綜合管廊變形縫變位時廊內(nèi)管道受力研究*

趙遠清 林雪斌 尹克明 祝年虎

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 成都610081)

引言

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期, 地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)總體滯后。 城市地下綜合管廊建設(shè)可以統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、 建設(shè)和管理, 解決反復(fù)開挖路面、 架空線網(wǎng)密集、 管線事故頻發(fā)等問題, 保障城市安全運行、 完善城市功能、 美化城市景觀、 促進城市集約高效發(fā)展, 提高城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。 綜合管廊容納有多種城市工程管線, 通常包含給排水、 電力、 熱力、 燃氣管線, 結(jié)構(gòu)型式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土居多。 現(xiàn)澆鋼筋混凝土綜合管廊由于自身結(jié)構(gòu)的特點, 每隔一定間距需要設(shè)置溫度伸縮縫(按《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB50838 -2015)[1]規(guī)定不大于30m), 遇有地基突變等不利工程條件時也會設(shè)置變形縫, 但是廊內(nèi)管線一般是連續(xù)布設(shè)的, 當(dāng)變形縫出現(xiàn)變位時, 廊內(nèi)連續(xù)布設(shè)的管線將沿縱向產(chǎn)生附加內(nèi)力, 影響管道的正常受力狀態(tài)。 從業(yè)技術(shù)人員都很關(guān)注管廊變形縫的工程效應(yīng)和作用, 也從不同的視角進行了研究和實踐[2-4]。 本文就該問題選取廊內(nèi)鋼管道進行計算分析, 為綜合管廊工程建設(shè)提供參考。

1 計算基本參數(shù)

(1)鋼筋混凝土綜合管廊, 30m 長一節(jié)段,節(jié)間設(shè)30mm 寬變形縫。 鋼管在管廊內(nèi)連續(xù)架空敷設(shè), 下設(shè)固定支墩及抱箍。 鋼管直徑為DN600和DN1200 兩種, 管材為 Q235B 級鋼。 由于地基、 荷載等因素的變異, 管節(jié)間可能產(chǎn)生一定的沉降差。

(2)支墩間距: 假定單節(jié)管廊中支墩總數(shù)保持不變, 即單節(jié)管廊中有5 個支墩, 邊支墩距變形縫距離(以Lf表示)分別為1m、 2m、 3m、 4m,對應(yīng)支墩間距為7m、 6.5m、 6m、 5.5m, 如圖1所示。

圖1 變形縫兩側(cè)固定支墩間距示意Fig.1 Indication of spacing between fixed piers on both sides of deformation joint

(3)計算主要考慮了四種變位形式(圖2):工況一為第2、 3 節(jié)段出現(xiàn)變位, 變位形式為第2節(jié)段為轉(zhuǎn)動, 第3 節(jié)段為整體平行下降； 工況二為第1、 3 節(jié)段出現(xiàn)變位, 變位形式為第1、 3 節(jié)段均為轉(zhuǎn)動, 兩個節(jié)段的轉(zhuǎn)動方向相反； 工況三為3 個節(jié)段均出現(xiàn)變位, 變位形式為第1、 3 節(jié)段均為轉(zhuǎn)動, 兩個節(jié)段的轉(zhuǎn)動方向相反, 第2 節(jié)段為整體平行下降； 工況四為第2、 3 節(jié)段出現(xiàn)變位, 變位形式為兩個節(jié)段均為整體平行下降,在1、 2 節(jié)段間發(fā)生錯動。

圖2 管廊管節(jié)間變位形式Fig.2 The forms of deformation of utility tunnel

2 模型的建立

管廊變位通過支墩作用到管道上, 使管道變形。 模型中僅考慮管道, 管廊的變位作用簡化為支墩處的沉降位移, 采用殼單元模擬管道。 為了消除邊界影響, 管道長度選為5 節(jié)管廊長度, 即為150m, 管道兩側(cè)對稱約束。 基于ANSYS 有限元法建立的管道空間有限元模型如圖3 所示。

圖3 管道變形空間有限元分析模型Fig.3 The model of pipeline deformation

3 最不利變位形式分析

為簡化研究, 首先對比分析不同變位形式對管道的影響, 以確定最不利變位形式。

以DN600 管道為例, 考慮支墩間距為6m,計算工況一到四變位形式下沉降差為30mm 和210mm 條件下管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。 計算結(jié)果見表1。

表1 不同變位工況形式下管道縱向應(yīng)力Tab.1 Longitudinal stress of pipeline under different deformation conditions

由表1 中應(yīng)力計算結(jié)果可知, 前3 種變位工況下, 管道受力基本一致, 說明前3 種工況基本等效。 前3 種與第4 種變位形式相比, 第4 種變位形式更為不利, 而且差異很大。 通過計算對比, 第4 種變位形式(即錯動)對廊內(nèi)管道的內(nèi)力影響最大, 因此, 后面對第4 種變位形式進行更為深入的研究。

4 計算結(jié)果與分析

根據(jù)管廊不同沉降差, 計算得到差異沉降下不同支墩間距的DN600 管道和DN1200 管道在不同水壓情況下的縱向應(yīng)力最大值。 管道的受力云圖如圖4 所示, 計算結(jié)果如表2 和表3 所示。

