安裝偏角對(duì)城市綜合管廊支架受力影響分析★

許廣州 董 聰 楊會(huì)兵 曹廣勇石仁生 陳開(kāi)軍 魏國(guó)強(qiáng) 阮 磊 翟朝嬌

(1.合肥福臨工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；.合肥高新區(qū)綜合管廊建設(shè)辦公室，安徽 合肥 230088； 4.上海新光工程咨詢有限公司，上海 200437)

0 引言

我國(guó)許多城市市政管線都埋在地下表面，造成地下空間擁擠和混亂，為了使城市地下空間資源充分得到利用，地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)外關(guān)于綜合管廊支架有不少研究，仲良[1]對(duì)綜合管廊支架選用和受力計(jì)算進(jìn)行了研究，王智文[2]和史偉偉[3]詳細(xì)介紹了綜合管廊中裝配式支架安裝工藝和要求，薛達(dá)[4]通過(guò)有限元分析軟件研究了冷彎C型鋼梁在彎矩和扭矩共同作用下的受力性能。城市綜合管廊一般設(shè)計(jì)使用年限為100年，管廊支架在地下潮濕的環(huán)境中受長(zhǎng)時(shí)間的荷載，經(jīng)常會(huì)發(fā)生支架塌落，而裝配不規(guī)范產(chǎn)生的偏角會(huì)加劇這種情況的發(fā)生。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)還原了現(xiàn)實(shí)施工中的安裝偏角，研究了安裝偏角對(duì)城市綜合管廊支架受力影響，并通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件模擬驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并提出了幾條建議。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工程背景

本項(xiàng)目位于合肥市高新區(qū)，建設(shè)內(nèi)容包括綜合管廊工程和入廊污水管線，總投資20.90億元。其中綜合管廊工程總長(zhǎng)20.29 km，位于明珠大道等共7條道路，主要建設(shè)內(nèi)容為管廊主體以及配套的電氣、監(jiān)控、照明、檢測(cè)、給排水、消防、通風(fēng)、控制中心等工程，建成后滿足區(qū)域電力、通信、給水、再生水、供熱、污水及燃?xì)獾裙芫€的敷設(shè)需求，其建設(shè)狀況如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

綜合管廊支架體系主要為管廊內(nèi)的管道及橋架起到支撐及固定作用，傳統(tǒng)的地下室及地道內(nèi)的支架大多采用后錨固法施工，即先在施工現(xiàn)場(chǎng)加工支架，再通過(guò)膨脹螺栓與結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程存在偏差，兩個(gè)固定螺栓所在直線與垂線出現(xiàn)偏角，支架截面在豎直方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，示意圖如圖2所示。我們分別在100 N,150 N和200 N的荷載下選取0°，5°，10°，15°和20°的偏斜角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果在固定端卷邊上部和固定端支架下部開(kāi)孔處粘貼電阻應(yīng)變片并連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀來(lái)計(jì)算應(yīng)力變化，焊腳處無(wú)法粘貼應(yīng)變片僅進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示；在梁懸臂端的上方將激光位移計(jì)固定，位移計(jì)與梁懸臂端的距離約為10 cm處，在梁懸臂端上選取一點(diǎn)并將激光對(duì)準(zhǔn)該點(diǎn)，來(lái)測(cè)量支架懸臂端撓度變化。

2)將支架用膨脹螺栓固定在垂直混凝土墻上，通過(guò)改變膨脹螺絲位置來(lái)改變安裝偏角，偏角分別取0°，5°，10°，15°和20°。

3)在施加載荷之前，按一次應(yīng)變儀面板上的“平衡”按鈕(調(diào)零)并記錄激光位移計(jì)的讀數(shù)，然后開(kāi)始用砝碼給支架添加三個(gè)荷載并在應(yīng)變儀上讀取并記錄相應(yīng)的各點(diǎn)處應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)和變化后激光位移計(jì)的讀數(shù)，如圖4所示。

