城市綜合管廊人防井蓋優(yōu)化設計研究★

蔣林佑 趙旭東 陳一村

(陸軍工程大學,江蘇 南京 210007)

綜合管廊是指用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的地下構筑物[1]。由于綜合管廊同時綜合了多種生命線，其在平時和戰(zhàn)時的安全性因此變得尤為重要，必須考慮人民防空的要求[2]。根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對生命線體系的打擊，直接打擊對象并非城市的電力、通信、燃氣等市政管線，而是整個體系中的關鍵生產(chǎn)節(jié)點和配送節(jié)點，比如發(fā)電站、通信交換中心、天然氣門站、儲配站等。因此在防護定位中，收納這些管線的綜合管廊一般不考慮直接打擊，而主要考慮沖擊波間接毀傷，且防護等級一般定為核6級、常6級[3,4]。

綜合管廊按使用功能可以分為主體廊道結構和口部。對于防護沖擊波間接毀傷，主體結構埋置于地下，有上覆土層遮蔽，安全性較好，主體結構按平時設計要求配筋一般可滿足核6級、常6級防護要求?？诓渴侵黧w結構與地面的連接點，戰(zhàn)時易受爆炸產(chǎn)生的沖擊波破壞，因而是綜合管廊人防設計的重點[4]。

口部主要包括檢查口、投料口等，其防護設備是人防井蓋。由于必須要考慮沖擊波正負壓的影響，常規(guī)市政井蓋的設計方法不能直接應用于人防井蓋。針對人防荷載的作用特點，作者研究了井蓋的結構尺寸對井蓋質(zhì)量、井蓋最大應力的影響，并在此基礎上對人防井蓋的結構進行了優(yōu)化。

1 綜合管廊人防井蓋優(yōu)化背景

1.1 優(yōu)化目標

本研究主要從經(jīng)濟性和安全性上考慮人防井蓋的結構優(yōu)化，優(yōu)化目標設為井蓋總質(zhì)量m和井蓋最大應力f。優(yōu)化目的是在保證井蓋最大應力f不超過容許應力σ=250 MPa的前提下，盡可能減小井蓋總質(zhì)量m和井蓋最大應力f，同時期望井蓋應力分布較為均勻，以利于充分發(fā)揮鋼材的力學性能。

1.2 控制參數(shù)

影響優(yōu)化目標的控制參數(shù)是人防井蓋的結構尺寸，包括蓋板厚度h1、圓肋高度h2、內(nèi)圈圓肋計算直徑d1、內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1、放射肋肋寬Br，見圖1。

人防井蓋的原設計參數(shù)為：

井蓋直徑φ=1 000 mm，外圈圓肋肋寬Bd2=20 mm，放射肋圓心夾角45°，人防井蓋總質(zhì)量130.4 kg。其他結構尺寸如表1所示。

表1 人防井蓋的初始結構尺寸

2 力學分析

2.1 力學模型

人防井蓋放置在井座上，可視為周邊簡支圓板，根據(jù)《城市道路設計規(guī)范》，井蓋所受荷載是均勻作用于井蓋上的荷載圓[5]。鑒于綜合管廊沒有專門的人防設計規(guī)范，這里根據(jù)《人民防空地下室設計規(guī)范》，按防核武器抗力級別6級考慮。人防井蓋受沖擊波正壓時的等效靜荷載參照規(guī)范中室外豎井頂板的受力情況，取0.2 MPa，人防井蓋受沖擊波負壓時的等效靜荷載依據(jù)工程經(jīng)驗，取0.05 MPa，井蓋加載方式為在其蓋板上表面施加均勻的面荷載。

當受沖擊波正壓時，人防井蓋的外圈圓肋與井座處接觸，約束外圈圓肋下表面x,y,z三個方向的位移。當受沖擊波負壓時，人防井蓋依靠插入井座的銷軸保持其固定狀態(tài)，約束銷軸x,y,z三個方向的位移。

本研究采用Inventor對井蓋進行有限元分析。設人防井蓋的制作材料為鋼材，對應于Inventor材料庫中的鑄造鋼，其容許應力σ=250 MPa，受沖擊波作用時，人防井蓋上出現(xiàn)的最大應力必須小于鑄造鋼的容許應力。

2.2 計算分析

2.2.1蓋板厚度h1

蓋板質(zhì)量在井蓋總質(zhì)量中占比過半，減小蓋板厚度，將有效減少人防井蓋的總質(zhì)量。圖2表示人防井蓋在不同板厚條件下井蓋最大應力的變化情況。當板厚由10 mm增加至14 mm時，受沖擊波負壓時井蓋的最大應力降幅顯著，當板厚由14 mm增加至20 mm時，井蓋最大應力的降低趨勢相比之前明顯放緩，而受沖擊波正壓時，板厚變化對井蓋最大應力的影響比較平滑，見表2。

