王嘉偉

（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）

0 引言

綜合管廊，是建于城市地下容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施[1]。它從根本上解決了由于敷設(shè)或維修管線而導(dǎo)致的道路重復(fù)開挖問題，為城市的發(fā)展預(yù)留了寶貴的地下空間。近年來，伴隨著綜合管廊的大面積建設(shè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于綜合管廊的開展了大量研究，在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，主要集中在其抗震計(jì)算[2]、預(yù)制裝配式構(gòu)件的性能參數(shù)[3-4]以及荷載計(jì)算方法[5]等，且大都針對(duì)管廊的標(biāo)準(zhǔn)段，較少涉及特殊節(jié)點(diǎn)的討論[6]。

由于管廊標(biāo)準(zhǔn)段的縱向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其壁板可按單向板進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)過程一般采用閉合框架法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算[1]。然而，部分特殊節(jié)點(diǎn)（如人員出入口、管線分支口等）由于廊內(nèi)空間不足，平面內(nèi)局部需外擴(kuò)，且有大開孔，此時(shí)基于閉合框架法的二維計(jì)算模型的安全性和經(jīng)濟(jì)性有待商榷。以某綜合管廊的人員出入口為例，本文采用Autodesk平臺(tái)下的有限元專業(yè)分析軟件Robot2016，通過對(duì)比二維簡(jiǎn)化模型和三維精細(xì)化模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)以此為代表的特殊節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

根據(jù)擬建區(qū)域的管線規(guī)劃、各類管線的入廊需求及綜合管廊的建設(shè)成本，本工程綜合管廊設(shè)計(jì)為單艙斷面形式，斷面尺寸及布置形式見圖1，斷面總尺寸為3.8 m（寬）×3.7 m（高）。管廊埋設(shè)于綠化帶下方，埋深為3 m。

圖1 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖（單位：mm）

人員出入口為外部人員進(jìn)出管廊的主要通道，可獨(dú)立設(shè)置，亦可與其他特殊節(jié)點(diǎn)合并設(shè)置。本工程人員出入口的總長(zhǎng)度為15 m，總寬度為6.75 m（其中兩側(cè)挑板各0.6 m），總高度為7.39 m（其中地面以上1.04m），底板底埋深為6.35m，底板、中板厚550mm，頂板厚350mm，壁板厚500mm。頂板上翻部分為該節(jié)點(diǎn)凸出地面的主體結(jié)構(gòu)，頂板和中板均設(shè)大開洞（6.32 m×1.0 m）以安裝鋼筋混凝土樓梯，節(jié)點(diǎn)見圖2。

圖2 人員出入口節(jié)點(diǎn)詳圖（單位：mm）

2 荷載取值方法

本管廊工程的豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、覆土荷載、地面超載、水浮力及管廊內(nèi)活荷載，水平向荷載包括水土側(cè)向荷載和由地面超載引起的側(cè)向荷載。根據(jù)施工階段的不同，荷載組合工況有所差別。對(duì)比各種荷載組合工況，最終選擇所有荷載均考慮的工況為計(jì)算工況。各類荷載的計(jì)算過程如下：

（1）結(jié)構(gòu)自重q1，主要為管廊主體結(jié)構(gòu)的重量，混凝土重度按25 kN/m3由程序自動(dòng)計(jì)算；

（2）覆土荷載q2，包括管廊頂板及底板挑出部分的覆土：

式中：γt為覆土重度，取為 18 kN/m3；ht為覆土厚度，視管廊埋深而定。

（3）地面超載q3，根據(jù)管廊在道路下方的位置不同，分別對(duì)應(yīng)于地面汽車荷載（管廊位于道路下方）、地面綠化帶或景觀建設(shè)帶來的荷載（管廊位于綠化帶下方）、人行荷載（管廊位于人行道或非機(jī)動(dòng)車道下方）等。盡管本工程管廊位于綠化帶下方，但是考慮到綜合管廊為百年工程，使用過程中可能出現(xiàn)意外超載，故q3取20 kPa。

（4）水浮力：

式中：γw為水重度，取為 10 kN/m3；hw為水深，本工程設(shè)計(jì)水位取為地面標(biāo)高。

（5）管廊內(nèi)活載q5，主要為管廊內(nèi)支架及管線重量，考慮到本單體內(nèi)設(shè)鋼筋混凝土樓梯，且可能出現(xiàn)較多人員出入的情況，q5取10 kPa。

（6）水土側(cè)向荷載q6，根據(jù)管廊擬建區(qū)域的土質(zhì)情況，采用水土分算進(jìn)行計(jì)算，其簡(jiǎn)化算法為：

式中：γs可取為 13 kN/m3；hs為管廊埋深。

（7）由地面超載引起的側(cè)向荷載q7：

式中：βr為折算系數(shù)，可取為0.7。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 二維簡(jiǎn)化模型