4)分別在100 N,150 N和200 N的荷載下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)至少做兩遍，取線性較好的一組作為本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 模擬內(nèi)容

我們分別取0°，5°，10°，15°和20°的偏斜角度，用ABAQUS[5]進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在荷載作用下偏角對(duì)支架撓度的影響，求出最大應(yīng)力點(diǎn)得到最危險(xiǎn)截面。然后與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得到結(jié)論。

2.2 模型建立

簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)0.7 m，由C字型鋼與底座焊接而成，支架下部有橢圓形開(kāi)孔。橫截面尺寸如圖5所示，材料選用Q235碳素鋼材料，其性質(zhì)如表1所示。

表1 材料性質(zhì)

以HYAT型通信電纜中重量最重的電纜為理論計(jì)算荷載，理論計(jì)算取最大間距1 500 mm，為保證預(yù)留荷載余量，荷載按100 N,150 N和200 N計(jì)算，分別取0°，5°，10°，15°和20°的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行模擬。

2.3 模型假定

1)管廊支架固定端由螺栓固定，沒(méi)有位移和轉(zhuǎn)角，假定支架固定端為完全固結(jié)狀態(tài)，簡(jiǎn)化為懸臂梁進(jìn)行計(jì)算。

2)假設(shè)在管廊支架上放置三排電纜，其荷載在實(shí)際運(yùn)用中為線荷載，截取一段線荷載將其假定成集中荷載作用在管廊支架上。

2.4 分析結(jié)果

在模擬中選取正常安裝和10°偏角，支架上施加三個(gè)150 N的集中荷載，分析得到Mises應(yīng)力圖。在正常安裝時(shí)支架向下發(fā)生彎曲，如圖6所示，Mises應(yīng)力最大值50.87 MPa，出現(xiàn)在支架下部靠近固定端橢圓開(kāi)孔處的中間位置；在支架上部的對(duì)應(yīng)位置為上部應(yīng)力最大點(diǎn)，Mises應(yīng)力最大值為41.87 MPa，應(yīng)力沿支架方向向兩端逐漸減小，兩點(diǎn)連線所在與軸線垂直的截面為應(yīng)力最大平面，如圖7所示；懸臂端撓度為1.02 mm。

當(dāng)安裝出現(xiàn)沿順時(shí)針?lè)较?0°偏角時(shí)，支架在出現(xiàn)向下彎曲的同時(shí)也出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)變形，如圖8所示，Mises應(yīng)力最大值為68.09 MPa，出現(xiàn)在支架右下角焊接處，應(yīng)力分布集中；在支架右上角內(nèi)側(cè)的焊接處為上部應(yīng)力最大點(diǎn)，Mises應(yīng)力最大值為62.21 MPa，冷彎C字型鋼與底座焊機(jī)平面為應(yīng)力最大截面，如圖9所示，應(yīng)力沿支架方向向懸臂端逐漸減小；懸臂端豎向最小撓度為0.97 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，懸臂端撓度先減小后增大。為了說(shuō)明此現(xiàn)象，我們?cè)贑AD中畫(huà)出橫截面以質(zhì)心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，隨著偏角的增加截面慣性矩I如表2所示。

表2 截面慣性矩

由抗彎剛度W=EI可知,彈性模量E只與材料組成及其型號(hào)有關(guān)，故抗彎剛度與慣性矩呈正相關(guān)。由表2可得隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加豎向抗彎剛度增加水平抗彎剛度減小，與實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬中0°～10°的懸臂端撓度變化與理論計(jì)算符合；10°～20°的懸臂端撓度變化隨著角度的增大而略微增大，這是由于支架的扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致的。仲良[1]提出荷載下支架的形變不能超過(guò)L/100，其中L為懸臂梁長(zhǎng)度。而實(shí)驗(yàn)中最大撓度為4.07 mm小于規(guī)定里的7 mm，故在僅有的荷載下支架的形變?nèi)栽谠试S范圍內(nèi)，但偏角不宜超過(guò)10°(見(jiàn)圖10)。

