城市綜合管廊交叉口節(jié)點結(jié)構(gòu)設計

林茹

(上海松江交通投資運營集團有限公司 201613)

引言

近年來, 伴隨著綜合管廊大范圍的開發(fā)建設, 國內(nèi)學者對于綜合管廊展開大量研究[1,2],在綜合管廊主體結(jié)構(gòu)設計[3]方面, 主要集中于地下結(jié)構(gòu)抗震設計[4]、 預制裝配式管廊技術(shù)參數(shù)值[5,6]及荷載取值[7]等方面, 但是這些研究方向往往僅針對管廊標準段, 對管廊特殊節(jié)點研究甚少[8]。

由于綜合管廊標準段的縱向由變形縫分割,縱向長度較長, 其壁板可按單向板進行考慮, 結(jié)構(gòu)設計過程中一般采用閉合框架法進行簡化計算。 然而, 管廊部分特殊節(jié)點(如交叉口)由于廊內(nèi)空間不足, 平面內(nèi)局部需外擴, 且有大開孔,此時基于閉合框架法的二維計算模型的安全性及經(jīng)濟性有待商榷。 本文以某綜合管廊的交叉口為例, 分別采用二維及三維有限元軟件進行受力結(jié)果對比分析, 對以此為代表的特殊節(jié)點結(jié)構(gòu)設計計算方法進行探討。

綜合管廊為地下結(jié)構(gòu), 長期處于干濕交替環(huán)境。 在設計過程中, 對主體結(jié)構(gòu)要求有混凝土自防水和抗?jié)B的要求。 結(jié)構(gòu)設計配筋中對結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制值為0.2mm, 而且不得出現(xiàn)貫通的裂縫[9]。 工程設計經(jīng)驗表明, 地下結(jié)構(gòu)往往是由正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制, 滿足絕大部分工程的耐久性和安全性。 所以本文以構(gòu)件彎矩作為主要研究對象, 對交叉口構(gòu)件受力特性進行研究。

1 工程概況

某城市兩條道路的地下綜合管廊在道路交口, 相交節(jié)點處采用上下兩層綜合管廊垂直相交方案, 其中處于上層的管廊為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)雙層管廊, 上層設有污水艙和雨水流槽兩個艙室； 下層設初期雨水艙、 電力艙、 綜合艙和燃氣艙, 具體尺寸見如圖1。

處于下層的管廊是鋼筋混凝土現(xiàn)澆單層管廊, 設有電纜艙、 綜合艙和燃氣艙三個艙室, 具體尺寸見圖2。

圖2 綜合管廊(二)標準斷面(單位: mm)Fig.2 Integrated pipe corridor (Ⅱ) standard section (unit: mm)

管廊主線位于綠化帶下, 管廊頂板覆土約為1.50m, 根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838 -2015)的有關(guān)規(guī)定, 本工程建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)安全等級為一級, 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1,結(jié)構(gòu)的設計使用年限為100 年, 故而混凝土強度等級選取C35, 抗?jié)B等級為P8, 主體結(jié)構(gòu)裂縫控制等級為三級(0.20mm), 綜合管廊防水等級為二級。 主筋采用HRB400 級鋼筋。

本工程地勘深度范圍內(nèi)遇的地基土均屬第四紀沉積物。 涉及土層 ①1、 ②、 ③1-1、 ③3-1、⑥2-1、 ⑥3、 ⑦1-1的主要力學性質(zhì)見表1。 本次研究的交叉口持力層為砂質(zhì)粉土。

表1 土層的主要力學性質(zhì)Tab.1 Main mechanical properties of soil layer

2 荷載取值

本管廊工程的豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、 頂板覆土荷載、 地面活荷載、 水浮力及管廊恒荷載,水平向荷載包括水土側(cè)向荷載(水土分算)和由地面超載引起的側(cè)向荷載。 各類荷載的計算過程如下:

1.恒載

①結(jié)構(gòu)自重=25kN/m3×結(jié)構(gòu)厚度

② 側(cè)墻: 側(cè)墻橋架 =1.5kPa； 底板: 4kPa(考慮路面鋪裝, 管道)

③頂板覆土=18kN/m3×覆土厚度

④水土壓力=(8kN/m3×靜止側(cè)壓力系數(shù)+10) ×板中心距地面距離

⑤浮托力=10kN/m3×(設計抗浮水位高程-底板底面高程)

2.活載

⑥頂面活載=20kN/m2(地面活荷載選地面堆載和綠化荷載的較大值: 20kN/m2)

⑦側(cè)面活載=20kN/m2× 靜止側(cè)壓力系數(shù)(加權(quán)平均)

⑧設備活載=4kN/m2

⑨溫度作用(可變荷載), 覆土深度0m ～1m, 考慮頂板上下溫差±20℃； 覆土深度1m ～2m, 考慮頂板上下溫差±10℃； 覆土深度2m 以上不考慮頂板溫差。 溫度作用均乘以0.70 的折減系數(shù)。

