張 弓

(太原市高速鐵路投資有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

太原南站東西廣場(chǎng)地下連通道銜接段工程是太原南站東廣場(chǎng)及配套路網(wǎng)工程的后續(xù)補(bǔ)充項(xiàng)目，總長(zhǎng)184 m，結(jié)構(gòu)形式為地下單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要采用明挖順作法施工，基坑深度約10 m～12 m，通道南北向長(zhǎng)約159.6 m，寬11.15 m，東西向通道長(zhǎng)約24.4 m，寬18 m。橫跨架空熱力管線規(guī)格為φ219×10，材質(zhì)Q235B，架空段跨度20 m。本文通過分析管道架空后的具體工況，構(gòu)件力學(xué)模型，通過計(jì)算，找出最不利工況，采取有效的加固措施，并對(duì)此加固方案進(jìn)行了驗(yàn)算。

2 難點(diǎn)分析

太原南站東西廣場(chǎng)地下連通道銜接段工程，施工時(shí)間段正值冬季供暖期，既有熱力管道已打壓通水，處于工作狀態(tài)。故本施工內(nèi)容須在保證管道正常運(yùn)行的前提下，開展各項(xiàng)施工作業(yè)。銜接段地下通道分東西段和南北段兩部分，管道加固區(qū)域位于東西段結(jié)構(gòu)上方，東西段結(jié)構(gòu)寬18 m，加之兩側(cè)1 m的支護(hù)樁，管道跨越凈距20 m，其余管道均埋在土中，管道架空后，由于跨度大，無中間支撐，會(huì)導(dǎo)致管道下?lián)线^大，局部應(yīng)力加大，再加上管道內(nèi)部壓力，會(huì)對(duì)管道運(yùn)行安全及下方施工安全帶來隱患。

由此我們模擬管道兩端為固定約束，管道跨中彎矩值：

M=qL2/24=515.42×202/24=8 590.3 N·m。

跨中彎曲最大應(yīng)力：

δmax=M·rgb/I=8 590.3×0.219/0.000 035 93=

52 359 000 Pa=52.36 MPa(rgb為管外徑)<215 MPa。

管道跨中最大變形:

Wmax=1/384(qL4/EI)=1/384×515.42×204/2.1×1011×0.000 035 93=0.028 m=28 mm>15 mm。管道允許最大撓度已大于《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)要求規(guī)范》[1]要求的數(shù)值，此規(guī)范10.2.7規(guī)定：管道的剛度條件是限制管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，一般管道設(shè)計(jì)撓度不應(yīng)超過15 mm，故對(duì)管道進(jìn)行加固處理。

3 模擬驗(yàn)算

經(jīng)踏勘現(xiàn)場(chǎng)，下方凈空高度約10 m，且需要挖方作業(yè)及施工新結(jié)構(gòu)，在管道下方采取加固措施的方案，實(shí)施難度大，材料耗費(fèi)量大，且影響正常施工作業(yè)，所以，只有考慮在管道上方采取加固措施。加固措施兩端分別架設(shè)在兩側(cè)的支護(hù)樁冠梁上，約束條件按照簡(jiǎn)支梁考慮，等間距分布三個(gè)加固點(diǎn)。

按照以上加固思路，首先，我們通過軟件驗(yàn)算管道撓度及最大彎曲應(yīng)力。針對(duì)東西段結(jié)構(gòu)上方橫跨基坑的既有熱力管線，管道在兩端固定的約束條件下，按照管道僅計(jì)算自重荷載，中間20 m管道完全架空的情況下，采用ansys有限元軟件[2]，對(duì)既有管線進(jìn)行模擬驗(yàn)算，選用Pipe16單元，泊松比取0.3，鋼材彈性模量取2.1e5MPa，計(jì)算統(tǒng)一單位MPa，實(shí)常數(shù)為管道外徑219 mm，管道壁厚10 mm，管道跨度為20 m，管道密度為7.85e-9 kg/m3，重力加速度取9 800 mm/s2，建立模型，劃分單元，施加邊界約束條件后，計(jì)算求得跨中最大撓度值為28 mm，最大彎曲應(yīng)力52 MPa,與理論計(jì)算值一致，如圖1，圖2所示。

第二，鑒于以上情況，施工中我們采用方鋼管作為加固受力臨時(shí)結(jié)構(gòu)，在方鋼管下方加設(shè)3個(gè)受力點(diǎn)，拉住下?lián)瞎艿溃?個(gè)受力點(diǎn)分別布置在管道中間5 m,10 m,15 m三個(gè)位置，利用ansys有限元軟件，在熱力管道架空段5 m,10 m,15 m位置分別加設(shè)3個(gè)豎向位移約束，模擬驗(yàn)算后，得到三個(gè)豎向約束點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)的反力為2 525.6 N，管道兩側(cè)固定端反力為1 262.8 N，至此，我們得出了施加在加固方鋼管上的3個(gè)集中力，方鋼管的規(guī)格為500 mm×500 mm×12 mm，材質(zhì)Q235B,長(zhǎng)度為20 m，按照簡(jiǎn)支梁的約束條件考慮，選用Beam189單元模擬驗(yàn)算加固方案的可行性和安全性，同樣，泊松比取0.3，鋼材彈性模量取2.1e5MPa，密度為7.85e-9 kg/m3，重力加速度取9 800 mm/s2。

