慮水的浮力的影響。

3)考慮綜合管廊混凝土材料和鋼筋材料兩者共同受力工作情況。

4)有限元采用移動(dòng)靜力荷載模擬，考慮時(shí)間效應(yīng)和分析步時(shí)間的長度效應(yīng)。

根據(jù)工程實(shí)際情況的分析，將綜合管廊的三維線性工程問題簡化為二維平面應(yīng)變問題。根據(jù)楊林德等[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定自由場平面尺寸與管廊模型平面尺寸之比，比值介于3倍～4倍即可，建立綜合管廊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。取土體寬97.65 m，高21.00 m，網(wǎng)格劃分形式為CPE4I，劃分為46 391個(gè)單元；綜合管廊混凝土部分寬13.95 m，高4.25 m，網(wǎng)格劃分形式為CPE4，劃分個(gè)數(shù)為8 617個(gè)；結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋采用T2D2單元，外保護(hù)層滿足地下綜合管廊設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度要求，劃分單元個(gè)數(shù)1 896個(gè)，總單元個(gè)數(shù)共計(jì)56 904個(gè)。

2.2 計(jì)算分析

根據(jù)工程勘察及設(shè)計(jì)資料，模型計(jì)算參數(shù)選取如表1所示。

表1 各材料參數(shù)表

1)建立模型，輸入材料參數(shù)，定義材料集合，裝配部件，定義分析步，定義接觸與約束，自定義荷載和邊界條件，單元類型的定義，劃分網(wǎng)格。

2)計(jì)算：超重荷載采用用戶自定義子程序DLOAD進(jìn)行荷載的施加，荷載定義為線荷載，荷載值為500 kN，從土體邊界左側(cè)以50 km/h的速度行駛至邊界右側(cè)。過程中荷載作用于土體，土體將荷載傳遞至地下綜合管廊結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算得出，荷載從左端行駛到右端的時(shí)間約為8 s。根據(jù)朱照宏[12]的路面力學(xué)計(jì)算的車輛荷載對路面的作用時(shí)間，為了便于計(jì)算收斂，將初始分析步時(shí)間長度定為0.1 s，將最小分析時(shí)間設(shè)為10-9s；將最大分析時(shí)間設(shè)置為0.25 s，可較合理地模擬超重荷載在移動(dòng)過程當(dāng)中的傳遞情況。

3)結(jié)果分析：分析荷載作用于綜合管廊結(jié)構(gòu)時(shí)的豎向應(yīng)變的情況。

2.3 計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析

通過查看計(jì)算監(jiān)控顯示結(jié)果，可得荷載從初始左端位置到右端結(jié)束位置的時(shí)間為7.83 s，與設(shè)置的分析步總時(shí)長8 s基本吻合。軟件中規(guī)定以向上位移為正，向下位移為負(fù)。現(xiàn)取荷載作用于主要控制位置的分析步進(jìn)行分析。

如圖2所示，荷載作用于管廊左側(cè)電力艙與綜合艙分隔墻頂部，管廊電力艙與綜合艙內(nèi)墻以受壓為主，頂板受力呈外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓情況；外墻頂部最大豎向位移為2.843×10-2mm?？紤]內(nèi)墻厚度為250 mm，在豎向重載作用下內(nèi)墻縱向可能出現(xiàn)失穩(wěn)鼓脹情況，建議在后續(xù)設(shè)計(jì)計(jì)算中加以考慮。

由圖3所示，荷載作用于綜合艙頂板跨中附近，頂板呈兩端固定梁的工作狀態(tài)，上部截面受壓、下部截面受拉，頂板呈現(xiàn)左右對稱式下?lián)希奢d沿角點(diǎn)將荷載分散。由于綜合艙的跨徑最大，跨中豎向位移值為5.290×10-2mm，占豎向位移控制限值20 mm的0.26%。

如圖4所示，最大位移點(diǎn)位于管廊綜合艙右側(cè)1/4跨下緣附近，豎向位移達(dá)到本次模擬正演的最大值5.812×10-2mm，較前一步荷載作用時(shí)撓度略有增大。其原因與混凝土在上一個(gè)工作狀態(tài)中變形未得到有效時(shí)間恢復(fù)，而后又受到下一步荷載作用的疊加影響有關(guān)，導(dǎo)致總豎向位移值加大。荷載對右側(cè)分隔墻腋腳產(chǎn)生進(jìn)一步的擠壓，腋腳附近處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，因此需進(jìn)一步考慮腋下鋼筋斜撐和外包混凝土的受力情況，防止腋腳部分出現(xiàn)混凝土開裂和鋼筋壓屈服情況。

3 結(jié)語

基于有限元分析軟件ABAQUS，采用子程序DLOAD對超重荷載作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下主要認(rèn)識(shí)：

1)荷載作用在綜合管廊兩側(cè)時(shí)，綜合管廊承受大偏心受壓荷載會(huì)沿橫截面平面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，扭轉(zhuǎn)位移值均較小，與最大豎向位移限值相比只有1%～1.21%，對結(jié)構(gòu)影響較小。

2)綜合管廊在超重荷載作用下最大豎向位移點(diǎn)位于綜合艙的跨中附近，最大豎向位移值為5.812×10-2mm，綜合管廊監(jiān)測預(yù)警值為20 mm，單次超重荷載作用下綜合管廊最大豎向位移值未超限值，綜合管廊結(jié)構(gòu)可正常工作。

3)綜合管廊內(nèi)墻厚度為250 mm，在豎向重載作用下內(nèi)墻縱向可能出現(xiàn)失穩(wěn)鼓脹情況。

4)模擬采用單次重載作用下土—結(jié)構(gòu)的受力變形分析，今后應(yīng)進(jìn)一步開展長期重載作用下對結(jié)構(gòu)的累計(jì)變形分析，了解綜合管廊沉降變形的規(guī)律，為今后對綜合管廊的深入研究提供參考。

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