綜合管廊復(fù)雜節(jié)點結(jié)構(gòu)不均勻沉降剖析

張立明，浦春林，顏 亮，李春寶

（1.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.蘇州城市地下綜合管廊開發(fā)有限公司，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

綜合管廊的布置一般都建于城市地下，用于容納兩類及以上市政工程管線的構(gòu)筑物，屬于城市建設(shè)的附屬設(shè)施。這樣的設(shè)置可以減小對于地下土地應(yīng)用空間的需求，在水、電、暖、熱力、通信等多方面建設(shè)中發(fā)揮作用。但是城市綜合管廊要與支線管廊交叉，同時，還要設(shè)置配控站、通風(fēng)口、人員出入口，造成許多特殊節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜。如何通過計算并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)安全可靠，是每一位設(shè)計師急需掌握的關(guān)鍵點。

蘇州市城北路綜合管廊是蘇州市成為試點城市后第1條開始規(guī)劃建設(shè)的綜合管廊，管廊內(nèi)同時納入高低壓電纜、通信電纜、給水管線、中水管線、蒸汽管線、燃?xì)夤芫€，建設(shè)規(guī)模大，建設(shè)難度高，開創(chuàng)了國內(nèi)高壓電纜、燃?xì)夤芫€、蒸汽管線同時入廊的先例。蘇州市城北路綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，管廊寬9.7 m，高4.8 m，覆土厚度2.5～15 m。

圖1 城北路管廊足尺模型

1 節(jié)點類型

在綜合管廊的設(shè)計中，節(jié)點類型有很多種，比如綜合管廊的吊裝口、進(jìn)排風(fēng)口、人員進(jìn)出口、綜合管廊之間十字形交叉節(jié)點（如圖2所示）、丁字形交叉節(jié)點（如圖3所示）、監(jiān)控中心的連接通道（如圖4所示）等等。在具體設(shè)計中，本文按照工程需要，著重分析綜合管廊與監(jiān)控中心的連接管廊、綜合管廊交叉節(jié)點這幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型。

圖2 上林路交叉口有限元模型（十字交叉）

圖3 金灣街交叉口有限元模型（丁字交叉）

1.1 計算模式

根據(jù)綜合管廊的結(jié)構(gòu)特點，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，按照板單元有限元計算理論，對構(gòu)件進(jìn)行綜合分析。

圖4 城北路綜合管廊控制中心有限元模型

（1）邊界條件按彈性地基梁進(jìn)行處理，土基系數(shù)按照10 000～15 000 kN/m3取用。

（2）上部覆土壓力按土的重量進(jìn)行施加。土的豎向壓力qv為：

式中：γ為土的密度，按照實際水位取土的浮容重或容重；h為覆土厚度。

（3）管廊土側(cè)壓力按照靜止力進(jìn)行計算。土側(cè)水平壓力qh和水的側(cè)向壓力q＇h為：

式中：K0=0.50；ρ為水的密度，取 10 kN/m3。

（4）汽車荷載按《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]的規(guī)定計算，并可按《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[2]取值，汽車荷載可根據(jù)覆土厚度折算成等代土荷載施加在結(jié)構(gòu)上。

1.2 綜合管廊監(jiān)控中心

蘇州市城北路綜合管廊監(jiān)控中心主體結(jié)構(gòu)位于西塘河下，主管廊頂覆土9 m，通道頂覆土大于14 m，通道為折線L型布置，其有限元計算模型如圖4所示。

按照有限元板單元計算綜合分析，在正常使用極限狀態(tài)下，管廊將發(fā)生不均勻沉降，其中管廊主體沉降為2.8 cm（見圖5），而L型通道沉降7.2 cm（見圖 6）。

圖5 控制中心最大沉降2.8 cm（為整體沉降）

由于L型通道上覆土厚度大于14 m，而主管廊頂覆土厚度為9 m，L型通道和主管廊結(jié)構(gòu)剛度差異巨大，若L型通道與主管廊連接在一起，會造成L型通道與主管廊交點處結(jié)構(gòu)扭曲，內(nèi)力畸變，結(jié)構(gòu)開裂。為解決這一問題，設(shè)計者在L型通道處設(shè)置特殊變形縫，將L型通道與管廊主體斷開，使得各自受力明確、變形協(xié)調(diào)，同時采用新型變形縫解決了防水問題。

由圖5、圖6可知，對于控制中心側(cè)，主體結(jié)構(gòu)和通道在變形縫處的沉降差為36-31=5 mm。參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]對承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜規(guī)定，管廊不均勻沉降應(yīng)控制在0.002°，即應(yīng)小于跨度的1/500。沉降差5 mm小于跨度6.8 m的1/500，即13.6 mm。對于出口側(cè)，其沉降差為72-36=36 mm，小于跨度24 m的1/500，即48 mm。