圖4 管道受力云圖(單位: Pa)Fig.4 The stress cloud of pipeline(unit: Pa)

表2 DN600 管道縱向應(yīng)力(單位: MPa)Tab.2 The longitudinal stress of DN600(unit: MPa)

表3 DN1200 管道縱向應(yīng)力(單位:MPa)Tab.3 The longitudinal stress of DN1200(unit:MPa)

由表2、 表3 中計算結(jié)果可知:

(1)縱向應(yīng)力大小與沉降差成正比關(guān)系。

(2)邊支墩距變形縫距離越小, 縱向應(yīng)力越大, 管道允許的沉降差越小。 以DN600 鋼管為例,Lf=1m 時最大允許沉降差為10mm,Lf=2m時最大允許沉降差為20mm,Lf=3m 時最大允許沉降差為35mm,Lf= 4m 時最大允許沉降差為50mm。

(3)支墩間距相同時, 在相同的沉降差情況下, 管徑越大, 縱向應(yīng)力越大, 管道允許的沉降差越小。

5 支墩間距布置確定

通過上面的計算分析可知, 當(dāng)管廊發(fā)生變位時, 管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力, 與邊支墩距變形縫的距離大小關(guān)系很大。 為了在工程中合理地確定支墩布置, 對各種布置間距情況下進行管道的應(yīng)力計算和分析, 以合理確定跨縫支墩間距。

為了減少計算工作量, 采用《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第二版)》[5]中結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行簡化計算, 即假定跨縫管段兩端固定, 管道發(fā)生豎向錯動位移時計算管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。 計算假定簡圖如圖5 所示。

圖5 豎向錯動位移計算簡圖Fig.5 The calculation sketch of vertical displacement

選取了 DN400、 DN600、 DN900、 DN1200 這4 種常用管徑鋼管, 跨縫支墩間距為2m、 4m、6m、 8m, 管道為空管, 對各種錯動沉降差的條件下進行計算, 不同錯動位移和支墩間距工況下計算結(jié)果見表4 ～表7。

表4 DN400 ×6mm 管道縱向應(yīng)力及與設(shè)計強度比例(單位: MPa)Tab.4 The ratio of longitudinal stress to design strength DN400 ×6mm (unit: MPa)

表5 DN600×8mm 管道縱向應(yīng)力及與設(shè)計強度比例(單位: MPa)Tab.5 The ratio of longitudinal stress to design strength DN600×8mm (unit: MPa)

表6 DN900×10mm 管道縱向應(yīng)力及與設(shè)計強度比例(單位: MPa)Tab.6 The ratio of longitudinal stress to design strength DN900×10mm (unit: MPa)

表7 DN1200 ×12mm 管道縱向應(yīng)力及與設(shè)計強度比例(單位: MPa)Tab.7 The ratio of longitudinal stress to design strength DN1200 ×12mm (unit: MPa)

續(xù)表

從表4 ～表7 中計算結(jié)果可知:

(1)附加縱向應(yīng)力大小與錯動位移成正比關(guān)系, 沉降差越大, 產(chǎn)生的縱向應(yīng)力也越大。

(2)跨縫管道的支墩間距與縱向應(yīng)力成反比,支墩間距越大, 產(chǎn)生的縱向應(yīng)力越小。

(3)在相同條件下, 管徑越大, 產(chǎn)生的縱向應(yīng)力越大。

(4)當(dāng)發(fā)生10mm 錯動位移, 支墩間距為6m時, DN400 跨縫管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力是鋼材設(shè)計強度的16.35%, DN600 跨縫管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力是鋼材設(shè)計強度的19.67%； 支墩間距為8m時, DN900 跨縫管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力是鋼材設(shè)計強度的16.53%, DN1200 跨縫管道產(chǎn)生的縱向應(yīng)力是鋼材設(shè)計強度的21.99%。 如果以附加縱向應(yīng)力不超過鋼材設(shè)計強度的20%為界, DN600 以下的管道跨縫支墩間距不宜小于6m, DN900 以上的管道跨縫支墩間距不宜小于8m, 管徑越大,跨縫支墩間距宜更大。

6 結(jié)語

1.綜合管廊變形縫處的變位引起的廊內(nèi)管道縱向應(yīng)力不可忽視。

2.跨縫的支墩間距應(yīng)盡可能的做大, 有利于提高管道抗不均勻沉降能力。

3.管徑越大的管道, 跨縫支墩間距越應(yīng)取大值, 以減小不均勻沉降引起的附加縱向應(yīng)力。

4.綜合管廊變形縫處的錯動位移引起的附加縱向應(yīng)力最大。

《給水排水工程混凝土構(gòu)筑物變形縫技術(shù)規(guī)范》(T/CECS 117 -2017)[6]第 4.2.3 條第 5 款規(guī)定變形縫沉降差不應(yīng)大于30mm, 但從文中的計算分析看出, 管廊變形縫發(fā)生30mm 沉降差對廊內(nèi)管道來說是非常危險的。 要減小廊內(nèi)管道的附加縱向應(yīng)力, 首先應(yīng)減小或防止變形縫處的錯動位移, 工程中應(yīng)采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造措施, 盡量防止或減小變形縫處的錯動位移發(fā)生, 保證廊內(nèi)管道的安全。