CECS標準《預制拼裝綜合管廊結構設計規(guī)程》編制簡介*

薛偉辰 王恒棟 胡翔

1.同濟大學土木工程學院 上海200092

2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

綜合管廊是指建于城市地下，容納兩種及以上市政管線的構筑物及其附屬設施［1］。推進綜合管廊建設，有利于提高市政管線的安全性，降低城市管網(wǎng)的全壽命成本，增強城市綜合防災、減災能力。綜合管廊的建設水平和規(guī)模已成為衡量城市基礎設施現(xiàn)代化水平的重要標志之一。近年來，國務院和住建部發(fā)布的一系列政策文件（國發(fā)〔2016〕8號、建城〔2017〕116號等）以及2019年的政府工作報告均要求：在全國大力推進綜合管廊建設，并統(tǒng)籌納入各類市政管線，積極推廣多艙、大截面綜合管廊和預制拼裝綜合管廊。按規(guī)劃要求，今后我國城市新建道路配套的綜合管廊建設率要達到30%以上，其中預制混凝土綜合管廊的建設比例要達到15%。近3年，我國每年新建的綜合管廊均達到2000km左右。據(jù)估算，今后十年我國的綜合管廊建設規(guī)模將超過3萬km，需求巨大。

推進土木建筑行業(yè)的工業(yè)化發(fā)展是實現(xiàn)我國產(chǎn)業(yè)結構轉(zhuǎn)型升級的重大發(fā)展戰(zhàn)略。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土綜合管廊相比，預制拼裝綜合管廊具有構件質(zhì)量好、現(xiàn)場工期短（縮短工期近50%）、環(huán)境影響小（減少建筑垃圾80%）、大幅縮減基坑支護時間、降低支護要求、大量減少模板和支撐（減少70%以上）、節(jié)省人工等優(yōu)點，社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著［2，3］。因此，為了全面落實我國土木建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展的國家戰(zhàn)略，實現(xiàn)我國城市地下綜合管廊領域的工業(yè)化發(fā)展，切實提升我國綜合管廊的建設能力和水平，推廣應用預制拼裝綜合管廊勢在必行。

自2004年以來，同濟大學和上海市政工程設計研究總院等單位系統(tǒng)開展了預制拼裝綜合管廊結構的技術研發(fā)與示范應用，并逐步形成了包括整艙預制拼裝綜合管廊、疊合板式拼裝綜合管廊、預制板式拼裝綜合管廊、槽型預制拼裝綜合管廊等在內(nèi)的預制拼裝綜合管廊結構技術體系［4］。為了更好地推廣應用預制拼裝綜合管廊，并為相關工程設計提供技術依據(jù)，同濟大學和上海市政工程設計研究總院在總結前期研究與應用成果的基礎上，主編了中國工程建設標準化協(xié)會（CECS）標準《預制拼裝綜合管廊結構設計規(guī)程》。目前，本標準的編制工作已基本完成，即將形成征求意見稿并廣泛征求意見。本文將結合主編單位的相關研究成果對本標準的主要內(nèi)容做一簡要的介紹。

1 標準主要內(nèi)容及適用范圍

從已有的研究與應用成果來看，目前針對整艙預制拼裝綜合管廊、疊合板式拼裝綜合管廊、預制板式拼裝綜合管廊和預制槽型拼裝綜合管廊的技術體系已較為成熟［4］。其中，《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》（GB 50838—2015）已納入了有關整艙預制拼裝綜合管廊和單艙截面預制槽型拼裝綜合管廊的結構設計規(guī)定，湖南省、陜西省和哈爾濱市均頒布了有關疊合板式拼裝綜合管廊的地方性技術標準，編制組在預制板式拼裝綜合管廊方面也開展了系統(tǒng)的技術研發(fā)與示范應用。此外，目前我國的綜合管廊仍主要采用明挖法施工。

鑒于此，本標準的適用范圍確定為城市市政用鋼筋混凝土綜合管廊中采用明挖法施工的整艙預制拼裝綜合管廊、疊合板式拼裝綜合管廊、預制板式拼裝綜合管廊、預制槽型拼裝綜合管廊的結構設計。

2 結構設計計算主要技術規(guī)定

2.1 基本設計規(guī)定

在進行預制拼裝綜合管廊結構設計時，應對其承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行計算，并按乙類地下結構進行抗震設計。預制拼裝綜合管廊結構的設計使用年限為100年，安全等級為一級。

預制拼裝綜合管廊結構的承載能力極限狀態(tài)計算包括結構構件承載力計算和抗震承載力計算，必要時尚應進行結構的傾覆、滑移、漂浮驗算。預制拼裝綜合管廊結構正常使用極限狀態(tài)驗算主要包括變形和受力裂縫寬度。結構構件正截面的受力裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度不應超過表1規(guī)定的最大裂縫寬度限值。對預應力混凝土構件，按荷載標準組合并考慮長期作用的影響計算時，構件的最大裂縫寬度不應超過表1的規(guī)定；對二a類環(huán)境的預應力混凝土構件，尚應按荷載準永久組合計算，且構件受拉邊緣混凝土的拉應力不應大于混凝土的抗拉強度標準值。

