管壁厚度對(duì)雙圓型地下綜合管廊受力性能影響研究

閻磊 李宏偉

前言

本文結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-D70-2014）[1]和《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）[2]的要求，設(shè)計(jì)出了三橫隔板-單豎板雙圓地鐵車站綜合體結(jié)構(gòu)構(gòu)型。在滿足規(guī)范的前 提下調(diào)整橫隔板的位置，以便更加靈活、高效的對(duì)綜合體的內(nèi)部空間進(jìn)行利用[3]。使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模，對(duì)應(yīng)力云圖、位移矢量圖、最大正彎矩、最大負(fù)彎矩、最大軸力和最大相對(duì)位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，分析不同管壁厚度參數(shù)變化對(duì)雙圓形地下綜合管廊管片的受力性能有怎樣的影響，從而調(diào)整出受力性能最為合理，最能節(jié)約資源的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。雙圓型地下綜合管廊將多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合到一起，既減少資源的浪費(fèi)，又提高地下空間的利用效率，切實(shí)有效的緩解城市的道路堵塞問題[4]。

1 雙圓形地下綜合管廊設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際需要，所建模型的雙圓形管片外徑R=7m，內(nèi)徑r=6m，單環(huán)管片寬為3m，雙圓中間隔板厚為1m，內(nèi)部隔板均設(shè)計(jì)為厚0.3m，假定管片埋深為10m。分別取管壁厚度值為0.5m，0.6m，0.7m，0.8m，0.9m和1m，通過(guò)改變綜合體管壁的厚度參數(shù)，分析該種結(jié)構(gòu)構(gòu)型在不同厚度參數(shù)下，其受力性能會(huì)受到怎樣的影響；隨著管片管壁厚度的縮小，管片的受力性能是否仍然能夠滿足要求。

2 模型建立

模型采用修正慣用法，忽略接頭和錯(cuò)縫拼接的影響，假定管片為均質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行建模。修正慣用法的基本思路是將整個(gè)片環(huán)的剛度視為不變的，引入了抗彎剛度有效率η（η<1，一般取0.6～0.8）和彎矩增減率ζ。在土木學(xué)會(huì)及日本下水道協(xié)會(huì)《盾構(gòu)工程用標(biāo)準(zhǔn)管片（1990年版）》中，對(duì)平板形管以η=1，ζ=0為主進(jìn)行處理，η=0.8，ζ=0.3供參考[5]。本文所取土壤參數(shù)和水文資料源自沈陽(yáng)市地下綜合管廊南運(yùn)河段實(shí)測(cè)土壤參數(shù).

論文中土側(cè)壓力值采用沈陽(yáng)市綜合管廊南運(yùn)河段實(shí)測(cè)的土側(cè)壓力系數(shù)。側(cè)向土壓力的值是豎向土壓力與側(cè)向土壓力系數(shù)的乘積。參照土壤參數(shù)利用太沙基（Terzaghi）公式計(jì)算出管片的荷載，見表1。

表1 土荷載Table 1 Soil load

荷載名稱 頂部荷載（kPa） 底部反力荷載（kPa） 側(cè)向荷載（kPa）

荷載大小 141.22 208.35 70.61

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，把水壓力分解為垂直方向水壓力和水平方向土壓力，疊加到同方向土壓力上進(jìn)行計(jì)算分析。

3有限元模擬結(jié)果

3.1對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析

在有限元軟件ABAQUS中分別建立模型并對(duì)模型分別進(jìn)行計(jì)算后，得到各個(gè)模型在相同荷載條件下的應(yīng)力云圖1如下：

對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行比較和分析可以看出，隨著地下綜合管廊管壁厚度的由1m逐漸減小到0.5m，當(dāng)?shù)叵戮C合管廊受到的荷載不變，管片上受到的應(yīng)力越來(lái)越大。應(yīng)力主要集中在上下兩個(gè)鷗翼處。

3.3 對(duì)最大正彎矩和最大負(fù)彎矩的分析

最大正彎矩和最大負(fù)彎矩出現(xiàn)位置并不隨地下綜合管廊管壁厚度的降低而改變。最大正彎矩出現(xiàn)的位置在地下綜合管廊下鷗翼處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在管片中部。并且在結(jié)構(gòu)的相同或相近位置不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)最大正彎矩和最大負(fù)彎矩。同時(shí)應(yīng)對(duì)最大負(fù)彎矩出現(xiàn)的管片中間部位進(jìn)行重視，防止其局部出現(xiàn)過(guò)大彎矩導(dǎo)致管片損壞進(jìn)而引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞造成損失。結(jié)果如表2所示：

