王研 汪鵬 胡志華

（中鐵四局集團有限公司設(shè)計研究院 合肥230041）

引言

城市地下綜合管廊是城市建設(shè)現(xiàn)代化、科技化、集約化的標(biāo)志之一，是城市地下空間充分利用、保障城市安全運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市的生命線。

采用裝配式管廊可以大大提高施工效率，降低施工對周邊環(huán)境的影響，是今后管廊建設(shè)的發(fā)展方向。全預(yù)制裝配式管廊為全斷面預(yù)制，根據(jù)運輸、起吊能力確定縱向分節(jié)長度，采用承插方式進行縱向連接，環(huán)向粘貼單圈或雙圈遇水膨脹橡膠作為結(jié)構(gòu)防水彈性密封墊，通過在節(jié)間結(jié)構(gòu)倒角處施加縱向預(yù)應(yīng)力使彈性密封墊達到一定界面應(yīng)力，從而滿足結(jié)構(gòu)防水要求。管廊橫斷面及拼裝示意見圖1。

全預(yù)制裝配式管廊縱向跨度大，在一些特殊地段因基底土層厚度變化大，導(dǎo)致兩沉降縫之間管廊沉降差異較大。沉降差會使管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角并影響其防水效果，工程中需通過調(diào)整縱向張拉力來減小因節(jié)間相對位移造成的彈性密封墊界面應(yīng)力損失。因此，研究全預(yù)制裝配式管廊不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)沉降差與張拉控制應(yīng)力之間的關(guān)系是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

本文通過某雙倉綜合管廊工程實例，總結(jié)出結(jié)構(gòu)不均勻沉降差、彎曲位移及張拉力之間的相互關(guān)系，建立理論體系，為今后的全預(yù)制拼裝設(shè)計提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

某城市綜合管廊工程為雙倉全預(yù)制裝配式管廊，截面寬8.2m，高 4.95m，基坑開挖深度7.5m，頂部回填土厚2.5m，地下水位于地表以下3m。

管廊縱向按2m一節(jié)分節(jié)，采用C40混凝土預(yù)制，節(jié)間采用隼口連接，環(huán)向粘貼遇水膨脹彈性橡膠，縱向在節(jié)間結(jié)構(gòu)倒角處采用直徑32mm的高強精軋螺紋鋼對拉，后通過預(yù)留注漿孔注漿填實。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 裝配式雙倉管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.2 Standard section of assembled double warehouse corridor

1.2 地質(zhì)情況

該管廊工程基坑開挖深度約7.5m，管廊基底持力土層存在范圍變化大、層厚變化劇烈的情況，施工縫兩端將因土層不均勻沉降產(chǎn)生較大沉降差，因此，需通過計算得到該段管廊在該沉降差下產(chǎn)生最大節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移時滿足結(jié)構(gòu)防水要求的張拉控制力。管廊結(jié)構(gòu)典型地質(zhì)柱狀圖如圖3所示，土層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 管廊結(jié)構(gòu)典型地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Typical geological histogram of pipe trech structure

表1 土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Soilmechanical parameters

2 計算分析

2.1 分析模型及概述

本文采用有限元軟件進行計算，按照工程實際情況建立15節(jié)全預(yù)制裝配式管廊整體模型，2m一節(jié)共30m（全預(yù)制拼裝管廊一般每30m設(shè)一道變形縫）。節(jié)間在倒角處采用縱向張拉精軋螺紋鋼連接，計算模型通過在節(jié)間倒角處施加縱向張拉力模擬其提供的預(yù)應(yīng)力；管廊節(jié)間防水采用橫斷面環(huán)向粘貼遇水膨脹橡膠彈性密封墊，計算模型中通過摩擦接觸模擬混凝土與彈性密封墊之間的連接關(guān)系，各材料屬性如表2所示。將第一節(jié)及最后一節(jié)管廊縱橫向固定，在端部管廊處施加一定量的豎向強制位移來模擬其不均勻沉降引起的沉降差，由結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可知，在全預(yù)制管廊整體模型兩端施加各種約束條件中，兩端固定的情況下為結(jié)構(gòu)彎曲變形的最不利情況，因此，本文按最不利情況考慮邊界條件，將管廊兩端固定，并在兩端分別設(shè)置位移荷載，如圖4所示。