表2 不同板厚下井蓋的應力值和總質(zhì)量

2.2.2圓肋高度h2

井蓋的肋分為圓肋和放射肋。圓肋高度對井蓋剛度的影響很大，確定合適的肋高，可以減少井蓋的變形量。圖3表示圓肋高度變化時，人防井蓋最大應力的變化情況?？梢钥吹?，圓肋高度對最大應力的影響比較均勻，近似線性變化，見表3。

表3 不同圓肋高度下井蓋的應力值和總質(zhì)量

圓肋高度h2/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質(zhì)量m/kg46231.0245.6126.348218.7234.1128.450206.2223.7130.552194.8212.6132.554185.3203.1134.656179.3194.6136.7

2.2.3內(nèi)圈圓肋計算直徑d1

當直徑d1增大至一定范圍時，內(nèi)圈圓肋將遠離蓋板中心，應力峰值將顯著增大。合理的圓肋直徑有利于井蓋應力分布的均勻性。

當受沖擊波正壓，圓肋直徑為140 mm～220 mm時，應力峰值出現(xiàn)在圓肋內(nèi)側一邊，且隨直徑增大變化較緩。當圓肋直徑從220 mm增加到240 mm時，圓肋外側應力值逐漸超過內(nèi)側應力值，應力峰值出現(xiàn)在圓肋外側一邊，并且相比內(nèi)側應力值增加速度較快。當受沖擊波負壓時，應力峰值出現(xiàn)在插銷座底部與蓋板連接處，在圓肋直徑為140 mm～160 mm時，應力峰值增加較快，此后隨著圓肋直徑增加，插銷座底部的應力峰值增加幅度變小,見圖4，表4。

2.2.4內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1

肋寬和肋高同為肋的截面尺寸參數(shù)，二者相互影響，決定了肋的形狀和承載能力。固定肋高h2=50 mm，受沖擊波正壓作用，當內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1從16 mm增加到22 mm時，人防井蓋最大應力下降了26.5%，而當內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1從16 mm增加到26 mm時，最大應力僅下降了34.2%。因此，當內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1≤22 mm時，肋寬的增加能有效降低應力峰值。當受沖擊波負壓作用時，肋寬變化對井蓋最大應力影響較小，見圖5，表5。

表4 不同內(nèi)圈圓肋計算直徑下井蓋的應力值和總質(zhì)量

內(nèi)圈圓肋直徑d1/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質(zhì)量m/kg140193.9206.8130.9160201.1221.0130.7180205.8220.1130.6200209.7223.5130.5220209.9222.9130.3240226.3226.6130.2

表5 不同內(nèi)圈圓肋肋寬下井蓋的應力值和總質(zhì)量

內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1/mm受正壓時最大應力σ1/MPa受負壓時最大應力σ2/MPa井蓋質(zhì)量m/kg16259.3237.4129.618232.1222.3130.020209.7223.5130.522190.7227.4130.924184.0224.6131.326170.5221.9131.7

2.2.5放射肋肋寬Br

繼續(xù)固定肋高h2=50 mm，受沖擊波正壓作用時，人防井蓋最大應力出現(xiàn)在內(nèi)圈圓肋上。隨著放射肋肋寬Br的增加，內(nèi)圈圓肋上的最大應力值也在緩慢增加，這是因為放射肋與內(nèi)圈圓肋共同承擔了沖擊波的作用，而其中內(nèi)圈圓肋將承擔主要的壓力。當放射肋肋寬Br增加時，意味著內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1的相對減少，從而內(nèi)圈圓肋上的應力值將增大。受沖擊波負壓作用時，應力峰值出現(xiàn)在插銷座底部與蓋板連接處。當放射肋肋寬Br≤20 mm時，隨著肋寬的增加，插銷座底部的最大應力持續(xù)減小，此后趨于穩(wěn)定，見圖6，表6。

3 優(yōu)化建議

經(jīng)過對蓋板厚度h1、圓肋高度h2、內(nèi)圈圓肋計算直徑d1、內(nèi)圈圓肋肋寬Bd1、放射肋肋寬Br五個結構參數(shù)的研究，在考慮經(jīng)濟效益的同時保證一定的安全富余，確定h1=10 mm,h2=48 mm,d1=180 mm,Bd1=18 mm,Br=20 mm。相比較原設計方案的人防井蓋總質(zhì)量130.4 kg，優(yōu)化后的井蓋總質(zhì)量為115.8 kg，下降了11.24%。優(yōu)化方案充分發(fā)揮了鋼材的力學性能，從而節(jié)省了材料。

表6 不同放射肋肋寬下井蓋的應力值和總質(zhì)量

4 結語

本研究采用Inventor對人防井蓋進行有限元分析，得出了在沖擊波正壓和負壓兩種情況下井蓋結構參數(shù)對人防井蓋承載力的影響規(guī)律，從而對井蓋設計方案進行了優(yōu)化，在滿足承載力的條件下使井蓋總質(zhì)量下降了11.24%，取得了較好的經(jīng)濟效益。

Researchonoptimaldesignofthemanholecover