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裝配式混凝土構(gòu)件在城市綜合管廊中的應(yīng)用分析

徐良興1楊延玉2王海東1劉勇1歐陽萌莎1

(1.南京市政管理處江蘇南京210000；2.江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司江蘇南京210000)

城市綜合管廊是將醫(yī)療、電力、通信和排水等功能集于一體的隧道工程，裝配式混凝土構(gòu)件應(yīng)用到管廊的施工中，可以提高工程質(zhì)量和安全水平，節(jié)約時間和經(jīng)濟成本。介紹了管廊預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)及其連接方式，分析了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和截面受力特征。

綜合管廊；預(yù)制拼裝；構(gòu)件連接；受力

一、引言

隨著城市建設(shè)標準的提高和理念的更新，城市綜合管廊的概念應(yīng)運而生。國外在十九世紀開始綜合管廊建設(shè)方面的探索，我國在建國之后開始引進國外的技術(shù)并在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展[1]。建設(shè)之初，管廊的作用主要包括給排水、通訊、電力，隨著管廊技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的管廊除了最初的作用外還囊括了醫(yī)療、燃氣以及其他市政管線等。預(yù)制拼裝構(gòu)件應(yīng)用到綜合管廊比現(xiàn)有的明挖現(xiàn)澆技術(shù)更加具有優(yōu)勢，不僅提高了工效，也有效保證了工程質(zhì)量。

二、管廊的優(yōu)勢

(一)避免其他管線施工影響

在城市建設(shè)過程中，尤其是在道路的施工過程中，首先要做的就是管線遷移。在城市有限的地下空間中，各種管線紛繁錯雜，不同管線施工范圍不一，就不可避免對之前埋設(shè)的管線造成損害，影響正常使用。綜合管廊就是預(yù)先留出一定的地下空間，用來埋設(shè)各種管線。因此，綜合管廊可以有效的避免某一管線施工對其它管線的影響，保證各管線安全、穩(wěn)定的運行。

(二)有利于統(tǒng)一管理

目前，國內(nèi)建設(shè)的綜合管廊是預(yù)先留出不同使用功能的獨立管倉，這樣不僅可以避免不同管線之間相互影響，也有利于不同管理、養(yǎng)護部門對專門管線進行維護。

三、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與連接方式

(一)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是將預(yù)制的混凝土結(jié)構(gòu)連接、拼裝成一個整體的受力結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可分為：裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)、裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu)等主要結(jié)構(gòu)體系。

1.裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)

裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)一般由全部或者部分框架梁、框架柱等采用預(yù)制構(gòu)件建成的裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)，其樓板、樓梯、外掛墻板等構(gòu)件也全部或部分采用預(yù)制構(gòu)件。

2.裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系有：疊合式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、全預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。疊合式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是指采用疊合式的墻板和疊合式的樓板，并配合必要的現(xiàn)澆混凝土剪力墻、邊緣構(gòu)件、梁、板等構(gòu)件共同形成的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)。

全預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻全部采用預(yù)制墻板，樓板采用疊合樓板，預(yù)制剪力墻之間的接縫采用濕法連接，水平接縫處的鋼筋可采用套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和底部預(yù)留后澆區(qū)內(nèi)鋼筋搭接連接的形式。

3.裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu)

裝配整體式框架-剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu)，框架部分與裝配式框架類似，剪力墻部分可以采用現(xiàn)澆剪力墻也可采用預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)，若剪力墻布置成核心筒形式即形成裝配式框架剪力墻結(jié)構(gòu)[7]。

(二)裝配式混凝土構(gòu)件連接

1.套筒灌漿連接

將套筒埋入預(yù)制墻體底端，兩頭分別連接預(yù)制墻體縱向鋼筋和預(yù)留后插鋼筋，待后插鋼筋插入后通過灌漿孔向套筒內(nèi)部灌入高強無收縮混凝土灌漿料。兩段插筋通過與硬化后的高強灌漿料之間的黏結(jié)力和咬合力實現(xiàn)有效傳力[8]。同時，套筒內(nèi)部設(shè)置螺紋或抗剪筋以增加灌漿料同套筒之間的黏結(jié)咬合，防止灌漿料同套筒之間發(fā)生滑移破壞。

