鐘遠(yuǎn)志

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院　福建福州　350001)

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地下綜合管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算模式及其斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

——基于有限元軟件應(yīng)用

鐘遠(yuǎn)志

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院福建福州350001)

對比了當(dāng)前地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的一些主要設(shè)計(jì)方法，首先通過有限元軟件Midas gen對一個(gè)具體綜合管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，推出一個(gè)有別于當(dāng)前地下綜合管廊計(jì)算模式的新模式。其次，根據(jù)工作實(shí)踐，對管廊結(jié)構(gòu)的斷面設(shè)計(jì)提出改進(jìn)建議。

地下綜合管廊；設(shè)計(jì)方法；有限元分析

1　概述

地下綜合管廊又稱共同溝，是將電力、通訊、燃?xì)?、供水排水、熱力等各種管線集于一體，在城市道路的地下空間建造一個(gè)集約化的隧道，并按規(guī)定設(shè)有檢修口、吊裝口、通風(fēng)口和監(jiān)測、控制系統(tǒng)，是一種城鎮(zhèn)綜合管線工程[1]。按照不同的功能和設(shè)計(jì)要求，常見的管廊結(jié)構(gòu)的主體截面形式主要有圓形、矩形等形式，其中圓形截面常見于暗挖施工工藝，明挖施工多采用矩形截面；按照設(shè)置的艙室則可分單艙、雙艙和多艙等，具體詳圖1。

城市地下綜合管廊相當(dāng)于人體中的一條超級動脈通道，具有以下3種優(yōu)勢[2]：

(1)可避免敷設(shè)維修地下管線時(shí)頻繁開挖成拉鏈路，并因此造成交通阻斷，影響居民日常生活，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“無桿化”，保持城市環(huán)境美觀。

(2)納入地下綜合管廊的管線不直接接觸土壤和地下水，減少了管道的腐蝕，大大延長了管線的使用壽命。

(a)圓形截面[2]

(b) 矩形截面(單艙詳圖3)圖1　綜合管廊常見截面示意

(3)綜合管廊都設(shè)有通風(fēng)、照明、檢修、消防、報(bào)警等設(shè)施，方便工作人員進(jìn)行檢修和日常維護(hù)，保證地下管線安全運(yùn)營，可謂“一次投資，終身受益”。

國外的綜合管廊相關(guān)建設(shè)已充分開展，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和施工方法也日臻成熟，早期比較著名的就有在1833年建成的巴黎地下綜合管廊系統(tǒng)。國內(nèi)的大城市北京、廣州、上海等近年來也已有城市地下市政綜合管廊成功建設(shè)的先例，如北京中關(guān)村西區(qū)地下綜合管廊工程、廣州大學(xué)城綜合管廊工程、上海世博會園區(qū)綜合管廊工程等。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，2015年中國69個(gè)城市在建的地下綜合管廊，總長度約1 000km，總投資約880億元，積累了一定的城市地下綜合管廊的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。福建省內(nèi)目前已有廈門集美新城綜合管廊、福州瑯岐環(huán)島路綜合管廊、平潭牛寨山路綜合管廊等已建和即將開建綜合管廊項(xiàng)目。按照福建省住建廳統(tǒng)計(jì)，截止2015年7月，福州、廈門、平潭等地已合計(jì)建成投用各類地下綜合管廊60km，在建103km，規(guī)劃及前期83km。福建省住建廳已經(jīng)開始著手?jǐn)M定《福建省城市綜合管廊建設(shè)指南》，其征求意見稿已于2016年1月21日發(fā)布。隨著國家政策的引導(dǎo)，地方的重視，已經(jīng)越來越多的城市開始試點(diǎn)地下綜合管廊項(xiàng)目建設(shè)，國內(nèi)地下綜合管廊工程即將進(jìn)入快速發(fā)展期。

2　管廊主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1)目前主要計(jì)算模式

綜合管廊的截面，常見的截面形式有圓形和矩形，但考慮到內(nèi)部空間的有效利用率，許多項(xiàng)目主要還是采用矩形截面形式。由于總體上地下綜合管廊結(jié)構(gòu)在我國還處于開始發(fā)展階段，其結(jié)構(gòu)計(jì)算模式大致存在3種：

