李肖華，孫建波，賀鳳春，王立勇，柳明祥，陳 靜

（1.中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢）

前言

地下綜合管廊對提高城市地下空間的有效利用率、提升市容市貌和美化環(huán)境有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)能夠有效避免道路重復(fù)開挖和市政管線隔空敷設(shè)的缺點(diǎn)，也為城市管線未來的檢修提供了便利[1-2]。近年來，隨著我國地下空間開發(fā)與應(yīng)用的飛速發(fā)展，地下綜合管廊建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行中[3]。然而，建設(shè)中也出現(xiàn)了諸多的問題，例如設(shè)計(jì)規(guī)范與實(shí)際施工技術(shù)存在不匹配的問題，難以有效指導(dǎo)施工[4]，各部門之間協(xié)調(diào)溝通困難，而地下綜合管廊的投資模式、建成以后運(yùn)營維修等諸多問題也需深入研究[5]。

本文以某地下綜合管廊為例，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)的有限元模型，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種荷載組合作用下的受力性能分析，以便于更好地指導(dǎo)地下綜合管廊后續(xù)施工，同時(shí)也對地下綜合管廊設(shè)計(jì)規(guī)范的完善起到了一定借鑒作用[6]。

1 概述

1.1 項(xiàng)目背景

內(nèi)江市位于天府之國東南部，是川內(nèi)第二大交通樞紐，是川東南乃至西南各省交通的重要交匯點(diǎn)。國道321 線現(xiàn)為四車道一級過境公路，缺失市政管網(wǎng)、人行及景觀設(shè)施，不具備城市道路功能。路線基本沿現(xiàn)狀溝谷地帶布置，總體線位標(biāo)高較低，與兩側(cè)山體間高差較大，最大約45 m，造成南北片區(qū)隔離，周邊土地場平棄方多，局部地區(qū)兩側(cè)地塊與道路間成“V”形倒坡等不利情況。G321 管廊本次實(shí)施范圍為站二路北至成渝高鐵東側(cè)，與G321 西林大道至花園灘大橋段管廊相接，為雙艙管廊，全長2.733 km；綜合管廊布置于道路西（南）側(cè)綠化帶內(nèi)。

1.2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)“經(jīng)濟(jì)適用、適當(dāng)預(yù)留”的原則和管線規(guī)模，確定G321 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面：10 kV 電纜、通信線纜、給水及中水位于電力綜合艙，艙內(nèi)為10 kV 電力電纜預(yù)留5 排支架，為通信線纜預(yù)留4 排支架，給水及中水布置于支墩上；電纜綜合艙凈結(jié)構(gòu)尺寸為3.6 m×3.2 m；110 kV 電纜電纜布置于高壓艙，艙室凈結(jié)構(gòu)尺寸為1.7 m×3.2 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100 年。裂縫寬度不得超過0.2 mm。抗浮水位為設(shè)計(jì)地面±0.000，整體抗浮安全系數(shù)取為1.05。管位橫斷面如圖1 所示。

圖1 G321 管位橫斷面

2 有限元模型建立

2.1 土層參數(shù)

地下綜合管廊所經(jīng)處的土體相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

（1）填土與結(jié)構(gòu)材料特性?；炷敛捎肅40 防水混凝土。鋼筋采用普通鋼筋HRB400，迎土面縱筋保護(hù)層厚度為50 mm，其余保護(hù)層厚度30 mm。壓實(shí)回填土天然容重取為19.00 kN/m3，壓實(shí)回填土飽和容重取為20.00 kN/m3，填土的內(nèi)摩擦角取φ=30°，側(cè)壓系數(shù)λ=tan2（45°-φ/2）=0.333，水容重取10 kN/m3。

（2）結(jié)構(gòu)形式。以內(nèi)江G321 國道綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)點(diǎn)為例，結(jié)構(gòu)為兩層雙倉管廊，底板厚度為0.4 m，側(cè)壁板厚0.4 m，中板厚0.25 m，頂板厚0.4 m。

2.3 模型建立

采用MidasGen 對綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模，考慮到土體只受壓的特性，對管廊底板施加面彈性支撐，豎向基床系數(shù)K=20 000 kN/m3，水平基床系數(shù)取6 500 kN/m3，有限元模型及邊界條件如圖2 所示。

圖2 模型及邊界條件

荷載施加:

