唐甜甜

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 2 00092）

某綜合管廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部開大洞對結(jié)構(gòu)受力性能的影響

唐甜甜

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 2 00092）

通過對某綜合管廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的三維模型及二維平面模型分析的對比，給出在中板開大洞時(shí)平面計(jì)算模型如何簡化較為合理，可為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

綜合管廊；開大洞；三維模型；二維模型

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，土地資源越來越稀缺，傳統(tǒng)的管線鋪裝方法會導(dǎo)致施工的不斷重復(fù)，給人民的正常生活帶來了不便，且不利于環(huán)境的保護(hù)，綜合管廊可在源頭上解決這些問題。綜合管廊是指在城市道路下面建造一個(gè)市政共用隧道，將電力、通信、供水、燃?xì)獾榷喾N市政管線集中在一體，實(shí)行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”，以做到地下空間的綜合利用和資源的共享。從保護(hù)環(huán)境，節(jié)約土地資源、保證地下管線安全運(yùn)營等各方面綜合管廊都有積極地意義，是我國管線建設(shè)的方向和趨勢，見圖1。

圖1 綜合管廊示意圖

綜合管廊一般包括干線綜合管廊、支線綜合管廊和電纜溝，根據(jù)《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》（GB 50289－98）有關(guān)規(guī)定，綜合管廊內(nèi)宜敷設(shè)電信電纜管線、低壓配電電纜管線、給水管線、熱力管線、雨污水排水管線。在結(jié)合該區(qū)域道路的延伸情況以及用地情況進(jìn)行平面及橫斷面的設(shè)計(jì)中，還需要進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以保證地下空間的通風(fēng)性、施工設(shè)備的便利進(jìn)出及施工人員的便利進(jìn)出等等施工的實(shí)際需要，以燃?xì)鈧}為例，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一般包括：燃?xì)鈧}投料口（保證燃?xì)夤艿?、設(shè)備的進(jìn)出）及燃?xì)鈧}通風(fēng)口（保證燃?xì)鈧}的通風(fēng)性）。投料口，顧名思義為燃?xì)鈧}設(shè)備的投遞出入口，由于設(shè)備較長，需要留設(shè)較長的洞口來滿足安裝的需求[1-6]。

以海口市某綜合管廊燃?xì)鈧}投料口為例，燃?xì)鈧}投料口洞口長達(dá)13 m。在這種情況下側(cè)壁直接按懸壁進(jìn)行計(jì)算，墻底彎矩會很大，側(cè)壁厚度及配筋都需要增加，一般我們采取在洞口設(shè)置暗梁的方法使得洞口處水平位移很小，小到忽略不計(jì)則認(rèn)為這個(gè)地方是一個(gè)鉸支座，但當(dāng)洞口很大，梁的跨度很長時(shí)，這根梁本身的剛度有限，還是會產(chǎn)生變形，進(jìn)而對側(cè)壁彎矩產(chǎn)生影響，跟平面計(jì)算時(shí)，按鉸支座計(jì)算是不一樣的，但在設(shè)計(jì)時(shí)，不可能每次都將整個(gè)節(jié)點(diǎn)拿出來進(jìn)行三維計(jì)算，本文將通過對特定節(jié)點(diǎn)的三維模型與二維模型受力分析的對比，給出該如何簡化三維模型進(jìn)行計(jì)算對主體結(jié)構(gòu)的彎矩影響可以忽略不計(jì)，以便于設(shè)計(jì)人員的實(shí)際操作。

1 計(jì)算模型

本文以?？谀扯尉C合管廊燃?xì)鈧}投料口為例 ， 采 用 Autodesk RobotStructuralAnalysis Professional2014軟件分別對三維模型和二維平面模型進(jìn)行分析。該節(jié)點(diǎn)處于中心綠化帶下，為雙層雙倉節(jié)點(diǎn)，其中標(biāo)準(zhǔn)段埋深為3.5 m，底板底埋深11.35 m，投料口總長20 m，在-3.500 m標(biāo)高頂板處有一處開洞，洞口長為13 m，洞口處設(shè)置暗梁，暗梁沿整個(gè)節(jié)點(diǎn)X向通長設(shè)置，暗梁尺寸為450 mm× 2 600 mm，頂板厚450 mm,中板厚500 mm,底板及側(cè)墻厚700 mm,中隔墻厚300 mm，混凝土等級為C35，結(jié)構(gòu)的整體三維模型見圖2。

