尹克明 張樺 牛犇 林雪斌

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 成都610081)

引言

城市地下管線包括供水、 排水、 燃氣、 熱力、 電力、 通信等, 是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。 隨著我國城市化進程的快速推進, 市政管線頻繁的擴容、 更換、 維修, 導(dǎo)致城市道路“拉鏈路”現(xiàn)象和管線事故頻發(fā), 極大地影響了城市的安全運行, 傳統(tǒng)的城市地下管線的建設(shè)越來越不能滿足城市整體規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展的需要[2]。 2014 年6 月3 日國務(wù)院辦公廳印發(fā)并實施了《關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》, 明確部署加強城市地下管線建設(shè)管理, 要求穩(wěn)步推進城市地下綜合管廊建設(shè)。

綜合管廊是建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施[3], 其不僅可以實現(xiàn)各類市政公用管線的集約化建設(shè)與管理, 而且還可以避免因管線事故頻發(fā)而反復(fù)開挖路面, 進而顯著提升管線安全、 管理水平、 防災(zāi)救災(zāi)能力以及城市地面景觀[4]。 目前綜合管廊的建設(shè)規(guī)模已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一[5]。

綜合管廊通常由標(biāo)準(zhǔn)斷面及形式各異的節(jié)點構(gòu)成[6]。 標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)形式規(guī)則, 環(huán)向閉合結(jié)構(gòu)也確保了其整體性, 其結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計較為簡單[7,8], 如圖1a 所示。 管廊各類特殊節(jié)點由于結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則且存在大開孔情況,受力分析及設(shè)計均較為復(fù)雜[9,10], 因此節(jié)點的合理設(shè)計是保證管廊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。目前既有文獻較少關(guān)注節(jié)點的受力分析。 雷蘇文[11]基于建立的綜合管廊通風(fēng)口節(jié)點模型, 對管廊節(jié)點抗浮穩(wěn)定性及地基承載力進行了分析。魏沖[12]采用Midas Gen 軟件構(gòu)建了綜合管廊投料口節(jié)點三維分析模型, 研究了投料口節(jié)點的結(jié)構(gòu)受力, 開展了節(jié)點合理化設(shè)計。 針對節(jié)點設(shè)計的既有研究多是結(jié)合實際工程的優(yōu)化分析,并不具有普適性。

圖1 綜合管廊斷面Fig.1 Utility tunnel section

綜合管廊節(jié)點形式多樣, 其中最不利的即為燃氣艙吊裝口的孔洞, 如圖1b 所示。 燃氣艙吊裝口的不利性主要體現(xiàn)在兩個方面: 一是然氣艙一般設(shè)置在管廊的最外側(cè), 導(dǎo)致吊裝口孔洞靠近管廊頂板邊緣, 對相鄰?fù)鈧?cè)壁頂部的支撐固定的削弱效應(yīng)也更直接, 由正常無開口時的接近固定約束變成開口時的彈性約束(如圖2), 進而顯著增大管廊外壁底部彎矩, 增大結(jié)構(gòu)設(shè)計難度及工程造價； 二是燃氣艙吊裝口孔洞縱向長度通常較長, 最長可達到12m, 對單、 雙艙室閉合管廊橫向整體性的削弱效應(yīng)顯著。 因此, 亟需要開展燃氣艙吊裝口的結(jié)構(gòu)分析和加強措施研究, 然而目前未見相關(guān)研究報道。

圖2 外側(cè)壁頂部約束示意Fig.2 Diagram of top constraint of outer wall

本文在既有研究基礎(chǔ)上, 基于有限元法對綜合管廊燃氣艙吊裝口的受力及結(jié)構(gòu)加強措施進行研究, 探索吊裝口較合理的新型加強方式, 以保障管廊結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

1 模型及參數(shù)

本文采用有限元分析軟件Midas Gen 進行建模。 Midas Gen 軟件適用于大跨結(jié)構(gòu)、 空間結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、 特種結(jié)構(gòu)和市政結(jié)構(gòu)等建筑工程, 且已應(yīng)用于綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[13]。