對(duì)比壁厚為1.0m、0.9m、0.8m和0.7m時(shí)管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩，可以看出隨著管壁厚度的降低，管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩都逐漸增大。

對(duì)比壁厚為0.6m和0.5m的綜合體管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩可以看出隨著管壁厚度的降低，管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩不再繼續(xù)增大，而是基本不變或略有降低。

最大正彎矩增大趨勢(shì)和最大負(fù)彎矩增大趨勢(shì)相比，在相同的荷載下，最大正彎矩增大更多。相同條件下，管片上的最大負(fù)彎矩大于最大正彎矩。

3.4 對(duì)最大軸力進(jìn)行分析

最大軸力值見表2，并繪制綜合體管片最大軸力的變化圖如2：

對(duì)比壁厚為1.0m、0.9m、0.8m、0.7m和0.6m時(shí)管片上的最大軸力，可以看出隨著管壁厚度的降低，管片上的最大軸力逐漸降低；

對(duì)比壁厚為0.6m和0.5m的綜合體管片上的最大軸力可以看出隨著管壁厚度的降低，管片上的最大軸力不再繼續(xù)降低，而是基本不變或略有降低；表示隨著管壁厚度的減少，地下綜合管廊管片在拼接后，每一環(huán)受到土壤等荷載時(shí)，在軸向?qū)ο噜徠h(huán)的壓力逐漸減小。

3.5 對(duì)變形量進(jìn)行分析

從ABAQUS中調(diào)取地下綜合管廊在不同管壁厚度時(shí)管片上中央隔墻下方的相對(duì)位移數(shù)據(jù)，繪制圖3進(jìn)行比較分析。

從圖3可以看出，隨著管壁厚度的減少，管片上受到的土荷載不發(fā)生變化，相應(yīng)受到的應(yīng)力不變。由于只改變了管壁的厚度，中央隔墻的厚度不變，在荷載不變時(shí)，中央隔墻下方的變形量不變；隨著管壁厚度的減少，管壁的變形量逐漸增大，提取出的中央隔墻下方的相對(duì)位移逐漸增大。在埋深為10m的相應(yīng)土荷載下管壁厚度0.5m的地下綜合管廊變形量?jī)H在1.2×103mm左右，完全能夠滿足受力需要。

4 結(jié)論

（1）相同荷載作用下，隨著雙圓型地下綜合管廊管壁厚度的由1m逐漸減小到0.5m，管片上受到的應(yīng)力越來(lái)越大，應(yīng)力主要集中在上下兩個(gè)鷗翼處；管壁的變形量逐漸增大，中央隔墻下方的相對(duì)位移逐漸增大。

（2）最大正彎矩和最大負(fù)彎矩出現(xiàn)位置并不隨地下綜合管廊管壁厚度的降低而改變。最大正彎矩出現(xiàn)的位置在地下綜合管廊下鷗翼處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在管片中部。隨著管壁厚度的從1.0m降低到0.7m時(shí)，管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩都逐漸增大。而壁厚為0.6m和0.5m的管片上的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩不再繼續(xù)增大，而是基本不變。

（3）對(duì)比壁厚為1.0m、0.9m、0.8m、0.7m和0.6m時(shí)管片上的最大軸力，可以看出隨著管壁厚度的降低，管片上的最大軸力逐漸降低。壁厚為0.6m和0.5m的最大軸力不再繼續(xù)降低，而是基本不變。

參考文獻(xiàn)

[1]重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.JTG-D70-2014 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50838-2015 城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[3]Yao Y，Zhang J，Tao J，et al.Safety Problems in Crowded Underground Space in Beijing[J].Procedia Engineering，2012，45.

[4]Qihu Q.Present state，problems and development trends of urban underground space in China[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research，2016，55.

[5]石少剛.施工荷載下盾構(gòu)隧道管片力學(xué)響應(yīng)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

（作者單位：沈陽(yáng)市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站）