無橫向接頭綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)承載力分析

■李嘉維

(陽光學(xué)院，福州 350001)

0 概述

綜合管廊[1]系于城市地下建造的一個(gè)隧道空間，將電力、通信、燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，統(tǒng)一建設(shè)和管理，有效解決了因檢修破舊地下管線造成的道路重復(fù)開挖形成的“黑色污染，馬路拉鏈”等問題[2]，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。

綜合管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算包括標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算和節(jié)點(diǎn)計(jì)算，其中尹希[3]對綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納和分類，李林軼[4]基于彈性地基上的結(jié)構(gòu)物分析方法提出了一種接近實(shí)際的彈性支撐方法，陳智強(qiáng)[5]等提出了抗彎剛度模型和抗彎承載力模型,對管廊的接頭設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的研究。既有研究主要集中于對管廊模型及邊界條件的優(yōu)化，對于管廊標(biāo)準(zhǔn)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究尚少，尤其是無橫向接頭綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段。本文以廈門某共同溝為例，基于有限元軟件ANSYS，對無橫向接頭綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)內(nèi)力及承載力驗(yàn)算進(jìn)行了分析和研究。

1 工程概況

廈門某市政道路一期工程A標(biāo)位于集美新城中心區(qū)“三橫三縱”和悅路上，兩端各連接杏林灣路、海翔大道共同溝，全長1150.75m，共同溝布置于和悅路道路東側(cè)下方。本段共同溝在和悅路下布置，在半幅機(jī)動(dòng)車道管溝頂板結(jié)構(gòu)上直接鋪設(shè)路面調(diào)平層及瀝青面層，最低覆土高度0.52m。本工程標(biāo)準(zhǔn)段為矩形箱室結(jié)構(gòu)，箱體標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)壁、頂板、底板厚度為350mm，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬B=5.3m，高H=4.3m，單室箱涵。市政管線共同溝內(nèi)兩側(cè)布置管線橋架或水管材支墩，支架寬度0.8m，中間為電瓶車維修通行通道寬度，要求不小于2.0m，兩側(cè)各0.5m側(cè)向凈空。共同溝內(nèi)納入電力、綜合電信、給水管、中水管、污水及其他預(yù)留等管線。雨水、燃?xì)夤懿患{入共同溝內(nèi)。

2 結(jié)構(gòu)上的作用

作用于管廊結(jié)構(gòu)上的荷載類型主要有永久荷載、可變荷載、偶然荷載三種。

(1)永久荷載：土壓力、結(jié)構(gòu)主體及收容管線自重、混凝土收縮及徐變作用、預(yù)應(yīng)力、地基不均勻沉降。

(2)可變荷載：地面車輛荷載、人群荷載、地下水壓力、施工荷載、凍脹力、壓力管道內(nèi)的靜水壓力及真空壓力。

(3)偶然荷載包括：地震荷載。

2.1 荷載計(jì)算

2.1.1 頂板荷載

(1）垂直土壓力

式中：γ1、γ2、γ3分別表示瀝青混凝土、 細(xì)石混凝土和回填土的容重；h1、h2、h3表示箱涵頂上瀝青混凝土、細(xì)石混凝土和回填土的高度；Cd為開槽施工土壓力系數(shù)，一般可取1.2計(jì)算。

(2）結(jié)構(gòu)自重

式中：γ4表示鋼筋混凝土的容重；δ表示箱涵頂板的厚度。

（3）垂直活荷載

地下箱型綜合管廊與給水排水工程埋地矩形管埋設(shè)基本相同，故采用《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》附錄B中B.0.2條，按兩個(gè)以上單排輪壓綜合影響傳遞到箱涵頂?shù)呢Q向壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式計(jì)算：

式中：μd為動(dòng)力系數(shù)；n為車輛后排輪子總數(shù)量；Qvk為地面車輛后排車輛單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）；ai為i個(gè)車輪的著地分布長度 （m）；bi為i個(gè)車輪的著地分布寬度(m)；dbj為沿車輪著地分布寬度方向，相鄰兩個(gè)車輪間的凈距(m)；H1為行車地面至管廊頂面的高度（m），H=H1+H2+H3。

