型鋼混凝土地下綜合管廊力學(xué)性能模擬研究

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056107

綜合管廊于1833 起源于法國巴黎［1］，1958 年我國第一條地下綜合管廊建設(shè)于天安門前［2］，此后，我國諸多專家對綜合管廊進(jìn)行了研究：同濟(jì)大學(xué)的研究人員［3］對預(yù)應(yīng)力地下綜合管廊受力性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力分三個(gè)過程：開裂、屈服和極限破壞，管廊的破壞荷載比標(biāo)準(zhǔn)荷載多1.37 倍。高宇甲等［4］等在對型鋼混凝土管廊模型進(jìn)行靜力試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下頂板的應(yīng)變最大，且在使用過程中比較鋼筋混凝土管廊更容易發(fā)生張拉開裂。

目前，綜合管廊大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了減少后期維修費(fèi)用，加快管廊建設(shè)施工速度，本課題組將型鋼混凝土試用在綜合管廊中，提出了型鋼混凝土地下綜合管廊結(jié)構(gòu)。目前研究中關(guān)于型鋼混凝土地下綜合管廊的成果很少，其疲勞性能有待深入研究，本文圍繞型鋼混凝土地下管廊在長期循環(huán)車輛荷載下的力學(xué)性能展開研究。

1 型鋼混凝土地下管廊結(jié)構(gòu)

型鋼混凝土管廊結(jié)構(gòu)采用型鋼為主要受力部件，型鋼外包裹混凝土，并放置鋼筋網(wǎng)在混凝土表面之下與混凝土共同承受拉力作用。型鋼骨架可以直接在工廠進(jìn)行定制，大大提高施工效率以及提高管廊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力。

建立型鋼混凝土地下管廊結(jié)構(gòu)有限元模型，路面取為簡化的0.5m 厚的C30 混凝土路面，路基層全部取為卵石土，忽略不同地層的影響管廊采用矩形單艙型，寬3.3m，高3.3m，管廊段長3m，管廊頂板覆土取為2m。計(jì)算模型深度和寬度均為10m，管廊選用二節(jié)點(diǎn)梁單元，土體與路面選用實(shí)體單元，約束計(jì)算模型底面與側(cè)面的水平和豎向位移，假定路面、土體和管廊結(jié)構(gòu)材料均為線彈性材料，忽略溫度影響，對模型施加簡化車輛均布荷載。

2 型鋼混凝土地下管廊靜力分析

2.1 埋深對管廊力學(xué)特性的影響

圖1 管廊頂部豎向應(yīng)力隨埋深變化

對比分析埋深為0.7m，1m，2m，3m，4m 結(jié)構(gòu)的力情況。圖1 為管廊頂板豎向應(yīng)力隨埋深變化圖，管廊頂板豎向應(yīng)力隨埋深的發(fā)展趨勢為先小幅度減小后增大，其中管頂土壓力增加規(guī)律近似線性呈現(xiàn)。提取管廊頂板的附加應(yīng)力峰值變化分別為：32.64%、44.56%、24.95%、20.21%，可見車輛荷載對管廊的影響隨管廊埋置深度增大而減少，若埋深繼續(xù)增大，頂板的豎向總應(yīng)力則主要由土壓力控制?？梢岳碚撋献罴崖裆钤诮橛?.7m 與1.5m 之間。

2.2 車輛荷載幅值對管廊豎向位移的影響

設(shè)置車輛荷載幅值（MPa）分別為0.7、1.25、1.7、2，管廊的豎向位移（mm）隨荷載幅值的變化分別為1.51、2.73、3.59、4.75，隨著荷載的增大，管頂受到的附加位移逐步增加，在第三級到第四級荷載下的位移增量速率變大，荷載基數(shù)越大位移增大速率越大。

3 型鋼混凝土地下管廊疲勞分析

3.1 常規(guī)疲勞模型循環(huán)荷載下管廊的力學(xué)特性

施加荷載最大值為160kN 的標(biāo)準(zhǔn)車荷載作用在路面上，提取施加循環(huán)過程中頂板最大位移為：0.531mm。經(jīng)過10 萬次的循環(huán)荷載后管廊最大的米塞斯應(yīng)力為0.326kPa，應(yīng)力管廊的性能沒有受到循環(huán)荷載的影響，此時(shí)的機(jī)動(dòng)車荷載的作用遠(yuǎn)小于能引起管廊疲勞的荷載，結(jié)構(gòu)完全處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 超重車輛疲勞荷載下管廊的力學(xué)特性

往復(fù)荷載循環(huán)1000 次后結(jié)構(gòu)頂板最大塑性應(yīng)變累計(jì)值為1.477×10-6。結(jié)構(gòu)頂板的損傷演化規(guī)律為：從頂板受拉側(cè)中心的單元率先出現(xiàn)塑性損傷，隨著循環(huán)次數(shù)增加，頂板中心周圍的單元受力增大，并逐漸進(jìn)入塑性工作階段。推測若繼續(xù)加載，等效塑性應(yīng)變會(huì)繼續(xù)向周圍擴(kuò)散，直到結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)塑性應(yīng)變最大值依舊在管廊頂板混凝土受拉側(cè)跨中中心和前側(cè)。

4 結(jié)論

（1）機(jī)動(dòng)車荷載在土體中的衰減速度由大變小，車輛附加應(yīng)力隨深度增加而增大，管廊結(jié)構(gòu)頂部的土壓應(yīng)力隨埋深增大近似呈線性增長，管頂?shù)目倯?yīng)力隨埋深增大先小幅減小后增加；埋深越大，管廊頂板機(jī)動(dòng)車附加位移越小。

（2）管廊附加位移隨荷載幅值增大而增加，重載車輛對結(jié)構(gòu)位移的影響比荷載增幅對結(jié)構(gòu)的位移的影響更大。

（3）型鋼混凝土地下綜合管廊在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載循環(huán)荷載作用下未出現(xiàn)塑性，在超載車輛疲勞荷載作用下產(chǎn)生了損傷，最大塑性應(yīng)變累計(jì)值為1.477×10-6。