2)在正常安裝時(shí)支架卷邊的最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近固定端的上部，支架下部最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近固定端的開(kāi)孔部分，下部應(yīng)力大于上部應(yīng)力。當(dāng)安裝出現(xiàn)偏角后支架卷邊的最大應(yīng)力處出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的卷邊上部，支架下部最大應(yīng)力出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的開(kāi)孔處，上部應(yīng)力大于下部應(yīng)力。由圖11，圖12可以看出隨著偏轉(zhuǎn)的增大在0°～5°時(shí)卷邊上部的應(yīng)力增加比較緩慢，5°以后應(yīng)力快速增加，而支架下部應(yīng)力增加比較平穩(wěn)。

3)在正常安裝時(shí)焊腳處應(yīng)力較小，隨著轉(zhuǎn)角度的出現(xiàn)焊腳處的應(yīng)力迅速增大，偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的卷邊內(nèi)側(cè)焊腳成為支架上部最大應(yīng)力處，偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的下部焊腳成為支架下部最大應(yīng)力處，且下部焊腳應(yīng)力大于卷邊焊腳，隨著角度的增加應(yīng)力增加變緩慢，見(jiàn)圖13。

4 誤差分析

通過(guò)比較，ABAQUS有限元數(shù)值分析能夠得到與實(shí)驗(yàn)基本相符的結(jié)果，但是兩種方法計(jì)算的結(jié)果存在部分差異，經(jīng)過(guò)分析可能原因有以下幾點(diǎn)：

1)模擬中有限元單元假設(shè)具有均勻、各向同性、單元間接觸形式統(tǒng)一的特點(diǎn)，而實(shí)際工程中支架材料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，C字型鋼與底座焊接處存在焊接殘余應(yīng)力，支架可能存在幾何缺陷導(dǎo)致應(yīng)力分布的改變，無(wú)法通過(guò)有限元建模完整呈現(xiàn)出來(lái)。

2)模型建立中假設(shè)固定端完全固定，而實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐中僅靠?jī)筛菟o(wú)法實(shí)現(xiàn)完全固定，故導(dǎo)致模擬撓度和實(shí)驗(yàn)撓度差別較大。

5 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)還原了現(xiàn)實(shí)施工中的安裝偏角，在100 N,150 N和200 N荷載下分別取了0°，5°，10°，15°和20°的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬比較，可得到以下結(jié)論：

1)懸臂端豎向撓度隨著偏轉(zhuǎn)角度先減小后增加。

2)在正常安裝情況下應(yīng)力最大值出現(xiàn)在支架下部靠近固定端橢圓開(kāi)孔處的中間位置，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的下部焊腳，而且應(yīng)力大于正常安裝時(shí)的最大應(yīng)力，應(yīng)力分布更為集中。

3)綜合實(shí)驗(yàn)和ABAQUS數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，懸臂端撓度在10°時(shí)最小，各點(diǎn)應(yīng)力在正常安裝下最小，在偏角大于5°時(shí)應(yīng)力增長(zhǎng)較快，所以安裝時(shí)應(yīng)盡量減少偏角的發(fā)生，如果有偏角的存在應(yīng)控制在5°范圍內(nèi)。

解決安裝偏角問(wèn)題的關(guān)鍵在于預(yù)防。施工單位在進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行，當(dāng)偏角大于5°時(shí)應(yīng)重新安裝支架；當(dāng)偏角小于5°時(shí)，支架長(zhǎng)時(shí)間在潮濕環(huán)境中工作，支架焊接處因難以防腐導(dǎo)致非常容易破壞，故應(yīng)對(duì)焊接處做重點(diǎn)防腐處理，如涂覆防腐材料[6]。當(dāng)焊腳處出現(xiàn)腐蝕時(shí)應(yīng)及時(shí)更換新的支架，以防止支架發(fā)生塌落。