根據(jù)施工階段和使用階段的受力狀態(tài)不同,荷載組合工況有所差別。 對比各種荷載組合工況, 最終對不同計算工況進行包絡分析, 如表2所示。

表2 綜合管廊荷載組合Tab.2 Composite pipe corridor load combination

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎矩計算

本文采用通用有限元設計軟件進行有限元計算, 單元網(wǎng)格采用自動網(wǎng)格劃分模式(昆氏曲面4 個節(jié)點的四邊/面形), 底板處采用單向彈簧約束, 底部采用豎向約束。

3.1 二維簡化模型

在設計過程中, 往往采用截條法截取單位長度的交叉口建立二維模型, 采用二維桿單元模擬結(jié)構(gòu)的底板、 壁板、 頂板、 中板、 柱及中隔墻,結(jié)構(gòu)底板與地基土之間的相互作用采用桿彈性地基彈簧, 并設置單向彈簧, 只提供向上的反力,地基土基床系數(shù)取10000kN/m2, 計算模型見圖3。

圖3 二維計算模型Fig.3 Two-dimensional calculation model

3.2 三維精細化模型

以變形縫為界, 建立整個交叉口主體結(jié)構(gòu)三維精細化模型。 結(jié)構(gòu)板構(gòu)件采用殼單元建模, 設定網(wǎng)格屬性, 自動生成最小網(wǎng)格尺寸為0.5m 的四邊形網(wǎng)格, 并進行整體網(wǎng)格平滑處理, 以滿足工程設計要求。 邊界條件設置: 變形縫處為結(jié)構(gòu)方向約束； 底板采用單向彈性地基支座, 計算模型見圖4。

圖4 三維計算模型Fig.4 3D calculation model

3.3 計算結(jié)果及分析

圖5 為本交叉口節(jié)點二維計算模型的彎矩包絡圖。 結(jié)構(gòu)受力體系非常明確, 底板和下半部分壁板為主要受力構(gòu)件, 頂板在地面堆載和側(cè)向水平荷載的協(xié)同作用下亦出現(xiàn)了較大的支座彎矩,底板在水浮力作用下出現(xiàn)較大的支座彎矩和跨中彎矩。 圖6 為表1 中所有工況下本交叉口各構(gòu)件彎矩包絡圖。

圖5 二維模型彎矩計算結(jié)果(單位: kN·m)Fig.5 Bending moment calculation results of two-dimensional model (unit: kN·m)

圖6 三維計算模型各構(gòu)件彎矩云圖(單位: kN·m)Fig.6 Cloud diagram of bending moment of each component of the 3D calculation model (unit: kN·m)

分析三維精細化模型的計算結(jié)果, 可以發(fā)現(xiàn)在頂、 中、 底板均存在較大的非主受力方向的彎矩, 見表3。 對比圖5, 可得出以下論點:

表3 不同計算模型彎矩值對比(單位: kN·m)Tab.3 Comparison of bending moment values of different calculation models (unit: kN·m)

(1)二維模型的計算結(jié)果能較好地反映出整個壁板、 底板以及中、 頂板在X和Y方向最不利部分受力特性, 設計安全系數(shù)相對較高；

(2)由三維模型彎矩云圖可以看出, 兩側(cè)壁板、 中隔墻為單向板, 其余構(gòu)件為雙向板, 針對雙向板結(jié)構(gòu)設計, 若采用三維模型計算, 可進行優(yōu)化設計從而節(jié)約成本；

(3)由表3 數(shù)值可知, 三維結(jié)構(gòu)模型下考慮整體效應, 頂板、 底板及側(cè)墻在跨中的彎矩較大, 同時削減了支座處的彎矩； 由于中板開洞影響, 三維模型整體彎矩值大于二維模型, 出于結(jié)構(gòu)安全性, 建議針對板面開洞情況, 采用整體三維模型進行設計計算分析； 對于中隔墻, 屬于單向板, 三維整體模型在Y方向上的彎矩明顯要大于二維模型, 而X方向小于二維模型。

4 結(jié)語

1.綜合管廊交叉口為三維空間結(jié)構(gòu)體系, 結(jié)構(gòu)的空間尺度及邊界約束都與標準斷面完全不同, 采用二維平面模型很難反映交叉口結(jié)構(gòu)真實的受力狀態(tài), 需要采用三維空間模型才能確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的準確性。

2.主體結(jié)構(gòu)基底為土層, 為了更好地模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài), 底板采用單向彈性地基, 但僅定義了豎向彈性支撐, 應當還需要定義X、Y方向的約束。

3.由于交叉口的特殊性, 結(jié)構(gòu)板塊較多, 所以為了更方便建模, 應將各個板面定義為統(tǒng)一的局部坐標, 這樣可以更方便地進行荷載定義和讀取計算數(shù)據(jù)。

4.針對地下結(jié)構(gòu), 需對結(jié)構(gòu)不同位置構(gòu)件進行不同工況下的受力分析, 最終進行包絡配筋計算。

地下綜合管廊交叉口工程設計過程中, 采用三維空間模型計算, 二維框架模型復核的原則,確保地下結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。