圖7 沉降變形縫設(shè)置位置圖（單位：mm）

圖8 沉降變形縫構(gòu)造處理圖（單位：mm）

由于變形縫位置有不連續(xù)的3 mm沉降，將變形縫做特殊處理[4]，其處理圖示如圖7及圖8所示。

對地下管廊結(jié)構(gòu)的差異沉降可采取以下設(shè)計措施及構(gòu)造措施：

（1）建筑物的體型力求簡單（減少L形、T形、山形等）。

（2）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，控制建筑的長高比，合理布置橫縱墻加強(qiáng)整體剛度。

（3）設(shè)置沉降縫。

（4）調(diào)整設(shè)計高程，避免覆土過大及過小情況。

（5）管廊設(shè)置圈梁增以強(qiáng)整體剛度。

（6）選用合適的斷面形式，如采用截面漸變來避免剛度巨變。

（7）減輕管廊頂板上建筑物高度，盡量使得管廊頂板所受壓力均衡。

（8）調(diào)整基底設(shè)計壓力，改變基礎(chǔ)底面覆土的抗力。

（9）減少覆土厚度差異，可在管廊頂建筑物內(nèi)進(jìn)行填土。

2 綜合管廊交叉節(jié)點

如果將綜合管廊設(shè)計成環(huán)網(wǎng)狀，則可以發(fā)揮其最大的功能。因此，這種情況下的綜合管廊有2種節(jié)點類型，即十字形和丁字形。交叉節(jié)點設(shè)計的時候必須考慮內(nèi)部管線銜接和人員通行這2個問題。要解決上述2個問題，最常見也最有效的方式就是加寬、加高節(jié)點，還可以通過增加樓梯，設(shè)置夾層的方式解決，確保內(nèi)部管線順利銜接和人員通道滿足要求。

由于交叉節(jié)點的構(gòu)造復(fù)雜性，必須通過有限元模型進(jìn)行整體分析，任何體系簡化所做的推算都有可能帶來很大的誤差。

對桐涇路北延線支管廊交叉節(jié)點（側(cè)壁雙向配筋）、虎金路交叉口（側(cè)壁設(shè)置扶壁梁）、金灣街交叉口主支管廊沉降差6 mm（斷開結(jié)構(gòu)）所建立的有限元模型見圖9～圖11。

圖9 桐涇路北延線支管廊交叉節(jié)點有限元模型（側(cè)壁雙向配筋）

通過分析上述復(fù)雜節(jié)點的有限元模型，總結(jié)出以下設(shè)計經(jīng)驗：

（1）復(fù)雜節(jié)點的內(nèi)力為空間內(nèi)力體系，其控制內(nèi)力不再是傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的My或Mx單一方向，結(jié)構(gòu)的配筋有可能是雙向配筋。如圖9所示的支線管廊側(cè)壁，其控制內(nèi)力為雙向，配筋計算時要配置雙向主筋。

圖10 虎金路交叉口有限元模型（側(cè)壁設(shè)置扶壁梁）

圖11 金灣街交叉口主支管廊沉降差6 mm（斷開結(jié)構(gòu)）

（2）復(fù)雜節(jié)點由于結(jié)構(gòu)外形及荷載條件突變，其迎土面?zhèn)缺诤苋菀装l(fā)生不規(guī)則畸變，需配置扶壁梁或者暗梁來增加側(cè)壁剛度，減少變形。如圖10所示，需要在交叉處支管廊側(cè)壁增加扶壁梁以增加剛度、減少畸變。

（3）復(fù)雜節(jié)點的基底變形常常是不均勻的，要通過基底加固措施或改變主體管廊構(gòu)造措施減少不均勻沉降。如圖11所示，通過將主管廊和支管廊進(jìn)行斷開處理，可減少因基底的不均勻沉降而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)開裂。

（4）對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化較大的交線可通過設(shè)置加腋進(jìn)行強(qiáng)度過渡。

（5）支管廊與主管廊銜接處宜設(shè)置變形縫，使得結(jié)構(gòu)受力明確，避免因不均勻沉降帶來的結(jié)構(gòu)開裂。

2.1 配控站節(jié)點沉降分析（彈性分析）

綜合管廊的通風(fēng)口、投料口以及配控站節(jié)點均為較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，必須通過詳細(xì)計算進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化構(gòu)造使其受力合理，沉降協(xié)調(diào)。

