城市地下綜合管廊預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

閔歡

摘要 文章基于市政管線實際需求，綜合考慮空間利用率，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，設(shè)計了不同模數(shù)的單艙和雙艙管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面形式，并通過工程實際案例計算，介紹了管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面的配筋計算方法，佐證了配筋形式的合理性，旨在為今后城市地下綜合管廊的規(guī)?；a(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞 綜合管廊；預(yù)制拼裝；斷面設(shè)計；配筋設(shè)計

中圖分類號 TU990.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0123-03

0 引言

城市地下綜合管廊是適用于容納普通壓力管道（給水管、再生水管、尾水管）、天然、熱力、電力電纜、通信線纜及其他類似性質(zhì)城市工程管線的管道綜合體，通過利用城市地下空間，將兩種或多種管道集中布置于城市地下，為城市地下的各類基礎(chǔ)設(shè)施提供了一個集中管理和維護(hù)的空間[1]。城市地下綜合管廊的建設(shè)施工方法主要分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩種。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆綜合管廊建設(shè)方式相比，預(yù)制綜合管廊具有施工周期短、材料用量省、結(jié)構(gòu)質(zhì)量好、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢，因此近年來預(yù)制綜合管廊在我國得到了廣泛應(yīng)用[2]。預(yù)制綜合管廊根據(jù)拼裝形式不同，分為整體預(yù)制拼裝式、半整體預(yù)制拼裝式和預(yù)制板拼裝式，其中整體預(yù)制拼裝式綜合管廊的連接節(jié)點最少，相對而言結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、防水性能更好、施工周期也更短。該文結(jié)合工程實際案例，對整體預(yù)制拼裝式綜合管廊的斷面結(jié)構(gòu)形式、斷面配筋形式和配筋計算方法進(jìn)行了分析與研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1 斷面設(shè)計

預(yù)制綜合管廊斷面設(shè)計應(yīng)根據(jù)納入管線的種類、規(guī)模、建設(shè)方式和預(yù)留空間等因素確定，同時考慮管線施工安裝、檢修、維護(hù)作業(yè)所需要的空間要求。管廊斷面的形式及尺寸直接關(guān)系到預(yù)制綜合管廊使用的便利性和造價的高低，因此，斷面設(shè)計是預(yù)制綜合管廊設(shè)計中的首要問題[3]。

在同等截面下，矩形的斷面形式空間利用率更高，管線敷設(shè)、施工和維修更方便。在設(shè)計斷面高度和寬度時，則主要從管線種類、管徑大小、管線布置、施工安裝和檢修方便的角度考慮，且能滿足行人通行。為了使設(shè)計的斷面具有普適性和應(yīng)用性，在調(diào)研各類管線權(quán)屬單位的意見基礎(chǔ)上，綜合各類管線的設(shè)計規(guī)范及安裝運維要求，設(shè)計了單艙和雙艙兩種斷面形式，共計99種截面，見圖1。其中，單艙管廊斷面18種，凈高h(yuǎn)分為2.5 m、2.8 m、3.0 m三種，凈寬b分為2.4 m、2.7 m、3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m六種，截面表示為b×h；雙艙管廊斷面81種，凈高h(yuǎn)分為2.5 m、2.8 m、3.0 m三種，凈寬b分為2.4 m、2.7 m、3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m六種，凈寬b'分為1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m五種，且b≥b'，截面表示為（b+b'）×h。

1.2 設(shè)計計算

預(yù)制管廊的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.1，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年。設(shè)計計算包括抗浮計算、配筋計算、裂縫寬度驗算以及抗震計算四部分。計算模型采用鋼筋混凝土閉合框架模型，見圖2。預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)的作用按性質(zhì)分為永久作用和可變作用，按作用位置分為頂板荷載、側(cè)壁頂壓力、側(cè)壁底壓力和地板反力，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，選擇使整體結(jié)構(gòu)或預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力最大、工作狀態(tài)最為不利的荷載組合。