2.2 結構分析

整艙預制拼裝綜合管廊、疊合板式拼裝綜合管廊和預制板式拼裝綜合管廊的截面內(nèi)力計算模型采用閉合框架模型（圖1）。編制組的研究表明［5］，作用于結構底板的基底反力分布需根據(jù)地基條件確定。對于地層較為堅硬或經(jīng)加固處理的地基，基底反力可視為直線分布。對于未經(jīng)處理的柔軟地基，基底反力應按彈性地基上的平面變形截條計算確定。

從編制組系統(tǒng)完成的試驗與理論研究成果來看［1，6，7］，預制槽型拼裝綜合管廊的內(nèi)力計算模型應考慮接頭的影響，可采用閉合框架—彈簧鉸模型（圖2）或局部剛度折減閉合框架模型（圖3）。當采用閉合框架—彈簧鉸模型時，彈簧鉸的轉(zhuǎn)動剛度應綜合考慮接頭構造、拼裝方式、界面應力等因素的影響，一般可通過試驗確定。當采用局部剛度折減閉合框架模型時，接頭上下壁厚范圍內(nèi)的截面抗彎剛度應進行折減，折減系數(shù)宜根據(jù)試驗確定。

圖2 預制槽型拼裝綜合管廊閉合框架－彈簧鉸計算模型Fig.2 Closed frame-spring hinge model for precast concrete utility tunnel with U-shaped elements

圖3 預制槽型拼裝綜合管廊局部剛度折減閉合框架計算模型Fig.3 Closed frame model with semi-rigid connection for precast concrete utility tunnel with U-shaped elements

編制組系統(tǒng)完成的試驗結果表明［8，9］，與設置角部加腋構造的預制拼裝綜合管廊相比，不設置角部加腋構造的預制拼裝綜合管廊，其承載力將降低15%～20%。因此，預制拼裝綜合管廊在進行結構分析時，應考慮角部加腋構造的影響。當不設置角部加腋時，應取軸線位置的計算彎矩驗算角部邊緣截面的抗彎承載力（圖4）。當設置角部加腋時，應將計算彎矩等高平移至角部邊緣截面，并按1∶3傾角確定有效抗彎截面，驗算加腋區(qū)兩邊緣截面的抗彎承載力（圖5）。

圖4 不設加腋的角部正截面抗彎承載力計算簡圖Fig.4 Calculation diagram for the utility tunnel without hang corner

圖5 設置加腋的角部正截面抗彎承載力計算簡圖Fig.5 Calculation diagram for the utility tunnel with hang corner

2.3 預制構件設計

預制拼裝綜合管廊中預制構件的設計應區(qū)分不同設計狀況。對于持久設計狀況，應對預制構件進行承載力、變形、裂縫控制驗算。對于地震設計狀況，應對預制構件進行承載力驗算。對于制作、運輸和堆放、安裝等短暫設計狀況，預制構件驗算應符合《混凝土結構工程施工規(guī)范》（GB 50666—2011）的有關規(guī)定。

已有研究表明，預制構件的混凝土保護層厚度過大將導致保護層混凝土開裂嚴重，甚至在受力過程中過早剝離脫落［10］。因此，本規(guī)程規(guī)定當預制構件中鋼筋的混凝土保護層厚度大于50mm時，宜對鋼筋的混凝土保護層采取有效的構造措施。為了保證疊合板式拼裝綜合管廊的受力性能以及雙面疊合側(cè)壁的預制板中鋼筋具有足夠的保護層厚度［11］，本規(guī)程要求其迎水面預制板的厚度不宜小于70mm，非迎水面預制板的厚度不應小于50mm。相應的，側(cè)壁中間空腔后澆部分的截面厚度不宜小于150mm。

2.4 連接設計

預制拼裝綜合管廊各預制構件的連接構造應根據(jù)實際情況合理確定。其中，預制板式拼裝綜合管廊結構中，側(cè)壁與底板的橫向拼縫接頭處的豎向鋼筋連接宜根據(jù)受力特點、施工工藝等要求選用套筒灌漿連接、漿錨搭接連接等連接方式［12］。

對于預制拼裝綜合管廊的預制構件連接接頭均應進行正截面受彎承載力計算和拼縫受剪承載力計算。其中：

（1）疊合板式拼裝綜合管廊和預制板式拼裝綜合管廊側(cè)壁橫向接頭拼縫處的正截面承載力計算應滿足現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）中的有關規(guī)定，且接頭拼縫處的正截面承載力不應小于相應的現(xiàn)澆正截面承載力的1.1倍；

圖6 預制槽型拼裝綜合管廊接頭受彎承載力計算簡圖Fig.6 Calculation diagram for loading capacity of precast concrete utility tunnel with U-shaped elements