①采用分解構(gòu)件模式，以便于手算。做法參照建筑工程的地下室或者水池結(jié)構(gòu)[3]，分別計(jì)算頂板、側(cè)壁(中壁)和底板并配筋；考慮到單個(gè)構(gòu)件計(jì)算時(shí)兩端的支座一般采用固接或者鉸接，這種方法在總體上存在一定程度的誤差，主要單構(gòu)件模式一般無法考慮實(shí)際管廊總體結(jié)構(gòu)中這些構(gòu)件端部節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度影響，從而不能準(zhǔn)確計(jì)算相連構(gòu)件端不平衡彎矩的二次分配。

②采用教材和規(guī)范中推薦的適用于淺埋地下結(jié)構(gòu)中的“閉合框架模型”[1，4～6](圖2)來計(jì)算。總體來說,這種模型較接近于工程實(shí)際受力，不過也存在一定的不足，主要是該模型不能考慮底板下的“彈性地基”作用(包括側(cè)壁外側(cè)土對側(cè)壁)。該作用的大小會直接影響側(cè)壁與底板交接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度；其次在底板受到的地基反力不滿足直線分布的情況下(一般存在于地基土較差，或者底板的跨高比較大時(shí))，底板下的反力應(yīng)按彈性地基理論進(jìn)行調(diào)整，否則按照該方法計(jì)算底板存在一定的誤差。

③采用有限元軟件對管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力模擬分析。該方法基本可以避免前兩種模式的不足，較為準(zhǔn)確地計(jì)算出管廊結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力。當(dāng)然，前提應(yīng)是基于有限元模擬中的正確設(shè)置和參數(shù)取值合理。

圖2　閉合框架計(jì)算簡圖

(a)單艙 (b)雙艙圖3　某綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段截面

(2)本文計(jì)算模式

本文采用有限元軟件(Midas Gen)分別對一擬建的單艙和雙艙室地下管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，該結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如下：尺寸如圖3，結(jié)構(gòu)頂板面相對標(biāo)高為-3.3m(地面為±0.00m)，地下水位的相對標(biāo)高為-0.50m。結(jié)構(gòu)側(cè)壁厚度取350mm，中壁厚度300mm，混凝土強(qiáng)度C35[7]。

荷載工況如下：工況1-結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重作用；工況2-恒荷載作用，考慮到地下水位常年較高，水壓力當(dāng)做恒荷計(jì)算，頂板受到向下土壓力，兩側(cè)壁分別受到向內(nèi)的梯形水土側(cè)壓力；工況3-活荷載作用，主要考慮的是地面超載作用，包括汽車荷載，本文活動超載取20kPa，其中側(cè)壁時(shí)考慮側(cè)壓系數(shù)0.5，取值10kPa。四周側(cè)壁均采用1.0m寬的梁單元模擬。邊界條件為底板下地基土采用“面彈性支承”，其中基床系數(shù)取為1.0×104kN/m3(只受壓)[8]。計(jì)算模型和荷載分布示意圖詳圖4(圖中Qh1和Qh2分別表示水土側(cè)壓力和地面均布活荷帶來的側(cè)壓力)。

圖4　管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及荷載分布示意

以下分別給出了單、雙艙管廊結(jié)構(gòu)在自重和水土壓力作用工況單獨(dú)作用下的彎矩M圖和剪力V圖(圖5、圖6，圖例放大系數(shù)3)。由圖5、圖6可以看出：

(a)水土作用M圖(kN.m)

(b)自重作用M圖(kN.m)

(c)水土作用V圖(kN)

(d)自重作用V圖(kN)
圖5單艙截面管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(M、V)

(a) 水土壓力作用M圖(kN.m)

(b) 自重作用M圖(kN.m)

(c) 水土壓力作用V圖(kN)

(d) 自重作用V圖(kN)
圖6雙艙截面管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(M、V)

