腋高尺寸對(duì)雙倉(cāng)管廊受力性能的影響分析

劉 芳 唐華春

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 引言

城市地下管線綜合管廊是城市建設(shè)現(xiàn)代化、科技化、集約化的標(biāo)志之一，也是城市地下空間充分利用的象征，更是城市公用管線敷設(shè)綜合化、廊道化的發(fā)展新趨勢(shì)[1]。

歐洲19世紀(jì)就在一些相對(duì)發(fā)達(dá)的城市建造城市綜合管廊，而我國(guó)的管廊建設(shè)起步較晚，對(duì)管廊建設(shè)的研究主要集中在政策和管理上，對(duì)管廊合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究不多。管廊的結(jié)構(gòu)形式有現(xiàn)澆式和預(yù)制式，按空間劃分有單倉(cāng)管廊和多倉(cāng)管廊。本文針對(duì)某地一個(gè)預(yù)制雙倉(cāng)綜合管廊，研究了不同的角點(diǎn)腋高對(duì)管廊的受力、變形的影響。

1 地下綜合管廊有限元模型的建立

1.1 工程概況

本文分析的管廊為某地地下綜合管廊，主體結(jié)構(gòu)為預(yù)制雙倉(cāng)管廊，剖面圖以及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。C1,C3,C7,C8,Y1,Y2,Y3,Y4為混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；P1,P2,P4以及位于管廊左上角頂部的P9為位移測(cè)點(diǎn)；R2鋼筋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在Y4頂板上層鋼筋處，R4鋼筋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)為中部下層鋼筋處，R7位于隔板與頂板節(jié)點(diǎn)上部鋼筋處，R9位于中部下層鋼筋處。

1.2 本構(gòu)模型的選擇

混凝土的本構(gòu)關(guān)系是混凝土材料受荷之后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型有彌散裂縫模型，脆性破裂模型和塑性損傷模型。本文選用混凝土塑性損傷模型CDP(Concrete Damaged Plasticity)，混凝土損傷塑性模型可以較好地預(yù)測(cè)鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎和抗剪性能及其破壞特征[2]?；炷翍?yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。采用混凝土塑性損傷模型進(jìn)行有限元分析時(shí)需要設(shè)定5個(gè)材料參數(shù)，綜合考慮分析結(jié)果的收斂和分析過(guò)程的效率[3]，其取值如表1所示。

表1 CDP模型參數(shù)取值

管廊主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋采用ABAQUS中內(nèi)置的彈塑性模型(CDP)，鋼材的本構(gòu)關(guān)系為雙折線模型[4]。

1.3 建立計(jì)算模型

模型構(gòu)件的沿縱向拉伸1.2 m，與土體接觸面的鋼筋保護(hù)層厚度取50 mm，角點(diǎn)腋高分為三組，第一組為150 mm×150 mm，第二組為200 mm×200 mm，第三組為250 mm×250 mm。頂板荷載為90 MPa，兩側(cè)壁簡(jiǎn)化施加等效均布荷載64 MPa，地基反力163 MPa；混凝土的單元類型采用C3D8R，鋼筋的單元類型采用T3D2；對(duì)底板與兩側(cè)板、中間隔板節(jié)點(diǎn)處的底面進(jìn)行固結(jié)約束[5]；管廊底板和頂板采用楔形掃掠劃分網(wǎng)格，鋼筋采用自由網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，模擬在相同的荷載下，不同的腋高對(duì)相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)的影響程度。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 管廊主體結(jié)構(gòu)變形分析