圖2 燃?xì)鈧}投料口三維模型

三維模型中所有板件均采用板單元進(jìn)行模擬，對底板施加彈性約束，限制其在X向和Y向的水平位移，Z向上設(shè)置了無數(shù)個(gè)彈簧，考慮了結(jié)構(gòu)與土體的共同作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)受到的荷載包括：左右兩側(cè)的土壓力和超載產(chǎn)生的土壓力、頂板上的覆土荷載和超載以及底板和中板的活荷載。

圖3為-3.500 m標(biāo)高的頂板平面圖，在其中選取兩個(gè)代表性剖面進(jìn)行平面受力分析，分別為標(biāo)準(zhǔn)段1-1剖面，2-2剖面（見圖4），投料口開洞3-3剖面（見圖5）。平面模型中所有板件采用1 m寬的桿單元進(jìn)行模擬，由于底板不會產(chǎn)生Y方向的位移，只需要限制底板在X方向的位移，Z向上同樣設(shè)置彈性地基，荷載取值與三維模型相同。

圖3 -3.500 m標(biāo)高頂板平面圖(單位：mm)

圖5 投料口開洞處3-3剖面(單位：mm)

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6為三維模型計(jì)算出來的彎矩圖，圖7為三維模型Z向位移云圖，圖8、圖9為二維模型計(jì)算出來的彎矩圖，其中3-3剖面的二維計(jì)算模型中開洞處設(shè)為水平鉸支座，限制該洞口在X方向的位移，其余截面、荷載、底板約束條件均一致。

從三維模型的彎矩彩圖中可以看出，右側(cè)側(cè)墻彎矩沿Y向變化較為均勻，左側(cè)側(cè)墻（開洞一側(cè)）沿Y向變化較大，特別是-6.450標(biāo)高處側(cè)墻底彎矩在洞口處增大較多，從洞口中心處往兩側(cè)此值逐漸減小。

圖6 三維模型彎矩圖

圖7 三維模型Z向位移云圖

圖8 1-1剖面彎矩圖

在三維模型中取三個(gè)剖面與平面計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行對比，根據(jù)圖3所示，這三個(gè)剖面分別為投料口洞口右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段1-1剖、投料口洞口左側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段2-2剖及投料口洞口處3-3剖，將墻底彎矩列表對比，見表1。

從表1中可知，二維模型計(jì)算出來的結(jié)果與三維模型中2-2剖計(jì)算出來的結(jié)果幾乎一樣，最大差異不到1%，但1-1剖面的左側(cè)墻底彎矩比二維模型計(jì)算出來的結(jié)果要大7.35%，這是由于三維模型在整體荷載上的不均勻分布，導(dǎo)致在整個(gè)節(jié)點(diǎn)的右上側(cè)即1-1剖面的左側(cè)墻墻底局部產(chǎn)生了較大的沉降，從而導(dǎo)致洞口右側(cè)的左側(cè)墻底彎矩最大。