以圖12所示的獨立電力排風(fēng)口為例，該結(jié)構(gòu)主管廊頂覆土11 m，電力配控站頂覆土7 m；電力配控站為五邊形異形結(jié)構(gòu)，因為電力倉上覆土與水信倉、燃?xì)鉄崃}上的覆土有4 m差異，造成管廊內(nèi)力分布不均。

若地基不經(jīng)過特殊處理，獨立電力排風(fēng)口基礎(chǔ)會產(chǎn)生不均勻沉降，如圖13所示。若管廊下地基基礎(chǔ)不進(jìn)行任何處理，則電力倉下變形為10 mm，燃?xì)鈧}下變形為42 mm，這種差異變形會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)傾，因此必須對下部地基進(jìn)行階差性地基處理，即對沉降較大的水信倉和燃?xì)鈧}基底進(jìn)行地基硬化處理，使得燃?xì)鈧}和水信倉地基基底承載力比電力倉基底應(yīng)力大20%以上。如圖14所示，改變階差性的土基應(yīng)力后，可保證基礎(chǔ)不均勻沉降控制在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]允許范圍之內(nèi)。

圖12 K3+880獨立電力排風(fēng)口有限元模型

圖13 地基處理前位移圖（管廊產(chǎn)生不均勻沉降）

圖14 地基處理后不均勻變形

對地基處理的方法如下：燃?xì)?、水信倉底土質(zhì)需采取地基處理措施，使地基承載力不小于225 kPa，電力倉及外掛需保證地基承載力不小于140 kPa。

2.2 配控站節(jié)點沉降驗證（非線性分析）

為了進(jìn)一步驗證對避免基底不均勻沉降而進(jìn)行的差異化地基處理手段的有效性，本次驗證以圖12所示的城北路管廊K3+880獨立電力排風(fēng)口基底進(jìn)行有限元非線性分析。采用Midas GTS NX軟件建模，用非線性方法進(jìn)行修正摩爾庫倫理論分析，針對原土地基與部分換填地基2種情況作沉降對比分析。

管廊基底原位土為粉質(zhì)黏土，其土層參數(shù)如表1所示。

對電力倉基底采用50 cm厚度的C20素混凝土進(jìn)行局部換填，換填圖示見圖15。

圖15 基底處理圖示（單位：m）

若不對基底進(jìn)行任何處理，基底會產(chǎn)生不均勻沉降，基底范圍內(nèi)電力倉沉降4 cm，水信倉和燃?xì)鈧}基底最大沉降6.4 cm，管廊下土體變形呈V型，變形結(jié)果見圖16，導(dǎo)致管廊有差異沉降的風(fēng)險。

圖16 換填處理前基底沉降圖

表1 管廊基底底土物理學(xué)參數(shù)

參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]對框架結(jié)構(gòu)的不均勻沉降要求，主管廊橫向不均勻沉降應(yīng)控制在0.002 L（L為相鄰柱基的中心距），未處理土體時，計算不均勻沉降值為64-41=23 mm，大于18 mm，不滿足上述規(guī)范要求。

換填處理后，地基沉降最大值由64 mm減小至58 mm，且基底沉降更趨于平均，應(yīng)力擴(kuò)散深度為3.97 m，沉降結(jié)果模型見圖17。管廊下土體變形呈U型，管廊整體均勻沉降。

圖17 換填處理后基底沉降圖

參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]對于框架結(jié)構(gòu)的不均勻沉降要求，主管廊橫向不均勻沉降應(yīng)控制在0.002 L，對管廊水信倉和燃?xì)鈧}基底進(jìn)行處理后，計算不均勻沉降值為58-50=8 mm，小于18 mm，滿足上述規(guī)范要求。

需要說明的是，對于土體分別采用彈性分析和非線性分析，沉降結(jié)果有一定差異，但是變化規(guī)律是一致的，即通過差異化處理地基土可改變結(jié)構(gòu)的差異化沉降。

3 結(jié) 語

在蘇州市城北路（金政街-齊門外大街）綜合管廊工程一標(biāo)段（主管廊）設(shè)計中，對計算模型進(jìn)行精細(xì)化分析，設(shè)計出合理的管廊結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力等一系列規(guī)范要求。對于交叉口節(jié)點、配控站、通風(fēng)口、投料口等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)造外形的特殊性，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，覆土不均和結(jié)構(gòu)異形造成了管廊沉降不均，管廊有側(cè)傾、開裂的趨勢，設(shè)計采用了構(gòu)造措施和設(shè)計措施，減少了管廊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不均勻沉降。

在地下管廊的設(shè)計中，設(shè)計人員一定要重視結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施，對計算模型進(jìn)行精細(xì)化分析，避免因結(jié)構(gòu)不均勻沉降以及構(gòu)造措施不當(dāng)帶來的質(zhì)量隱患。