(1)在水土壓力工況下頂板和底板的內(nèi)力分布相似，數(shù)值也較接近，這個(gè)是由于管廊頂、底板結(jié)構(gòu)對稱，受力也相近(尤其是當(dāng)艙室底板跨高比較小，地基反力接近直線分布時(shí))的緣故，差異主要體現(xiàn)在頂、底板端部由側(cè)壁傳來的不平衡彎矩二次分配值；

(2)外側(cè)壁四角及與中壁交接處剪力最大，應(yīng)注意復(fù)核該些位置的受剪承載力或者采取措施；

(3)當(dāng)雙艙開間差異較大時(shí)，中壁存在一定的彎矩。

為了驗(yàn)證該有限元計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，本文用清華大學(xué)編制的力學(xué)計(jì)算器計(jì)算了之前的單艙模型在水土壓力工況下的框架內(nèi)力，結(jié)果如圖7，可以看出該結(jié)果與之前有限元計(jì)算的結(jié)果(圖5(a))吻合度很好，佐證了前文介紹的有限元計(jì)算方法的可靠性。

圖7　單艙截面力學(xué)計(jì)算器計(jì)算彎矩M(kN.m)

3　管廊結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)

圖8給出雙艙管廊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)斷面配筋圖(單艙結(jié)構(gòu)類似)。其中在側(cè)壁四周及與中壁交接節(jié)點(diǎn)設(shè)置200mm×200mm的倒角，并相應(yīng)配置斜向加強(qiáng)鋼筋，主要基于兩點(diǎn)考慮：首先考慮這些節(jié)點(diǎn)處剪力最大，其次通過設(shè)置倒角增大節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剛度。截面配筋中側(cè)壁外側(cè)鋼筋參考橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用頂、底板和側(cè)壁整根連通的做法，盡量不在彎矩和剪力最大的端部斷開連接；內(nèi)側(cè)單根鋼筋在側(cè)壁和頂、底板內(nèi)應(yīng)注意滿足《砼規(guī)》[9]的足夠錨固長度，即陽角部位鋼筋不斷，陰角部位鋼筋分別延伸錨固，具體可詳見圖8。

圖8　標(biāo)準(zhǔn)斷面配筋圖(長度單位：cm)

4　結(jié)語

本文主要分析了近年來國內(nèi)逐漸開始興起的地下綜合管廊結(jié)構(gòu)(共同溝)主要幾種計(jì)算模式的各自特點(diǎn)，并介紹了采用建筑結(jié)構(gòu)通用有限元軟件Midas Gen 對兩個(gè)管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)截面進(jìn)行的分析計(jì)算方法，最后給出管廊標(biāo)準(zhǔn)截面配筋構(gòu)造做法，以期起到拋磚引玉的作用，供同類和相關(guān)工程例如電力隧道等各種淺埋地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步探討和參考。

[1]GB 50838-2015 城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范 [S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2015．

[2]羅海玲．城市地下市政綜合管廊建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)體系及規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)研究[D]．北京：北京建筑工程學(xué)院，2007．

[3]天津大學(xué)建筑工程系地下建筑工程教研室．地下結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1979.

[4]龔維明．地下結(jié)構(gòu)工程[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2004.

[5]朱合華．地下建筑結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[6]CECS138：2002 給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程 [S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[7]GB 5018-2008 地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[8]JGJ 72-2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[9]GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

The Calculating Model and Sectional Optimization of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure——Based on FEA Application

ZHONG Yuanzhi

(Fujian Ttraffic Planning and Design Insitute, Fuzhou 350001)

On this paper, recently main design patterns of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure were compared. First, through analyzing and calculating a specific example of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure by FEA Midas, the paper then launched a new Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure Calculating model different from the current one. Second, according to the working practice, the paper gave the improvement advices for the sectional designation for the pipe structure.

Underground Comprehensive Pipe Gallery;Design Pattern; FEA

鐘遠(yuǎn)志(1981.12-)，男，工程師。

E-mail:120236462@qq.com

2016-04-25

TU990.3

A

1004-6135(2016)08-0128-04