截取單位長(zhǎng)度的人員出入口外擴(kuò)段建立二維節(jié)段模型，采用二維梁?jiǎn)卧M節(jié)點(diǎn)的壁板、底板、中板和頂板，結(jié)構(gòu)與地基的相互作用采用桿-彈性基礎(chǔ)模擬，設(shè)置為單向彈簧，只提供向上的反力，地基土基床系數(shù)取為20 000 kPa，計(jì)算模型見圖3。此處并未考慮中板和頂板大開洞的影響，是由于洞口附近會(huì)設(shè)置框架梁（暗梁）補(bǔ)強(qiáng)，建模時(shí)可不考慮開洞對(duì)于板件強(qiáng)度的影響開洞兩側(cè)區(qū)域的板件建議根據(jù)其長(zhǎng)寬比按單向板或雙向板單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖3 二維計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

3.2 三維精細(xì)化模型

以變形縫為界，建立整個(gè)人員出入口主體結(jié)構(gòu)部分的三維精細(xì)化模型。采用三維板單元進(jìn)行建模，設(shè)定最小網(wǎng)格尺寸為0.25 m，由程序自動(dòng)生成四邊形網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理，以滿足工程設(shè)計(jì)要求。邊界條件的設(shè)置與二維簡(jiǎn)化模型類似，計(jì)算模型見圖4。

圖4 三維計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

綜合管廊為地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體直接與土壤和地下水接觸，且有一定的防水、抗?jié)B要求，因此，規(guī)范中明確指出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度限值應(yīng)小于或等于0.2 mm，且不得貫通[7]。大量工程實(shí)踐也表明，以正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度作為控制指標(biāo)，能滿足大部分項(xiàng)目的耐久性和安全性要求。因此，本文以截面彎矩作為主要研究指標(biāo)，對(duì)人員出入口的受力特征進(jìn)行分析探討。

圖5為本節(jié)點(diǎn)二維計(jì)算模型的彎矩計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)的傳力體系比較明確，底板和下半部分壁板為主要受力構(gòu)件，頂板在地面堆載和側(cè)向水平荷載的協(xié)同作用下亦出現(xiàn)了較大的支座彎矩。

圖5 二維計(jì)算模型彎矩計(jì)算結(jié)果

圖6為本節(jié)點(diǎn)三位計(jì)算模型各板件主受力方向的彎矩云圖。對(duì)比圖5，可以得出以下論點(diǎn)：

（1）二維模型的計(jì)算結(jié)果能較好地反映出整個(gè)壁板、底板以及中、頂板支座區(qū)域的受力最不利部分（節(jié)段模型中部區(qū)域）在主要受力方向上的彎矩變化趨勢(shì)；

（2）中板和頂板大開洞附近區(qū)域存在較大彎矩，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，采用二維模型計(jì)算時(shí)，對(duì)該區(qū)域的板件，應(yīng)根據(jù)其長(zhǎng)寬比及洞口附近加固情況，進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)計(jì)算；

圖6 三維計(jì)算模型各板件主受力方向彎矩云圖

（3）由云圖可以看出，底板和右側(cè)壁板大部分為單向板，而剩余板件則有較大部分為雙向板，若根據(jù)二維模型按單向板設(shè)計(jì)，對(duì)此類區(qū)域可進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低造價(jià)。

進(jìn)一步分析三維精細(xì)化模型的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在中板的挑出部分和頂板縱向的角隅部分，均存在較大的非主受力方向的彎矩，見表1。前者是由懸挑板上的覆土重量引起的，而后者則是地面堆載和側(cè)面荷載協(xié)同作用下的產(chǎn)物。

表1 不同計(jì)算模型彎矩極值對(duì)比

4 結(jié)論

基于有限元分析法，本文分別建立了某綜合管廊工程人員出入口的二維平面框架模型和三維空間結(jié)構(gòu)模型，對(duì)兩者在相同荷載條件下的力學(xué)分布特征進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）二維模型能較好地反映結(jié)構(gòu)主受力方向的彎矩極值及變化趨勢(shì)，但是大開洞區(qū)域附近需做加強(qiáng)，且板件需根據(jù)支承情況獨(dú)立計(jì)算；

（2）底板和非外擴(kuò)的壁板可整個(gè)作為單向板考慮，其余板件雙向受力的區(qū)域較大，可進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；

（3）中板挑出部分和頂板縱向角隅部分存在較大的非受力方向的彎矩，需進(jìn)行加強(qiáng)。

地下綜合管廊，作為城市的“地下血管”，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方面應(yīng)保留足夠的安全裕度，力爭(zhēng)打造“百年工程”。