圖3為不同角點(diǎn)腋尺寸管廊主體變形圖，不同腋高尺寸的變形極值見(jiàn)表2。

表2 變形極值mm

腋高尺寸150×150200×200250×250Umax2.282.161.95

從管廊主體變形云圖可以看出，廊體左側(cè)發(fā)生的變形大于右側(cè)廊體發(fā)生的變形。撓度最大處在左側(cè)底板的中部，其次是左側(cè)板和頂板，分別產(chǎn)生了向左和向下的撓度。隔板處產(chǎn)生了向右的撓度，并且隨著角點(diǎn)腋高尺寸的增加，發(fā)生變形的區(qū)域有所增加。由于荷載呈對(duì)稱分布，角點(diǎn)腋高的改變對(duì)P1,P2,P4,P9的影響很小，P1和P4的位移有減小的趨勢(shì)，P2和P9無(wú)明顯變化趨勢(shì)。在荷載相同的情況下，隨著角點(diǎn)腋高尺寸的增大，左跨底板中部的位移有減小，最大值為2.28 mm。根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中表3.4.3 受彎構(gòu)件的撓度限值[6]，當(dāng)l0<7 m時(shí)，撓度限值介于l0/250和l0/200,4 800/250=19.2 mm。即在正常使用的情況下，管廊產(chǎn)生的撓度小于規(guī)范限值。

2.2 綜合管廊結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力分析

圖4為混凝土應(yīng)力圖，各腋高尺寸的混凝土應(yīng)力極值見(jiàn)表3。

表3 混凝土應(yīng)力極值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax10.328.7558.4

從混凝土的應(yīng)力云圖可以看出，左側(cè)廊體角點(diǎn)的受力比較復(fù)雜，尤其在隔板與頂板和底板相交處，存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到了10 MPa，其產(chǎn)生的原因是因?yàn)榈撞渴┘拥墓潭思s束。在C3處的混凝土拉應(yīng)力在2.5 MPa左右，超過(guò)了混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。由于頂板和底板左側(cè)所受的載荷比右側(cè)大，在隔板的右側(cè)產(chǎn)生了負(fù)彎矩，使得板面的混凝土產(chǎn)生了拉應(yīng)力。另外，由于隔板兩側(cè)的彎矩不同，使得隔板左側(cè)受壓，右側(cè)受拉。

2.3 主體結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力分析

圖5為鋼筋的應(yīng)力云圖,各腋高尺寸的鋼筋應(yīng)力極值如表4所示。

表4 鋼筋應(yīng)力極值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax251.0230.5218.5

從鋼筋的應(yīng)力云圖可以看出，管廊左側(cè)的鋼筋應(yīng)力大于右側(cè)鋼筋應(yīng)力，在廊體和隔板左下角點(diǎn)都出現(xiàn)了較大的鋼筋應(yīng)力值。而在廊體右側(cè)，由于跨度較小，鋼筋的應(yīng)力分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)較大的應(yīng)力，由于有負(fù)彎矩的影響，右側(cè)頂板的底部鋼筋出現(xiàn)了壓應(yīng)力，各角點(diǎn)的加腋鋼筋也處于受壓狀態(tài)。隨著角點(diǎn)腋高尺寸的增加，左下角點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力最大值從251 MPa下降到了218 MPa。其余觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 其余觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù) MPa

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案結(jié)合有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行精細(xì)化建模，把不同的角點(diǎn)腋高尺寸作為變量，分析在相同的載荷情況下其對(duì)管廊的結(jié)構(gòu)變形、混凝土和鋼筋的應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論如下：

1)在正常情況使用下，管廊的最大變形小于規(guī)范的限定值。

2)廊體有多處混凝土的拉應(yīng)力接近及超過(guò)軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明在極限荷載作用下已經(jīng)開(kāi)裂，廊體混凝土的壓應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用HRB400鋼筋，各截面的鋼筋應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)建議角腋從隔頂板和底板的反彎點(diǎn)開(kāi)始布置，能夠進(jìn)一步改善角點(diǎn)處的混凝土受力。

5)由于雙倉(cāng)管廊空間利用的限制，建議隔板采用高一標(biāo)號(hào)的混凝土，增強(qiáng)其抗壓和抗彎性能。