綜合管廊應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬分析

吳凡 肖博文 紀(jì)安康 王若愚

摘 要：以合肥地區(qū)高新區(qū)某標(biāo)準(zhǔn)段綜合管廊為分析對(duì)象，利用有限元軟件Midas GTS NX建立三維數(shù)值模型，建模時(shí)考慮該地區(qū)土質(zhì)性質(zhì)、路面荷載和車輛行人荷載，首先分析在這些荷載作用下，管廊處于正常使用階段時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變的變化情況.通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，在正常使用階段，管廊的位移最大值和應(yīng)力最大值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管廊設(shè)計(jì)的允許值，這也說(shuō)明了該管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于保守，沒(méi)有對(duì)其材料進(jìn)行充分的利用，其結(jié)構(gòu)仍有一定的可優(yōu)化空間;在管廊應(yīng)力集中的腋角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要增大腋角配筋.所得結(jié)論可為以后相近工程提供參考.

關(guān)鍵詞：綜合管廊;數(shù)值模擬;應(yīng)力;位移

中圖分類號(hào)：TU473.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0095-03

1 引言

通過(guò)大力建設(shè)綜合管廊來(lái)有效解決重復(fù)開(kāi)挖路面、架空管線過(guò)密、管線事故多發(fā)和節(jié)省地下空間的資源，防護(hù)城市環(huán)境等問(wèn)題.綜合管廊又稱共同溝，是一種公共的用來(lái)解決城市地下眾多集中鋪設(shè)的通信、電力、燃?xì)獾瘸鞘惺姓芫€的隧道裝置，因此綜合管廊也成了新型的市政基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化建設(shè)的一種重要標(biāo)志.

工程綜合管廊位于合肥市高新區(qū)，沿明珠大道北側(cè)綠化帶敷設(shè)，總長(zhǎng)度1774m，從西側(cè)雞鳴山路東開(kāi)始，東至方興大道西側(cè)結(jié)束.管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)頂部覆蓋土的厚度約為2.5m.管廊的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)包含：標(biāo)準(zhǔn)段、進(jìn)排風(fēng)口、吊裝口、逃生口、人員進(jìn)出口、分之口、端頭井等.利用有限元軟件Midas GTS NX建立三維數(shù)值模型來(lái)對(duì)綜合管廊在正常使用狀態(tài)下其應(yīng)力、應(yīng)變以及位移的變化特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行分析.

2 工況分析

2.1 參數(shù)選取

選取該工程標(biāo)準(zhǔn)段建立土層和管廊模型，土層分為三層，尺寸為60m*60m*15m，模型所用到的一些土層參數(shù)見(jiàn)表1.管廊結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)，建模時(shí)選用C45的混凝土計(jì)算.管廊埋深為2.5m，結(jié)構(gòu)為四廂，管廊結(jié)構(gòu)尺寸為30m*12m*4m，其標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)造圖見(jiàn)圖1.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)段管廊荷載計(jì)算

2.2.1 荷載組合

荷載組合應(yīng)該按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中就有對(duì)荷載組合計(jì)算的要求，即按式（1）計(jì)算.

2.2.2 荷載計(jì)算

管廊結(jié)構(gòu)荷載分布圖如圖2所示：

3 數(shù)值分析

3.1 模型假設(shè)

通過(guò)了解工程概況，在構(gòu)造三維數(shù)值模型的前提下進(jìn)行分析.建模前需先進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）各土層為分布均勻、連續(xù)介質(zhì)、性質(zhì)相同的彈塑性材料，模型的尺寸對(duì)數(shù)值模擬沒(méi)有影響;

（2）不考慮地下水對(duì)管廊施工的影響;

（3）實(shí)際管廊施工較為復(fù)雜，建立模型時(shí)利用等效剛度原理代換管廊之間的施工縫材料為均質(zhì)材料，各向同性;

（4）對(duì)部分實(shí)際施工工況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理;

（5）不考慮現(xiàn)場(chǎng)施工荷載，模型分析時(shí)僅考慮邊界荷載與模型自重的影響;

（6）整體模型的邊界條件為：為了控制它水平和豎直方向的偏移，底面采用確定好的.水平方向上的偏移通過(guò)控制側(cè)面，模型的上表面是自由面.

根據(jù)假設(shè)和實(shí)際工程概況建立30m*30m*15m模型進(jìn)行分析，總體模型如圖3所示.30m*30m*15m的模型用于分析單節(jié)管廊上部覆土相同時(shí)管廊結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，模型邊界考慮邊界的位移量，以來(lái)約束上面和左右各面，豎向位移則是用來(lái)限制其底部的.由于模型中對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，一些未考慮到的因素可以通過(guò)加大建筑物的荷載來(lái)實(shí)現(xiàn).