綜合管廊燃氣艙吊裝口的斷面尺寸如圖3 所示, 吊裝口寬度為1000mm, 偏置于內(nèi)壁一側(cè),洞邊離外壁剩余截面寬度為1050mm。 混凝土強度等級為C40, 鋼筋強度等級為HRB400。 鋼筋混凝土重度為25kN/m3； 覆土荷載重度按18kN/m3,飽和重度20kN/m3； 地下水按地面下0.5m 計；側(cè)向土壓力采用靜止土壓力, 靜止土壓力系數(shù)K0=0.5； 地面超載按 10kPa 考慮； 汽車荷載按城-A 級荷載考慮, 將汽車輪壓折合成等效均布荷載計算, 汽車荷載作用在側(cè)壁上的壓力按等效土體厚度折算； 施工荷載參考《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》(DB11 -995 -2013)按10kPa 考慮。地面荷載、 汽車荷載、 施工荷載不同時考慮, 三者取其大值, 故地面活荷載取值為q1=10kPa。

本文采用板單元模擬壁板、 底板及頂板等。通過在CAD 中畫出三維線框的方式導(dǎo)入Midas Gen 中, 利用網(wǎng)格自動劃分功能快速建立各種板單元。 周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧, 土體約束采用彈性連接模擬。

圖3 燃氣艙吊裝口(單位: mm)Fig.3 Hoisting opening of gas tank (unit: mm)

2 結(jié)構(gòu)受力分析

吊裝口在長度方向上要滿足管件單元(附屬構(gòu)件)的進入要求[14,15], 如給水管線管節(jié)長度一般為6m, 天然氣、 熱力管線管節(jié)長度一般為12m。 因此吊裝口縱向長度分別取為 6m、 8m、 10m、 12m 四組, 覆土厚度取管廊中常見的3m 和5m 兩組。

本文考慮到吊裝口一側(cè)外壁的受力最為不利, 因此以吊裝口一側(cè)外壁為研究對象。 以滿足規(guī)范[3]規(guī)定的裂縫寬度≤0.2mm 作為配筋控制條件, 標(biāo)準(zhǔn)斷面處該外壁配筋率約0.4%。 配筋計算及裂縫驗算參考文獻[16], 出于經(jīng)濟性以及板的撓度控制兩方面的考慮,對不同覆土厚度及吊裝口縱向長度下該外壁配筋率以0.8%為界, 超過 0.8% 則認為需要進行加強。

基于建立的管廊燃氣艙吊裝口三維有限元分析模型, 對不同吊裝口縱向長度、 不同覆土厚度下的綜合管廊結(jié)構(gòu)受力進行分析, 并主要提取吊裝口一側(cè)外壁橫向彎矩。 以3m 覆土荷載為例, 各吊裝口長度下外壁橫向彎矩云圖如圖4 所示, 不同覆土厚度及吊裝口縱向長度下外壁底部彎矩及配筋率見表1。

表1 不同覆土厚度及吊裝口縱向長度下外壁底部彎矩及配筋Tab.1 Bending moment and reinforcement at the bottom of outer wall under different covering thickness and longitudinal length of hoisting opening

圖4 3m 覆土荷載時各吊裝口長度下外壁橫向彎矩(單位: kN·m/m)Fig.4 Cloud diagram of transverse bending moment of outer wall under different length of hoisting opening(unit: kN·m/m)

由圖4 可知, 外壁底部彎矩最大, 是整個結(jié)構(gòu)中受力最不利的位置。 由表1 可以看出, 相同覆土荷載作用下, 吊裝口縱向長度越長, 外壁底部彎矩越大, 滿足裂縫控制所需的配筋率越大；相同吊裝口縱向長度下, 覆土越深, 外壁底部彎矩越大, 滿足裂縫控制所需的配筋率越大。 當(dāng)覆土3m、 吊裝口縱向長度超過12m 或覆土5m、 吊裝口縱向長度超過10m 時外壁配筋率超過0.8%, 需要采用相應(yīng)的加強措施。

3 加強措施及效果

針對以上三種配筋率“超限”情況, 提出了兩種加強方案, 分別是在外壁頂增設(shè)水平挑板作為頂部臥梁或者在洞口四周增設(shè)上翻梁。 前者是通過臥梁的方式直接加強外壁頂部約束, 而后者則是通過對頂板整體性的加強來保證外壁的頂部約束。 兩種方案示意如圖5 所示。

圖5 吊裝口結(jié)構(gòu)加強措施(單位: mm)Fig.5 Strengthening measures of hoisting opening (unit:mm)

對于3m 覆土厚度下12m 長吊裝口及5m 覆土厚度下10m 長吊裝口, 挑板厚度同管廊頂板厚度為400mm, 外挑寬度為1m, 上翻梁尺寸為600mm×600mm。