表2 材料屬性Tab.2 Material property

圖4 管廊邊界條件Fig.4 Corridor boundary condition

為得到不均勻沉降引起的沉降差和張拉控制應(yīng)力的關(guān)系，需先通過沉降差計算出結(jié)構(gòu)的最大彎曲位移，然后通過計算得到彎曲位移限值與滿足防水要求的張拉力之間的關(guān)系，從而得到縱向精軋螺紋鋼張拉控制應(yīng)力值。

2.2 不均勻沉降與節(jié)間彎曲位移的轉(zhuǎn)化

建立全預(yù)制裝配式管廊整體模型，在兩端管廊以豎向強制位移形式施加因不均勻沉降引起的管廊結(jié)構(gòu)沉降差，通過計算得出每節(jié)管廊的節(jié)間豎向位移Si和S′i，通過幾何關(guān)系推導(dǎo)出每節(jié)管廊傾斜角度θ（本文中所有轉(zhuǎn)角均為小轉(zhuǎn)角，故可認(rèn)為 θ＝sinθ）：

節(jié)間轉(zhuǎn)角Δθ計算式為：

將等式兩邊同時乘以單節(jié)管廊長度l，得到由于管廊相對轉(zhuǎn)角變化而產(chǎn)生的位移稱之為節(jié)間彎曲位移D（見圖6）：

圖5 節(jié)間相對位移示意Fig.5 Sketch of relative displacement of internode

取30m管廊兩端縱橫向固定計算，對端部管廊分別模擬沉降差為25mm、50mm、75mm和100mm時的工況，計算在該沉降差下管廊節(jié)間最大彎曲位移，其中沉降差為50mm工況的計算結(jié)果如圖6所示，計算結(jié)果可以得到每一節(jié)管廊的節(jié)間豎向位移，并通過式（3）可計算出每節(jié)節(jié)間彎曲位移，取其中最大值統(tǒng)計結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖6 沉降差為50mm時的管廊豎向位移（單位：mm）Fig.6 Vertical displacement of pipe corridor with settlement difference of50mm（unit：mm）

表3 管廊沉降差與最大節(jié)間彎曲位移關(guān)系計算結(jié)果（單位：mm）Tab.3 Calculation results of the relationship between uneven settlement of tube gallery and maximum internode bending displacement（unit：mm）

從表3中可以看出，長度相同的管廊最大節(jié)間彎曲位移與管廊沉降差之間成線性關(guān)系，即：

2.3 節(jié)間位移允許值與張拉控制應(yīng)力相關(guān)性分析

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50838－2015）要求，為滿足裝配式管廊結(jié)構(gòu)防水要求，節(jié)間彈性密封墊界面應(yīng)力不應(yīng)低于1.5MPa。

通過建立兩節(jié)全預(yù)制裝配式管廊實體模型來研究節(jié)間彎曲位移對橡膠界面應(yīng)力的影響。管廊截面、精軋螺紋鋼與防水橡膠彈性密封墊按圖7布置。將第一節(jié)管廊固定，兩節(jié)管廊通過預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼連接，參考表3得到的最大彎曲位移結(jié)果在第二節(jié)管廊的一端以強制位移形式施加0～4mm的位移，該位移為節(jié)間相對位移，加載模型如圖8所示。通過試算得到當(dāng)節(jié)間相對位移為0時，使彈性密封墊界面應(yīng)力剛好達到滿足結(jié)構(gòu)防水要求的1.5MPa的張拉力為132kN，此時管廊只要稍作轉(zhuǎn)動，即無法滿足結(jié)構(gòu)防水要求。將132kN作為張拉力臨界值，分別按其大小的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍和1.5倍進行加載，得到各級張拉力下防水橡膠界面應(yīng)力與節(jié)間相對位移關(guān)系，如圖9所示。