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 管廊應(yīng)力分析

取綜合管廊一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行數(shù)值模擬研究，管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段為四倉(cāng)，模型尺寸為30m*12m*4m.通過(guò)單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段管廊不均勻沉降，進(jìn)行管廊應(yīng)力和位移分析.經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析可得，管廊應(yīng)力分布如圖5所示.其中圖5（a）所示的為X方向的管廊應(yīng)力云圖，圖5（b）所示的為Z方向的管廊應(yīng)力云圖.管廊各艙的最下層是均勻受力的，但是在每個(gè)艙室均有應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在于各艙室下腋角處.具體情況表現(xiàn)為，從中間向左右兩邊逐漸減小，而管廊底板的應(yīng)力分布情況與管廊頂板恰恰相反，具體情況表現(xiàn)為，從中間向左右兩邊逐漸增大.由圖5（a）可知，整個(gè)管廊在X方向上應(yīng)力最大處是在右邊近上方的角落處，其值為4.9MPa;管廊應(yīng)力的最小值為0.017MPa由圖5（b）可知，整個(gè)管廊在Z方向管廊應(yīng)力最大值為5.32MPa，在靠近上部中間的部位;管廊最小應(yīng)力值為0.025MPa.而此模型所用混凝土材料的強(qiáng)度允許值是45MPa，由此可知管廊在X，Z兩個(gè)方向的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料允許的強(qiáng)度值.從這可以得出建立的整個(gè)管廊模型是偏于安全合理的，由數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可得出，30m一個(gè)管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行施工是可行的.

3.2.2 管廊位移分析

圖5為管廊正常使用階段的位移云圖，由圖5分析可得：管廊整體變形趨勢(shì)呈凹字，頂板有微小下沉，底板有小形變隆起，變形呈現(xiàn)由中心向兩邊均勻減小的變化趨勢(shì).由圖5（b）可知，在X方向上管廊位移出現(xiàn)最大為0.91mm，是在靠近管線艙頂板中心位置;而管廊中零為最小位移.由圖5（c）可知，在Y方向上管廊位移出現(xiàn)最大為0.81mm，是在靠近上部右邊腋角處的地方;管廊中零為最小位移.由圖5（a）可知，整個(gè)管廊中位移最為明顯的地方出現(xiàn)在Z方向上，最大值為1.67mm，出現(xiàn)在靠近上部頂板右邊腋角處的地方;管廊位移的最小值為0.21mm，出現(xiàn)在靠近上部頂板中間的地方.同時(shí)，規(guī)范規(guī)定的撓度允許值是25mm，管廊的最大位移值遠(yuǎn)小于規(guī)定允許值，管廊結(jié)構(gòu)滿足要求.

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)分析在荷載作用下，管廊處于正常使用階段時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變的變化情況可知，位移最大值和應(yīng)力最大值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管廊設(shè)計(jì)的允許值，這也說(shuō)明了該管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于保守，沒(méi)有對(duì)其材料進(jìn)行充分的利用，其結(jié)構(gòu)仍有一定的可優(yōu)化空間.

（2）在管廊應(yīng)力集中的腋角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要增大腋角配筋.

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果結(jié)合管廊施工現(xiàn)場(chǎng)荷載分布，計(jì)算合肥地質(zhì)條件下綜合管廊荷載分布.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕薛學(xué)斌，殷吉彥，周洲，等.城市綜合管廊相關(guān)問(wèn)題探討[J].給水排水，2017，53（1）：137-142.

[2]李軍.綜合管廊設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析[J].建設(shè)科技，2017，16（5）：66-67.

〔3〕周泓，姜青新.關(guān)于《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》的初步解讀[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40（5）：58-59.

〔4〕劉文峰，尹力文.談南京河西新區(qū)江東南路綜合管廊設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2014，40（36）：132-134.

〔5〕王恒棟.GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》解讀[J].中國(guó)建筑防水，2016，34（14）：34-37.

〔6〕郭健，夏鵬，殷俊.地下工程綜合管溝沉降的數(shù)值分析[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（4）：72-76.

〔7〕孫厚超，王國(guó)良，楊平.考慮流固耦合的隧道開(kāi)挖引起地表沉降數(shù)值分析[J].森林工程，2015，31（3）：112-116.

〔8〕鄧惠晗.淺談綜合管廊在市政工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2013（7）.