臨時(shí)荷載一般取10kPa，活荷載和臨時(shí)荷載在計(jì)算過程中取大值，兩荷載不同時(shí)存在。

（4）頂板荷載組合

將恒載和活載進(jìn)行組合，根據(jù)《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中5.2.3條，土壓力荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.27(有利時(shí)取1.0)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重分項(xiàng)系數(shù)取1.2(有利時(shí)取1.0)，地下水壓力荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.27，汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，地面臨時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。將作用于頂板的恒載和活荷載進(jìn)行組合為：

式中，qvk和臨時(shí)荷載取大值。

2.1.2 側(cè)墻荷載

（1）垂直土壓力產(chǎn)生的荷載

Kα為主動(dòng)土壓力系數(shù)，對砂類土或粉土可取1/3；對粘性土可取1/3～1/4；γs′為地下水位以下回填土的有效重度(kN/m3)，可取 10kN/m3；故有：

（2）垂直活荷載產(chǎn)生的荷載

根據(jù)《給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》附錄B中B.0.4條，由于垂直活荷載作用于側(cè)墻產(chǎn)生的水平荷載可按下式計(jì)算：

其中：qvk′和地面臨時(shí)荷載取大值；

（3）側(cè)墻荷載組合

將作用于側(cè)墻產(chǎn)生所有水平荷載進(jìn)行組合為：

2.1.3 底板荷載

由結(jié)構(gòu)受力平衡可知，底板所受力為頂板所受荷載加上結(jié)構(gòu)自重。

式中，B為底板總寬度，G為結(jié)構(gòu)頂板荷載，P1為結(jié)構(gòu)側(cè)壁重量。

將底板所受的垂直荷載進(jìn)行組合：

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器

通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建模驗(yàn)算，將頂板、側(cè)壁及底板的荷載施加到閉合框架上，底板設(shè)置兩個(gè)鉸支座，算出內(nèi)力圖（圖 1）。

2.2.2 有限元計(jì)算

本工程采用Ansys有限元軟件.管廊結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型采用閉合框架模型[6]，取縱向1m的標(biāo)準(zhǔn)段為計(jì)算單元，其中綜合管廊頂板、底板、側(cè)壁墻后均為350mm，均采用Beam單元模擬其特性。本工程可簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算，邊界條件按彈簧單元支撐，考慮底板施加兩個(gè)鉸支座，四周施加荷載，由于本工程中地層土質(zhì)較好，地基反力按彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算，地基反力視為直線分布。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

按照Ansys所得結(jié)果進(jìn)行配筋，采用雙層雙向配筋，受力筋和分布筋均選用三級鋼筋HRB400，其中外層受力筋Φ22@100，內(nèi)層受力筋Φ20@100，分布筋Φ12@150，如圖3。主要結(jié)構(gòu)采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級S6，基礎(chǔ)素混凝土墊層采用C15混凝土。

圖1 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解管廊內(nèi)力圖

圖2 Ansys求解管廊內(nèi)力圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)段面配筋圖（mm）

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》[7]的相關(guān)規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足正截面抗彎承載力驗(yàn)算、斜截面抗剪承載力驗(yàn)算以及在正常使用狀態(tài)下的裂縫要求。

（1）正截面抗彎承載力驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》[7]給出正截面抗彎承載力驗(yàn)算公式如下：

根據(jù)ansys計(jì)算結(jié)果，選用底板截面最大彎矩394.974kN·m來進(jìn)行正截面抗彎承載力驗(yàn)算?？傻肕μ＞394.974kN·m，其正截面抗彎正截面承載力大于底板最大彎矩設(shè)計(jì)值，滿足要求。

（2）斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》給出的斜截面抗剪公式如下：

根據(jù)ansys計(jì)算結(jié)果，選用底板截面最大剪力513.942kN來進(jìn)行斜截面抗剪承載力驗(yàn)算?？傻肰cs＞513.942kN，其斜截面抗剪承載力大于底板最剪力設(shè)計(jì)值，滿足要求。

（3）裂縫驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》相關(guān)規(guī)定，按荷載作用的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響計(jì)算的最大裂縫寬度公式如下：

可得，管廊的的最大裂縫寬度小于0.2mm，滿足要求。

4 結(jié)論

地下綜合管廊作為城市的“生命線”，其結(jié)構(gòu)的安全性應(yīng)引起工程界的注意。本文以廈門某共同溝為背景，結(jié)合有限元軟件ANSYS對無橫向接頭綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計(jì)算與分析，并進(jìn)行驗(yàn)算，最后給出了標(biāo)準(zhǔn)斷面配筋構(gòu)造圖，為今后的共同溝計(jì)算提供了一種參考。