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        超大直徑裝配式頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

        2015-10-20 09:20:52翟之陽(yáng)彭春強(qiáng)周質(zhì)炎
        城市道橋與防洪 2015年8期
        關(guān)鍵詞:管管管節(jié)排水工程

        翟之陽(yáng),彭春強(qiáng),周質(zhì)炎,張 毅

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        超大直徑裝配式頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

        翟之陽(yáng),彭春強(qiáng),周質(zhì)炎,張 毅

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        裝配式頂管可以有效地解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問(wèn)題,簡(jiǎn)要介紹裝配式頂管管節(jié)的組成,通過(guò)理論分析及有限元模擬研究裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力計(jì)算方法,為裝配式頂管管節(jié)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

        超大直徑頂管;裝配式頂管;內(nèi)力分析

        1 研究背景

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程速度的加快,城市人口的不斷增多,使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護(hù)問(wèn)題日益突出,并嚴(yán)重制約城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,影響城市居民的生活質(zhì)量。敷設(shè)新的煤氣、熱力、電力、給排水等地下管道以及地下通道,沿用以往開(kāi)槽敷設(shè)已感到越來(lái)越困難,甚至難以實(shí)施。頂管是地下管道非開(kāi)挖施工的一種,這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)來(lái)說(shuō)非常重要。為了減少對(duì)交通、市民正?;顒?dòng)的干擾,減少不必要的拆遷,減少對(duì)市容和環(huán)境衛(wèi)生的影響,頂管已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的最佳選擇。

        目前國(guó)內(nèi)采用的最大鋼筋混凝土頂管內(nèi)徑已經(jīng)達(dá)到4 m,而世界上頂管管道已有不少超過(guò)4 m的案例,德國(guó)最大口徑已達(dá)4.4 m,日本更是成功將頂管管徑做到了5 m。從受力角度來(lái)說(shuō),大直徑頂管并不存在技術(shù)問(wèn)題,但是使用頂管法施工大直徑管道(管道直徑在3.50~5.00 m)時(shí),管節(jié)的運(yùn)輸成為施工中的重大問(wèn)題。由于頂管采用的是整節(jié)管道頂進(jìn),每節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度為2m或2.5 m,管節(jié)運(yùn)輸存在超寬或超高的問(wèn)題,這是制約大直徑頂管發(fā)展的重要因素[1-2]。

        2 裝配式頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)

        為解決超大直徑頂管管節(jié)運(yùn)輸問(wèn)題,可采用裝配式頂管管節(jié),即將頂管管節(jié)拆分為若干片管片,由工廠預(yù)制,運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拼裝形成完成管節(jié),再吊裝進(jìn)入頂管工作井內(nèi)進(jìn)行頂進(jìn)。該方案可以有效地解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問(wèn)題。

        裝配式頂管管節(jié)一般由2片管片組成,上、下管片為呈180°的半圓環(huán)管片,在其兩側(cè)的縱拼裝面上分別預(yù)留有若干定位孔和預(yù)埋孔道,其中定位孔和預(yù)埋管道依次相互間隔設(shè)置;定位孔為開(kāi)設(shè)于縱向拼接面上且具有一定深度的圓孔,其內(nèi)用于設(shè)置定位銷,在管片拼裝時(shí),采用定位銷控制管片拼裝,防止半圓管片拼裝成環(huán)時(shí)在縱向和橫向上產(chǎn)生的位移誤差,同時(shí)可以抵抗頂管頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的管片間不均衡頂力;兩片半圓管片拼裝成圓環(huán)后,在管片預(yù)埋孔道內(nèi)插入預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉,從而使拼裝成環(huán)的管節(jié)形成整體,滿足承載力要求,見(jiàn)圖1、圖2。

        圖1 裝配式頂管管節(jié)示意圖

        圖2 裝配式管節(jié)剖面示意圖

        3 裝配式頂管管節(jié)內(nèi)力分析

        裝配式頂管管節(jié)荷載沿用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246:2008)[3]中的荷載規(guī)定。對(duì)頂管施工管道管頂豎向土壓力采用太沙基計(jì)算模型不考慮粘聚力影響。管側(cè)土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力,不考慮粘聚力影響,側(cè)向土壓力沿圓形管道管側(cè)分布視為直線分布,計(jì)算值為地面至管中心主動(dòng)土壓力。管道基座按克萊茵假定。

        裝配式頂管管節(jié)有兩片半圓管片組成,管片之間通過(guò)預(yù)應(yīng)力張拉形成整體。內(nèi)力計(jì)算時(shí)以《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ),參考盾構(gòu)管片計(jì)算中的修正慣用法,引入彎曲剛度有效率。通過(guò)彎曲剛度有效率體現(xiàn)管片結(jié)合面的剛度削弱引起的內(nèi)力重分配。