（2）預制槽型拼裝綜合管廊結構的橫向和縱向接頭采用預應力筋連接構造或螺栓連接構造時，其接頭拼縫處的正截面受彎承載力計算簡圖如圖6所示，并按：

式中：M為接頭彎矩設計值（kN·m）；fpy為預應力筋或螺栓的抗拉強度設計值（N／mm2）；Ap為預應力筋或螺栓的截面面積（mm2）；h為構件截面高度（mm）；x為構件混凝土受壓區(qū)截面高度（mm）；α1為系數(shù)（當混凝土強度等級不超過C50時，取1.0，當混凝土強度等級為C80時，取0.92，期間按線性內(nèi)插法確定）。

（3）疊合板式拼裝綜合管廊、預制板式拼裝綜合管廊的側(cè)壁橫向接頭拼縫處受剪承載力設計值應按：

式中：Vu為預制拼裝綜合管廊側(cè)壁水平拼縫處剪力設計值（kN）；As為預制拼裝綜合管廊側(cè)壁水平拼縫處垂直穿過拼縫面的豎向鋼筋總面積（mm2）；fy為垂直穿過拼縫面的豎向鋼筋抗拉強度設計值（N／mm2）；N為與拼縫處剪力設計值相對應的垂直于水平拼縫面的軸向力設計值（kN，壓力時取正，拉力時取負；當大于0.6fcbh0時，取0.6fcbh0，此處，fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，b為側(cè)壁縱向分段長度，h0為側(cè)壁截面有效高度）。

（4）預制槽型拼裝綜合管廊側(cè)壁橫向接頭拼縫處受剪承載力設計值應按：

式中：μ為界面的摩擦系數(shù)；σpe為拼縫面壓應力（mm）；Aj為拼縫面面積（mm）；Ap為預應力筋的截面面積（mm2）；fc為預制構件混凝土軸心抗壓強度設計值（N／mm2）；fpy為預應力筋的抗拉強度設計值（N／mm2）。

此外，預制槽型拼裝綜合管廊尚應對橫向接頭拼縫的外緣張開量進行驗算。

3 結構防水設計主要技術規(guī)定

編制組完成的一系列防水性能試驗結果表明［13，14］：預制拼裝綜合管廊主體結構具有很好的防水性能，其防水設計應重點關注拼縫防水性能方面；通過采用合理的拼縫防水構造和控制指標，可有效保證預制拼裝綜合管廊拼縫具有良好的防水性能?；谏鲜鼋Y論，本規(guī)程重點對各類預制拼裝綜合管廊的拼縫防水構造做了規(guī)定。主要內(nèi)容如下：

（1）整艙預制拼裝綜合管廊和預制槽型拼裝綜合管廊的拼縫應采用不少于兩道橡膠密封條或防水膠條加強防水，并宜預留檢測孔。

（2）疊合板式拼裝綜合管廊的雙面疊合側(cè)壁與底板拼縫防水構造應符合《地下工程防水技術規(guī)范》（GB 50108—2011）和《城市綜合管廊防水工程技術規(guī)程》（T／CECS 562—2018）中有關地下結構和綜合管廊結構施工縫防水構造的相關規(guī)定。

（3）預制板式拼裝綜合管廊的預制側(cè)壁與頂板和底板拼縫宜根據(jù)連接構造采用設置鋼板止水帶或橡膠密封條的防水構造，并應符合《地下工程防水技術規(guī)范》（GB 50108—2011）和《城市綜合管廊防水工程技術規(guī)程》（T／CECS 562—2018）中有關地下結構和綜合管廊結構施工縫防水構造的相關規(guī)定。

預制拼裝綜合管廊拼縫防水應采用預制成型彈性密封墊為主要防水措施，彈性密封墊的界面應力不應低于1.5MPa。彈性密封墊應沿環(huán)、縱面兜繞成框型。溝槽形式、截面尺寸應與彈性密封墊的形式和尺寸相匹配。

對于有預留檢測孔的預制拼裝綜合管廊，應在拼裝后采用注水或充氣加壓的方法對每條拼縫進行密閉性檢測。如拼縫防水構造中采用的是遇水膨脹膠圈，不宜采用注水的方式檢漏。

4 結語

預制拼裝綜合管廊具有構件質(zhì)量好、現(xiàn)場工期短、環(huán)境影響小、大幅縮減基坑支護時間、降低支護要求、大量減少模板和支撐、節(jié)省人工等優(yōu)點，社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著。大力發(fā)展預制拼裝綜合管廊是推進我國土木建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展、實現(xiàn)我國產(chǎn)業(yè)結構轉(zhuǎn)型升級的重要內(nèi)容之一。自2004年以來，同濟大學和上海市政工程設計研究總院等單位系統(tǒng)開展了預制拼裝綜合管廊結構的技術研發(fā)與示范應用。在此基礎上，相關單位承擔了中國工程建設標準化協(xié)會（CECS）標準《預制拼裝綜合管廊結構設計規(guī)程》的編制任務。本文結合主編單位的研究成果，介紹了標準中結構設計計算和結構防水設計的主要技術規(guī)定。本標準的編制將為我國預制拼裝綜合管廊結構的設計提供依據(jù)。