2.漿錨搭接連接

漿錨搭接是目前工程界廣泛使用的間接鋼筋搭接方式，形式較多，包括螺旋箍筋約束的套筒漿錨搭接，抽芯成孔留洞漿錨搭接，波紋管漿錨搭接，螺旋箍筋約束波紋管漿錨搭接等。

四、不同結(jié)構(gòu)受力對比

裝配式混凝土應(yīng)用時主要考慮混凝土的強度、剛度和穩(wěn)定性。假設(shè)不同裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、材料和環(huán)境相同，則結(jié)構(gòu)的強度和剛度之間的差異可以忽略不計，本節(jié)重點分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。裝配式混凝土構(gòu)件在房屋建筑工程和水利工程(箱涵除外，可以看做具有單一使用功能的管廊)中橫向受力條件與其在綜合管廊中的橫向受力條件不一樣。這就導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件截面受力情況不一樣。

(一)整體結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)實際工程中管廊所處的地下條件，分析管廊受力情況，管廊受力如圖1所示。

圖1 管廊整體受力圖

房屋建筑整體結(jié)構(gòu)中樓板受到上部荷載P1，底板受到地基反向承載力P2；管廊總體結(jié)構(gòu)而言，頂板受到上部壓力P1，底板受到下部地基反向承載力P2，豎向側(cè)墻受到周圍側(cè)向土壓力P3和P4。考慮地震荷載和風(fēng)荷載的情況下，房屋建筑結(jié)構(gòu)沒有側(cè)向土壓力作用，而管廊結(jié)構(gòu)則受到側(cè)向土壓力的約束作用。當考慮地震荷載和風(fēng)荷載時，該兩種荷載對房屋建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更加不利。

選取房屋建筑結(jié)構(gòu)和管廊結(jié)構(gòu)中一個側(cè)墻進行最不利穩(wěn)定性分析，即垂直于側(cè)墻的穩(wěn)定性分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體受力情況，可以將房屋建筑結(jié)構(gòu)中側(cè)墻簡化成一端固定連接，一端自由連接的受力桿件，其長度系數(shù)μ=2；將管廊結(jié)構(gòu)中側(cè)墻簡化成一端固定連接，一端鉸接連接的受力桿件，其長度系數(shù)μ=0.7。根據(jù)歐拉公式分別計算出房屋建筑結(jié)構(gòu)和管廊結(jié)構(gòu)的的穩(wěn)定承載力[10]。利用歐拉公式計算桿件的臨界壓力Pcr，如公式1所示。

式1

式中：E為桿件的剛度系數(shù)；

I為桿件的慣性矩；

μ為桿件的長度系數(shù)。

根據(jù)歐拉公式可以計算出相同結(jié)構(gòu)尺寸及材料的情況下，管廊結(jié)構(gòu)的臨界壓力大于房屋建筑結(jié)構(gòu)的臨界壓力，所以管廊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性比房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高。當考慮風(fēng)荷載與地震的水平荷載作用時，其對房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更加不利。

(二)混凝土截面受力

取綜合管廊結(jié)構(gòu)和房屋建筑結(jié)構(gòu)頂板中部混凝土截面進行受力分析：管廊結(jié)構(gòu)頂板受到頂部豎向均布荷載和橫向荷載作用，而房屋建筑結(jié)構(gòu)頂板只受到豎向荷載作用。所以房屋建筑結(jié)構(gòu)截面上部受到壓力作用，而下部由于彎矩而受到拉力作用，頂板截面受力如圖2(a)所示，其中h1為受壓區(qū)高度、h2為受拉區(qū)高度。當綜合管廊頂板側(cè)向土壓力作用小于截面拉力作用時，其截面受力情況如圖2(b)所示。

圖2 頂板截面受力圖左(a)、右(b)

由此可見，在同樣的結(jié)構(gòu)和材料情況下，房屋建筑結(jié)構(gòu)截面受壓區(qū)高度小于綜合管廊頂板截面受壓區(qū)高度，房屋建筑結(jié)構(gòu)截面受拉區(qū)高度大于綜合管廊頂板截面受拉區(qū)。由于假設(shè)兩種結(jié)構(gòu)中鋼筋的配置情況相同，所以不考慮鋼筋配置對截面受壓區(qū)和受拉區(qū)高度的影響。當兩者的豎向撓度相同時，前者的混凝土裂縫寬度大于后者，對結(jié)構(gòu)安全更加不利。

