地下綜合管廊分支節(jié)點設(shè)計

程 京 偉

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司,北京 100082)

0 引言

由于傳統(tǒng)直埋管線占用道路下方地下空間較多，管線的敷設(shè)往往不能和道路的建設(shè)同步，造成道路頻繁開挖，不但影響了道路的正常通行，同時也帶來了噪聲和揚塵等環(huán)境污染，一些城市的直埋管線頻繁出現(xiàn)安全事故。綜合管廊的出現(xiàn)為眾多直埋的管線提供了統(tǒng)一的安身之所，提高了管線維護工作的及時性、迅速性和可達性，極大的緩解了管線維修引起的“拉鏈路”問題。目前，我國一些經(jīng)濟發(fā)達的城市，綜合管廊建設(shè)進入了高速發(fā)展期[1,2]。

綜合管廊的斷面形式根據(jù)容納管線的種類、數(shù)量、施工方法綜合確定。綜合管廊的斷面通常采用矩形斷面，其優(yōu)點在于施工方便，管廊的內(nèi)部空間得以充分利用，但在管線出入管廊的區(qū)段，不可避免出現(xiàn)了管廊的交叉節(jié)點，地下管線的復(fù)雜性、交錯性使得分支節(jié)點區(qū)段形成異形段，荷載類型多樣，受力異常復(fù)雜，需要建立空間計算模型進行精確分析，利用有效的措施獲得合理的解決方案。本文以北京市受壁街地下綜合管廊為工程實例，以矩形斷面的管廊分支節(jié)點為研究對象，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，解決了地下綜合管廊分支節(jié)點區(qū)段的結(jié)構(gòu)受力問題。

1 工程概況

擬建的受壁街是新規(guī)劃街道，位于北京市西城區(qū)，西起二環(huán)路輔路，東至趙登禹路，位于阜成門內(nèi)大街與平安里西大街之間。本項目總用地面積26 765 m2，建設(shè)工程包括市政道路、管線工程、地下停車場和綜合管廊等。綜合管廊設(shè)計全長823 m，其中，綜合管廊設(shè)計全長817 m，其中與車庫共構(gòu)段277.6 m，非共構(gòu)段546 m，本設(shè)計為非共構(gòu)段管廊。

本計算適用出線節(jié)點：出線節(jié)點根據(jù)各類管線的工藝要求，采取上翻出線方式，結(jié)構(gòu)外觀上形成了上凸結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)采用整體現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。最大凈寬2.7 m，凈高4.3 m，覆土厚度0.66 m～2.24 m，兩側(cè)外墻厚300 mm，中墻厚250 mm，頂?shù)装搴窬鶠?00 mm(見圖1)。

分支節(jié)點斷面圖見圖2。

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 分析模型

本文通過Midas civil軟件建立板單元空間結(jié)構(gòu)模型，準確模擬綜合管廊非標準段結(jié)構(gòu)及其受力行為，通過基床系數(shù)建立只受壓的面彈性支承，模擬土彈性邊界，通過一般支承建立結(jié)構(gòu)橫向與縱向的約束。按照混凝土斷面的重心軸線確定單元及節(jié)點位置，模擬過程中不考慮結(jié)構(gòu)抹角的影響。

采用Midas civil 2017進行結(jié)構(gòu)分析計算。結(jié)構(gòu)共3 732個板單元、共3 741個節(jié)點。結(jié)構(gòu)整體模型如圖3所示。

2.2 荷載作用

本管廊工程的豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、頂板覆土荷載、地面活荷載、水浮力及管廊恒荷載，水平向荷載包括水土側(cè)向荷載(水土分算)和由地面超載引起的側(cè)墻土壓力，以及頂板臨時施工堆載，收縮徐變，溫度荷載[3]。

側(cè)向壓力按水土分算考慮，根據(jù)側(cè)向土壓力按靜止土壓力理論計算，水壓力直接根據(jù)靜水壓力計算；分有水和無水兩種情況進行水土分算。

其中，γ為土的自然密度；γ′為土的浮容重，γ′=γsat-γw;γw為水的重度；h1,h2分別為地下水位至地表和基地距離。

管廊可變荷載需要考慮地面活荷載、吊裝孔吊車荷載標準值、水+電信艙頂板吊鉤荷載標準值，并考慮其動力系數(shù)。

結(jié)構(gòu)按甲類6級的人防荷載進行結(jié)構(gòu)強度驗算，并做到各個部分抗力協(xié)調(diào)。計算溫度應(yīng)力的影響。人防等效靜荷載取值：頂板取60 kN/m2，底板取60 kN/m2，側(cè)墻取30 kN/m2。

綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中的作用及其組合、GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。

組合主要考慮在永久荷載+可變荷載作用下，進行強度、裂縫及變形驗算；在永久荷載作用下進行抗浮驗算；在永久荷載+可變荷載作用下進行地基承載力驗算。

其中，強度驗算是在結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)下按基本組合計算荷載組合的效應(yīng)設(shè)計值；裂縫及變形驗算是在結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)下按標準組合、準永久組合計算荷載組合的效應(yīng)設(shè)計值；抗浮驗算時采用短期效應(yīng)組合，不計車輛荷載，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05；地基承載力驗算按照標準組合進行[4]，計算荷載組合分項系數(shù)按表1取值。

表1 荷載組合分項系數(shù)表

3 分析計算結(jié)果

3.1 抗彎計算

通過板單元精細化模型分析，底板和側(cè)墻的內(nèi)力均為有水條件下控制，從內(nèi)力圖中可以看出正負彎矩的最不利位置。整體結(jié)構(gòu)受到兩個上凸形的結(jié)構(gòu)的影響，凸形結(jié)構(gòu)的頂板以及水信艙的側(cè)板雙向板受力效應(yīng)明顯，雙向板的跨中和支座的彎矩均較大，需要針對三維模型的計算結(jié)果，對雙向板進行結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖4～圖10)。對于其他位置的頂板及側(cè)板非主力方向的彎矩較小，可以按照單向板進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。

根據(jù)上述計算結(jié)果，管廊結(jié)構(gòu)按照下列原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計：

1)以下內(nèi)力計算結(jié)果為所有荷載組合包絡(luò)后的數(shù)值，本處僅給出荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖及內(nèi)力主要斷面圖。計算表格中數(shù)值按內(nèi)力云圖及斷面圖中控制點摘取。

2)管廊結(jié)構(gòu)的頂板、底板和側(cè)墻可按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計、配筋，其中頂板和底板可按受彎構(gòu)件設(shè)計、配筋(不計軸向力的影響)，二者取最不利工況控制設(shè)計。

3)管廊結(jié)構(gòu)的頂板、底板和側(cè)板應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)的承載能力(正截面強度和斜截面強度)和正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度的驗算。

通過以上分析得到各部位配筋驗算結(jié)果，其中配筋按每延米計算(見表2)。由表2可以看出，結(jié)構(gòu)裂縫均小于0.2 mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)力在抗彎承載力范圍之內(nèi)，均滿足規(guī)范要求。

表2 各部位控制內(nèi)力和配筋計算表

3.2 抗剪計算

通過計算分析，管廊底板和側(cè)墻的剪力變化相對較小(見圖11)，在保證構(gòu)件安全的前提下，盡量統(tǒng)一布置吊筋，這樣可以大大降低施工的難度，具有明顯的經(jīng)濟效益。

本結(jié)構(gòu)采用的吊筋間距400 mm×400 mm，中墻厚度為250 mm，其對應(yīng)抗剪能力為236 kN，在中墻處最大剪力23 kN，滿足抗剪承載力要求；其他位置最大剪力235 kN，厚度均為300 mm，相應(yīng)的抗剪能力為299 kN，滿足要求。

3.3 位移計算

通過板單元精細化模型分析，底板和側(cè)墻的變形為有水條件下控制，最大變形為0.8 mm，出現(xiàn)在水信電力艙外墻的板中位置。本管廊采用混凝土閉合框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大，構(gòu)件變形撓度遠小于限值，滿足規(guī)范要求(如圖12所示)。

4 結(jié)語

通過建立全結(jié)構(gòu)板單元模型進行空間分析，考慮多種荷載條件工況，以矩形斷面的管廊分支節(jié)點為研究對象，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。在復(fù)雜的荷載工況下，針對綜合管廊不同位置分別進行的受力分析，根據(jù)不同位置板的受力狀態(tài)分別進行包絡(luò)配筋計算。在確保地下結(jié)構(gòu)的安全的前提下，通過精細化分析，降低結(jié)構(gòu)的板厚，保證結(jié)構(gòu)的安全性。