第三，為了與理論組合法進(jìn)行有效的對(duì)比，我們分兩步模擬驗(yàn)算加固方鋼管，把方鋼管視為簡(jiǎn)支梁，自重荷載(均布荷載)為一種計(jì)算工況，計(jì)算正截面應(yīng)力及撓度，跨中加設(shè)三個(gè)集中荷載為第二種計(jì)算工況，再計(jì)算正截面應(yīng)力及撓度，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

最后，計(jì)算得到在第一種工況下跨中最大撓度19.3 mm，彎曲正應(yīng)力24.1 N/mm2，計(jì)算得到在第二種工況下跨中最大撓度為5.15 mm，彎曲正應(yīng)力6.79 N/mm2。

4 理論計(jì)算

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果給予理論手算驗(yàn)證，加固方鋼管按照簡(jiǎn)支梁考慮，分兩種工況給予驗(yàn)算，計(jì)算過程如下。

4.1 加固措施自重(均布荷載)工況下力學(xué)驗(yàn)算

梁的計(jì)算基本情況，單跨簡(jiǎn)支梁，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)=20 m，均布荷載為1.84 kN，方鋼管的規(guī)格為500 mm×500 mm×12 mm，材料材質(zhì)Q235B，涉及計(jì)算參數(shù)如下：Ix=93 027.64 cm4,Wx=3 721.11 cm3，Sx=2 143.73 cm3，G=183.88 kg/m，E=2.06×105MPa，γx=1.0。首先計(jì)算該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力：兩側(cè)支座反力FB=FA=18.4 kN，對(duì)應(yīng)跨中最大彎矩為Mmax=G·L·L/8=92 kN·m，則強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算結(jié)果如下：

1)彎曲正應(yīng)力σmax=Mmax/(γx·Wx)=24.72 N/mm2<抗彎設(shè)計(jì)值f:215 N/mm2。2)A處剪應(yīng)力τA=FA·Sx/(Ix·tw)=1.77 N/mm2<抗剪設(shè)計(jì)值fv:120 N/mm2。3)B處剪應(yīng)力τB=FB·Sx/(Ix·tw)=1.77 N/mm2<抗剪設(shè)計(jì)值fv:120 N/mm2。4)最大撓度fmax=5·G·L4/384·1/(E·I)=20 mm。5)相對(duì)撓度v=fmax/L=1/999.8<撓度控制值[v]:L/250。

4.2 加固措施在3個(gè)等間距集中力的作用工況下力學(xué)驗(yàn)算

等間距3個(gè)集中力工況:梁的計(jì)算基本情況,單跨簡(jiǎn)支梁，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)=20 m，集中力作用點(diǎn)分別為5 m，10 m，15 m,集中力F的大小為2.53 kN，同樣選用方鋼管，方鋼管的規(guī)格為500 mm×500 mm×12 mm，材料材質(zhì)Q235B，支反力FA=FB=3/2·F=3.8 kN，跨中最大彎矩Mmax=1/2·F·L=25.3 kN·m，最大撓度計(jì)算fmax=0.049 5·F·L3/E·I=5.23 mm，涉及計(jì)算參數(shù)及計(jì)算公式同4.1工況，經(jīng)計(jì)算得到：彎曲正應(yīng)力σmax=6.48 N/mm2，兩側(cè)支座剪應(yīng)力均為0.36 N/mm2,依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，彎曲正應(yīng)力、支座最大剪應(yīng)力以及跨中撓度均小于抗彎、抗剪設(shè)計(jì)值以及撓度控制值。

4.3 計(jì)算結(jié)論

通過以上理論驗(yàn)算可以看出，首先兩種工況均滿足抗彎、抗剪設(shè)計(jì)值及撓度控制值的要求，兩種工況在組合后，彎曲正應(yīng)力31 N/mm2,最大撓度25 mm，均小于抗彎設(shè)計(jì)值及撓度控制值。第二，驗(yàn)證了軟件計(jì)算結(jié)果的正確性。

5 工程效果

加固后，經(jīng)計(jì)算原來管道的下?lián)献冃巫畲鬄?.11 mm，最大彎曲應(yīng)力3.2 MPa，如圖7，圖8所示，加固方案安全可靠。此措施已應(yīng)用于本工程中，達(dá)到了在不影響地下結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)，熱力管線正常運(yùn)行的效果。

6 結(jié)語

本文以太原南站東西廣場(chǎng)地下連通道銜接段工程與既有管線空間相互影響為例，闡述了解決此問題的方法，我們今后會(huì)吸取此方法的經(jīng)驗(yàn)，在確保施工安全的前提下，更好的服務(wù)于類似工程的項(xiàng)目建設(shè)。