結(jié)構(gòu)自重取γ=26 kN/m3，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；底板鋪裝層按厚0.1 m 計(jì)入，則重度為26k N/m3。頂板以上覆土深度為5 m～8 m，按8 m覆土壓實(shí)填土重力的豎向土壓力和側(cè)向土壓力，即最不利情況計(jì)算。綠化帶按1.3 m 覆土厚度計(jì)入地面堆載作用，按24 kN/m2加載。根據(jù)水位線位置計(jì)入水壓力及浮力，采用水土分離模式計(jì)算豎向水壓力底板水浮力和側(cè)向水壓力，地下水則按靜水壓力加載。將車輛等效為填土層厚度，施加于相應(yīng)的構(gòu)件上。人群荷載按2.5 kN/m2計(jì)入。

管道內(nèi)設(shè)置有給水管DN300 和DN600，管道水重取滿水自重；DN300 支墩尺寸為：0.3 m×0.5 m×0.65 m，DN600 支墩尺寸為：0.6 m×0.8 m×0.8 m，均按4.0 m 間距布置，根據(jù)構(gòu)件實(shí)際位置和自重計(jì)算。

3 板內(nèi)力驗(yàn)算及配筋

標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件包括底板、頂板、外壁板及中壁板，按荷載最不利情況計(jì)算，分別對各構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，包括驗(yàn)算各構(gòu)件的抗彎、抗剪和抗裂能力并進(jìn)行配筋等。

3.1 底板內(nèi)力及配筋

根據(jù)基本組合下X、Y 方向的彎矩和軸力對各構(gòu)件配筋，底板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，因此提取管廊底板內(nèi)力相應(yīng)數(shù)據(jù)后計(jì)算配筋，具體見表2。

表2 管廊底板內(nèi)力及配筋

底板的內(nèi)力在X 和Y 方向上都呈對稱分布，最大彎矩在板底Y 方向，為301.04 kN·m，最大剪力在板頂Y 方向，為462.414 kN·m，最大值都出現(xiàn)在中部偏下位置。

3.2 頂板內(nèi)力及配筋

頂板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，提取最大拉壓應(yīng)力和彎矩并計(jì)算配筋，結(jié)果具體見表3。

表3 管廊頂板內(nèi)力及配筋

頂板的內(nèi)力變化與底板相似，在X 和Y 方向上也都呈對稱分布，最大彎矩在板頂Y 方向，為290.252 kN·m，最大剪力在板底Y 方向，為396.32 kN·m，都出現(xiàn)在中部偏下位置。

3.3 結(jié)構(gòu)板抗剪驗(yàn)算

管廊各結(jié)構(gòu)板的剪力計(jì)算結(jié)果云圖如圖3 所示。

圖3 管廊剪力計(jì)算結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)段管廊最大剪力出現(xiàn)在頂板中部，為474.8 kN，根據(jù)規(guī)范要求，對于不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件，其斜截面受剪承載力應(yīng)符合即管廊結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。因此，管廊結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

3.4 結(jié)構(gòu)板裂縫寬度檢驗(yàn)

根據(jù)Midas 運(yùn)算結(jié)果，各構(gòu)件裂縫寬度見表4?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)最大裂縫出現(xiàn)在底板，為0.197 mm，同時(shí)底板也是彎矩和剪力最大的位置，而中板裂縫最小，彎矩和剪力也最小。

表4 各構(gòu)件裂縫寬度

3.5 結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算

土壓力結(jié)果如圖4 所示?？垢≡O(shè)計(jì)水位為地下水位位于地面±0.000m 處，根據(jù)抗浮驗(yàn)算可以看出，抗浮基底壓力大于基底水壓力的1.05 倍，所以，管廊抗浮滿足規(guī)范要求。

圖4 抗浮工況下基地土壓力

3.6 結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力驗(yàn)算

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載能力下的地基土壓力進(jìn)行驗(yàn)算，土壓力結(jié)果如圖5 所示，由圖5 可知，最大基底壓應(yīng)力σmax=199.8 kPa，故管廊標(biāo)準(zhǔn)段地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa。

圖5 極限承載工況下基地土壓力

綜合以上計(jì)算結(jié)果，3 m～8 m 覆土標(biāo)準(zhǔn)段管廊結(jié)構(gòu)各板件即整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

地下綜合管廊往往存在結(jié)構(gòu)受力和變形、混凝土裂縫等多種風(fēng)險(xiǎn)，本文采用有限元軟件對地下綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)，在多種荷載組合作用下進(jìn)行了受力性能分析，得到了以下結(jié)論：

（1）綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段3 m～8 m 覆土下結(jié)構(gòu)混凝土拉、壓應(yīng)力均小于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋最大應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)值，最大變形值均小于規(guī)范限定值，各板件抗彎、抗剪和抗裂能力滿足要求，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。

（2）管廊標(biāo)準(zhǔn)段抗浮基底壓力大于1.05 倍水壓力；地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa 的要求。