圖9 3-3剖面彎矩圖（鉸支座）

表1 彎矩結(jié)果對比（標(biāo)準(zhǔn)段） kN·m

將三維模型中的3-3剖的彎矩結(jié)果與二維模型計(jì)算出來的彎矩結(jié)果列表，見表2?？傻门c標(biāo)準(zhǔn)段相比，3-3剖面的左右側(cè)側(cè)墻底彎矩均小于標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算出來的結(jié)果，三維模型計(jì)算出來的洞口-6.450標(biāo)高處側(cè)墻彎矩比二維模型按鉸支座計(jì)算出來的側(cè)墻彎矩大86.3%，這是由于按鉸支座計(jì)算時(shí)，-3.500 m標(biāo)高暗梁處沒有位移，而實(shí)際情況下此處會產(chǎn)生一定的位移，則會影響到-6.450 m標(biāo)高處側(cè)墻的彎矩，若將此暗梁視為一根簡支梁，則此暗梁將產(chǎn)生0.47 cm的彈性位移，將這一位移賦予此處支座，即在x方向上賦予該支座55 832 kN/m的彈簧剛度，按二維模型計(jì)算后的彎矩圖見圖10。根據(jù)彎矩圖可得，-6.450標(biāo)高處左墻彎矩為388.81 kN.m，比三維實(shí)際計(jì)算結(jié)果大了47%，這是由于-0.800 m標(biāo)高處在二維建模時(shí)x方向是按無約束考慮的，但實(shí)際上-0.800 m標(biāo)高這塊板相當(dāng)于一根1.6 m高的暗梁，端部與側(cè)墻連接，存在有限剛度，根據(jù)x向的位移云圖可知，此塊板最大位移為-0.4 cm，將此剛度在二維平面計(jì)算時(shí)考慮進(jìn)去，則-6.450標(biāo)高處左墻彎矩為260.98 kN·m，見圖11，與三維計(jì)算結(jié)果比較接近。但由于二維計(jì)算模型沒有考慮到空間上力的傳遞，此處由于存在投料口，覆土面積比標(biāo)準(zhǔn)段要小，計(jì)算出來的側(cè)墻彎矩要遠(yuǎn)小于三維模型計(jì)算出來的側(cè)墻彎矩，而實(shí)際三維模型計(jì)算出來的結(jié)果僅比標(biāo)準(zhǔn)段的側(cè)墻彎矩略小，在實(shí)際設(shè)計(jì)配筋時(shí)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋比較合理。

表2 彎矩結(jié)果對比（洞口段） kN·m

圖10 3-3剖面彎矩圖（一處彈性支座）

3 結(jié) 論

本文通過ROBOt軟件對三維模型及二維平面模型的結(jié)果進(jìn)行對比，得出了以下主要結(jié)論：

（1）對于綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段可以直接采用平面模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，與三維模型計(jì)算結(jié)果比較接近，但當(dāng)整個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載在長度方向上分布特別不均勻時(shí)，需要適當(dāng)考慮沉降較大處產(chǎn)生的應(yīng)力集中；

圖11 3-3剖面彎矩圖（兩處彈性支座）

（2）對于開大洞的剖面采用平面模型計(jì)算時(shí)，暗梁處應(yīng)采用彈性支座進(jìn)行模擬，直接按鉸支座計(jì)算對開洞平面下層的側(cè)墻彎矩非常不利，且側(cè)墻彎矩均應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)段二維計(jì)算結(jié)果與開大洞處二維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，因?yàn)殚_大洞處荷載比標(biāo)準(zhǔn)段小，反而會導(dǎo)致側(cè)墻彎矩的減小，直接按此二維結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)是不利的。

（3）開大洞處彈性支座的剛度可按一根兩端簡支的梁在不考慮鋼筋布置的情況下計(jì)算出來的剛度進(jìn)行設(shè)置。

由于本文的計(jì)算對比分析具有針對性，對于開洞跨度小于13m的投料口具有借鑒意義，但當(dāng)跨度特別大時(shí)，由于空間作用傳遞效率的折減，彈性支座的剛度如何選取還需要進(jìn)一步論證。

[1]GB 50838-2015,城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50069-2016,給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[4]周志剛.某綜合管廊受力性能分析[J].低溫建筑技術(shù),2012(5): 61-62.

[5]胡維思.城市地下綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].工程技術(shù)（引文版），2016,6(9):267.

[6]胡詠祥.城市綜合管廊設(shè)計(jì)重點(diǎn)及實(shí)例應(yīng)用探究[J].建筑科技, 2016(8):152-153.

TU990.3

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1009-7716（2017）01-0161-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.047

2016-10-27

唐甜甜（1986-），女，湖北仙桃人，工程師，從事城市綜合管廊設(shè)計(jì)工作。