對于5m 覆土厚度下12m 長吊裝口, 挑板厚度同管廊頂板厚度400mm, 外挑寬度為2m, 上翻梁尺寸為1100mm×1100mm。

分別按照上述加強方式進行有限元建模分析, 模型見圖6。 不同覆土深度下12m 長吊裝口時對結(jié)構(gòu)進行加強后的外壁橫向彎矩云圖如圖7和圖8 所示。 各個模型加強方案時外壁彎矩及配筋率見表2。

圖7 3m 覆土下吊裝口不同加強方案外壁橫向彎矩(單位: kN·m/m)Fig.7 Cloud diagram of transverse bending moment of outer wall under different strengthening measures(thickness of covering soil is 3m)

圖8 5m 覆土下吊裝口不同加強方案外壁橫向彎矩(單位: kN·m/m)Fig.8 Cloud diagram of transverse bending moment of outer wall under different strengthening measures(thickness of covering soil is 5m)

由圖7 和圖8 可知, 外壁底部依然是受力最大位置, 但補充加強措施后, 受力明顯減小。 由表2 可知, 通過挑板及上翻梁加強后, 吊裝口均能滿足配筋率不大于0.8%的限制, 可以認為挑板及上翻梁均為有效的加強方式。

表2 不同覆土厚度各加強方案外壁內(nèi)力及配筋Tab.2 Bending moment and reinforcement at the bottom of outer wall under different covering thickness and strengthening measures

同時, 針對12m 長吊裝口, 對不同方案的結(jié)構(gòu)鋼筋用量、 加強洞口處及頂部出線口最大變形量進行了計算, 見表3。 由表3 可知, 不同加強方式下總的鋼筋用量均有所減少, 變形得到了較大的控制, 說明兩種加強方案均能有效改善結(jié)構(gòu)受力及變形, 避免局部受力過大, 節(jié)約工程量。

挑板加強措施已在實際工程中采用, 如圖9所示。 其易于施工, 工程量增加較小, 較為經(jīng)濟, 但實際施工中發(fā)現(xiàn)挑板下部回填土有時難以壓實, 使得懸挑長度受限, 否則存在挑板長期承受上部覆土荷載, 而需要另行特殊加強。 實際工程中針對此方式一般可在密實回填土上部空間采用圬工砌筑至板底的方式, 以確保挑板下部的有效支撐。 沿吊裝口孔洞周邊設(shè)置一圈上翻梁的加強措施, 以閉合框架的形式增強孔洞的平面內(nèi)剛度, 從而增強外壁的頂部支撐效應(yīng)。 這種方式施工較上述方案復(fù)雜, 但可避免上述方案不足。

表3 不同加強方案鋼筋用量和變形量Tab.3 Amount of reinforcementsand deformation under different strengthening measures

圖9 挑板加強措施現(xiàn)場應(yīng)用Fig.9 Field application of cantilever slab

4 結(jié)論

本文采用Midas Gen 軟件建立了管廊燃氣艙吊裝口三維有限元分析模型, 研究了不同覆土荷載及不同縱向吊裝口長度下管廊外壁的彎矩大小, 并分析了挑板、 上翻梁兩種吊裝口加強措施對結(jié)構(gòu)的加強效果。 主要研究結(jié)論如下:

1.吊裝口開洞對管廊整體性有削弱, 尤其燃氣艙吊裝口對管廊整體性削弱最為明顯, 導(dǎo)致管廊配筋加大甚至無法配筋而需要加大截面。

2.吊裝口對管廊整體性削弱隨著吊裝口縱向長度以及管廊覆土厚度增加而更加明顯。 當(dāng)覆土3m 吊裝口縱向長度超過12m, 或覆土5m 吊裝口縱向長度超過 10m 時, 外壁配筋率均超過0.8%。 因此實際工程中需要對吊裝口縱向長度進行一定的限制, 建議3m 覆土厚度時限制為10m, 5m 覆土厚度時限制為8m。

3.吊裝口縱向長度較長時, 需要采取一定的加強措施, 其中挑板以及上翻梁均為有效的加強措施, 使得管廊不改變截面厚度情況下保持合理的配筋率。

4.挑板及上翻梁兩種加強方式均能減少鋼筋的用量, 節(jié)省工程量, 有效改善結(jié)構(gòu)受力及變形。