因此，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)尺寸和材料相同的情況下，綜合管廊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和截面受力性能比一般房屋建筑結(jié)構(gòu)更好。

五、管廊與裝配式混凝土結(jié)合優(yōu)點

(一)管廊與套筒灌漿技術(shù)

由4.2節(jié)可知，截面靠近中性層部位承受拉力和壓力比截面邊緣部位小。將裝配式混凝土中的套筒灌漿技術(shù)應(yīng)用到綜合管廊中時，在兩側(cè)混凝土套筒中間澆筑混凝土，具有兩方面的優(yōu)勢。

1.保證質(zhì)量

裝配式混凝土套筒大多在混凝土預(yù)制廠預(yù)制?；炷令A(yù)制廠良好的的養(yǎng)護環(huán)境可以保證裝配式混凝土套筒的質(zhì)量，而套筒置于截面邊緣，承受力的作用比較大?？梢允构芾鹊馁|(zhì)量得到保證。

2.節(jié)約材料和經(jīng)費

在灌漿時，可以利用中性層部位受力較小的特點，適當降低混凝土強度，節(jié)省了水泥等用料，進而節(jié)約了工程的經(jīng)費支出。

(二)結(jié)構(gòu)受力

與房屋建筑結(jié)構(gòu)和其他用途結(jié)構(gòu)相比，綜合管廊結(jié)構(gòu)承受側(cè)向土壓力的作用，可以提高綜合管廊結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

裝配式構(gòu)件在組裝時，需要考慮的一個重要因素就是整體穩(wěn)定性。因此，將兩種技術(shù)結(jié)合起來，可以優(yōu)勢互補。

(三)施工方面優(yōu)勢

裝配式混凝土應(yīng)用到綜合管廊中，主要有兩個施工方面的優(yōu)勢。

1.節(jié)省地下作業(yè)空間

綜合管廊多規(guī)劃在城市人口密集、土地使用緊張的地方，這就決定了綜合管廊在施工時必須利用有限的作業(yè)空間。施工時，綜合管廊地坑開挖的空間有限，地下模板作業(yè)受到限制，使用裝配式混凝土構(gòu)件可以很好的解決這個問題。

2.加快施工速度

綜合管廊的另一個特點是時間緊，因此施工速度至關(guān)重要。裝配式混凝土的應(yīng)用，可以有效的減少支模等工序，還可以將構(gòu)件預(yù)制與其他現(xiàn)場施工工序同時進行，進而節(jié)約施工時間；此外，還可以節(jié)省勞動力成本，進而減少開支。

六、結(jié)論

相對于其他用途結(jié)構(gòu)而言，將裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用到管廊中可以有效的將二者的優(yōu)勢結(jié)合起來。裝配式混凝土技術(shù)與綜合管廊聯(lián)合應(yīng)用還處于起步階段[5]，將裝配式混凝土應(yīng)用到綜合管廊中是一種趨勢。本文通過分析，得出以下三點結(jié)論：

(1)綜合管廊的使用條件決定了其結(jié)構(gòu)比房屋建筑等其他一般結(jié)構(gòu)更具有穩(wěn)定性，可以彌補裝配式混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的缺陷。

(2)裝配式套筒灌漿技術(shù)的應(yīng)用，可以使綜合管廊質(zhì)量得到保證的同時，節(jié)省材料方面的支出。

(3)綜合管廊施工空間有限、時間緊迫，裝配式混凝土構(gòu)件減少了支模等工序，需要的作業(yè)空間小，并且節(jié)約施工時間。

[1]賈志恒,陳戰(zhàn)利,李雯琳.城市地下綜合管廊的現(xiàn)狀及發(fā)展探索[J].江西建材，2016(12)：6-7.

[2]王靖.城市地下綜合管廊建設(shè)研究及裝配式鋼制綜合管廊應(yīng)用初探[J].中國勘察設(shè)計，2017(07):100-103.

[3]何潔,何勇.淺談綜合管廊在市政工程中的應(yīng)用[J].建筑與預(yù)算，2014(01):30-32.

徐良興(1984.02-)，男，江西廣豐人，本科學(xué)歷，工程師，副科長，主要從事市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督和市政工程領(lǐng)域研究工作。

楊延玉(1992.12-)，男，從事土木工程材料領(lǐng)域研究。