圖7 全預(yù)制管廊倒角裝配圖Fig.7 Chamfering of complete prefabricated pipe gallery

圖8 兩節(jié)管廊加載工況Fig.8 Loading diagram of two pipe corridors

圖9 節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移與防水橡膠最小應(yīng)力的關(guān)系Fig.9 Relationship between relative rotation angle of joints and minimum stress of waterproof rubber

圖9為管廊環(huán)向防水橡膠最小應(yīng)力在各級張拉力作用下對應(yīng)的節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移值，當(dāng)縱坐標(biāo)取防水橡膠最小界面應(yīng)力為1.5MPa時（即規(guī)范要求滿足預(yù)制管廊節(jié)間防水的最小界面應(yīng)力），與各級張拉力對應(yīng)的節(jié)間相對位移值即為節(jié)間允許相對轉(zhuǎn)角位移，結(jié)果如表4及圖10所示。

表4 張拉力與節(jié)間位移允許值的關(guān)系Tab.4 Relationship between tensile force and allowable value of displacement

圖10 張拉力與節(jié)間位移允許值的關(guān)系Fig.10 Relation between tensile force and allowable value of displacement

從圖10可以看出，張拉力F與節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移允許值D之間符合一元線性回歸關(guān)系，即張拉力F越大，允許的節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移D也越大，本計算模型中滿足結(jié)構(gòu)防水要求的臨界張拉控制力F與節(jié)間相對轉(zhuǎn)角位移允許值D之間的關(guān)系式可擬合為：

將式（4）代入（5）得到滿足防水要求的臨界張拉控制力F與管廊結(jié)構(gòu)不均勻沉降差S之間的關(guān)系式為：

2.4 工程實例計算及分析

按總結(jié)出的理論體系對概況中雙倉綜合管廊工程進行驗證性計算。管廊重量均按照標(biāo)準(zhǔn)橫斷面和設(shè)備計算，所得重力荷載為F＝447kN／m，管廊頂覆土按2.5m計，覆土重度按19.5 kN／m3計，基底應(yīng)力為p＝134.7kPa。經(jīng)計算得出在合理布置沉降縫的土層厚度變化較大地段，管廊結(jié)構(gòu)一端沉降量為80mm，另一端沉降量為23mm，該段管廊最大沉降差為57mm，由表3進行內(nèi)插計算可得管廊最大節(jié)間彎曲位移為1.57mm，將此值代入式（5），可得張拉力至少為166.5kN時才能保證結(jié)構(gòu)防水要求。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)以上計算及分析，得出以下結(jié)論：

1.通過對30m雙倉管廊在地質(zhì)變化段的模型進行計算分析，得出管廊沉降差S與管廊節(jié)間最大彎曲位移D存在一元回歸關(guān)系，在本工程模型中該關(guān)系為D＝0.0276S；

2.通過對兩節(jié)管廊實體的有限元分析，得出示例工程采用的全預(yù)制裝配式管廊不均勻沉降差為0時，滿足結(jié)構(gòu)防水要求的臨界張拉力為132kN；

3.通過分級加載（按臨界張拉控制力132kN的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍和1.5倍），計算出各個張拉力下節(jié)間允許相對位移，得出張拉控制力與滿足防水要求的節(jié)間相對位移允許值滿足F＝22D＋132；

4.總結(jié)出通過已知管廊結(jié)構(gòu)不均勻沉降差，得出與其對應(yīng)的能夠滿足結(jié)構(gòu)防水要求的張拉控制力值的推導(dǎo)過程，并以某城市雙倉綜合管廊項目為例，計算出不均勻沉降差為57mm時，所需滿足防水要求的臨界張拉力為166.5kN。在實際設(shè)計中需考慮一定的安全系數(shù)適當(dāng)加大張拉控制力。

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