        預(yù)應(yīng)力筋張拉會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生環(huán)向壓力,該壓力對(duì)管片受彎是有利的,考慮到在施工頂進(jìn)過(guò)程中由于不均勻頂力使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生錯(cuò)位,減小有效應(yīng)力,為提高管片結(jié)構(gòu)的安全性,引入預(yù)壓軸力折減系數(shù)[4-6]。

        具體內(nèi)力可按下式計(jì)算:

        管片結(jié)合面內(nèi)力:

        管片內(nèi)內(nèi)力:

        式中:M1、N1——不考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算的管片內(nèi)力;

        Ny——預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)壓軸力;

        η——彎曲剛度有效率;

        ω——預(yù)壓軸力折減系數(shù);

        Mj、Nj——考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算管片結(jié)合面內(nèi)力;

        Mp、Np——考慮結(jié)合面剛度折減計(jì)算管片內(nèi)內(nèi)力。

        4 計(jì)算示例

        假定設(shè)計(jì)條件:管道內(nèi)徑4 000 mm,管道壁厚320 mm,管頂覆土厚度9.5 m,最低地下水位-3 m,土層內(nèi)摩擦角,土層粘聚力,見(jiàn)圖3。

        圖3 管節(jié)計(jì)算簡(jiǎn)圖

        首先根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246:2008)計(jì)算整環(huán)內(nèi)力,最不利內(nèi)力點(diǎn)處于A、B、C點(diǎn)。在管片拼裝時(shí),當(dāng)管片結(jié)合面位于A、B、C點(diǎn)時(shí),此時(shí)管片結(jié)合面處內(nèi)力最不利。

        管片內(nèi)及管片結(jié)合面處內(nèi)力值見(jiàn)表1、表2。

        5 有限元分析

        利用有限元軟件模擬土體與管片間相互作用,管片結(jié)合面采用通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度模擬。由于轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響較大,計(jì)算時(shí)采用兩種不同轉(zhuǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行分析。計(jì)算模型及結(jié)果見(jiàn)圖4~圖6。

        表1 管片內(nèi)各工況標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值(M:kN·m/m,N:kN/m)

        表2 管片結(jié)合面各工況標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值(M:kN·m/m,N:kN/m)

        圖4 裝配式頂管管節(jié)計(jì)算模型

        圖5 裝配式頂管較大轉(zhuǎn)動(dòng)剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

        圖6 裝配式頂管較小轉(zhuǎn)動(dòng)剛度下管節(jié)內(nèi)力圖

        對(duì)比普通頂管與裝配式頂管的計(jì)算結(jié)果,由于管片結(jié)合面的存在削弱了管片局部剛度,結(jié)合面處的彎矩減小,從而引起管片內(nèi)的內(nèi)力重分布,管片內(nèi)的最大彎矩兩者基本一致。這種情況說(shuō)明前面的假設(shè)是偏于安全的。

        根據(jù)Ansys的計(jì)算結(jié)果,考慮土體與管片共同作用時(shí),內(nèi)力分布與理論計(jì)算結(jié)果類似,但內(nèi)力計(jì)算結(jié)果明顯小于理論計(jì)算結(jié)果。

        6 存在問(wèn)題

        η彎曲剛度有效率、ω預(yù)壓軸力折減系數(shù)確尚需通過(guò)理論分析和試驗(yàn)確定

        7 總結(jié)

        頂管作為非開(kāi)挖施工技術(shù),已成為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程中的重要選擇。裝配式頂管可以有效解決超大直徑頂管運(yùn)輸困難的問(wèn)題。在日本已經(jīng)有工程成功使用了裝配式管節(jié)(內(nèi)徑3 500 mm)。

        本文通過(guò)理論分析及有限元模擬解決裝配式頂管的內(nèi)力計(jì)算問(wèn)題,通過(guò)兩者計(jì)算結(jié)果的比較,有限元模擬得出內(nèi)力分布與理論計(jì)算結(jié)果類似,但是內(nèi)力計(jì)算結(jié)果明顯小于理論計(jì)算結(jié)果。

        但在理論計(jì)算中,彎曲剛度有效率η和預(yù)壓軸力折減系數(shù)ω的取值尚需通過(guò)理論分析及一系列的試驗(yàn)確定,在下一步的工作中將對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行展開(kāi)研究。

        [1] GB50332-2002,給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2] CECS143:2002,給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

        [3] CECS246:2008,給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程[S].

        [4] 葛春輝.頂管設(shè)計(jì)與施工[M].北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

        [5] 張厚美,區(qū)希,夏明耀.圓形裝配式襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2001,31(5)∶ 61-64.

        [6] 李春良,王國(guó)強(qiáng),劉福壽,等.盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(6)∶1669-1672.

        TU992.23

        A

        1009-7716(2015)08-0210-03

        2015-05-14

        翟之陽(yáng)(1983-),男,江蘇常州人,工程師,從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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