1.3 配筋設(shè)計

通過靜力計算、裂縫寬度驗算和反應(yīng)位移法地震反應(yīng)計算，可知在抗震設(shè)防烈度為6度、7度區(qū)，設(shè)計水位在地面以下0.5 m，覆土厚度不大于4 m的工況下，管廊截面的配筋不由地震作用控制，即在滿足靜力工況下的強度及裂縫要求時，管廊結(jié)構(gòu)計算配筋均滿足地震工況下的承載力要求。且計算分析表明，在基本組合和準(zhǔn)永久組合作用下，單艙管廊截面內(nèi)力最大處一般出現(xiàn)在側(cè)壁四角，雙艙管廊截面內(nèi)力最大處一般出現(xiàn)在外側(cè)壁四角和中壁交接處[4]。

根據(jù)受力特點[5]，單艙管廊側(cè)壁四角內(nèi)力較大，因此在側(cè)壁四角加大受力筋布置，同時布置加腋構(gòu)造鋼筋，設(shè)計單艙管廊截面鋼筋具體布置方式，見圖3。其中，①～⑥號筋為主要受力筋，配筋值另行計算；⑦號筋為分布筋，配筋值為板厚250 mm時取Φ10@200、板厚300 mm時取Φ12@200；⑧號筋為加腋構(gòu)造鋼筋，配筋值為Φ12@200；⑨號筋為雙層鋼筋網(wǎng)之間的拉結(jié)筋，用Φ8，間距為隔一拉一，鋼筋均采用HRB400。

根據(jù)受力特點，雙艙管廊外側(cè)壁四角和中壁交接處內(nèi)力較大，因此在側(cè)壁四角和中壁交接處加大受力筋布置，同時布置加腋構(gòu)造鋼筋，設(shè)計雙艙管廊截面鋼筋具體布置方式，見圖4。其中，①～號筋為主要受力筋，配筋值另行計算；、號筋為分布筋，配筋值為板厚250 mm時取Φ10@200、板厚300 mm時取Φ12@200；號筋為加腋構(gòu)造鋼筋，配筋值為Φ12@200；、號筋為雙層鋼筋網(wǎng)之間的拉結(jié)筋，用Φ8，間距為隔一拉一，鋼筋均采用HRB400。

2 配筋計算

2.1 工程概況

某地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，抗浮設(shè)計水位位于地面以下0.5 m，綜合管廊工程納入給水管、電力電纜和通信線纜，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面采用（3.3+3.0）m×2.5 m雙艙斷面，中間壁板厚0.25 m，其余壁板厚均為0.3 m，管廊標(biāo)準(zhǔn)段埋深為4.0 m。

2.2 抗浮計算

地下綜合管廊應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定計算，其上作用包括水浮力、管廊自重以及覆土壓力，計算時不計綜合管廊內(nèi)管線和設(shè)備的自重，其他各項作用均取標(biāo)準(zhǔn)值，抗浮穩(wěn)定性系數(shù)不低于1.05。

2.2.1 水浮力

F=（2b1+b+b2+b'）×（h1+h+h2）

×γw=（2×0.3+3.3+0.25+3.0）×（0.3

+2.5+0.3）×10=221.65 kN/m

2.2.2 管廊自重

G=[（2b1+b+b2+b'）×（h1+h+h2）?（b+b'）×h+8×1/2×0.22]

×γc=[（2×0.3+3.3+0.25+3.0）×（0.3+2.5+0.3）?（3.3+3.0）×2.5+8

×1/2×0.22]×25=164.38 kN/m

2.2.3 覆土壓力

G'=[（ht?0.5）×γs'+0.5×γs]×（2b1+b+b2+b'）=[（4?0.5）×8+0.5

×18]×（2×0.3+3.3+0.25+3.0）=264.55 kN/m

2.2.4 抗浮計算

（G+G'）/F=（164.38+264.55）/221.65=1.9≥1.05，滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

2.3 配筋計算

配筋計算時，采用荷載基本組合，預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)上的作分為恒載和活載。恒載主要包括水壓力和土壓力，計算時采用水土分算，土側(cè)壓力系數(shù)取0.5?；钶d取為城?A級，換算成與管廊埋深4.0 m有關(guān)的等代均布荷載為10 kN/m2。

2.3.1 恒載作用

頂板恒載Gk1=（ht?0.5）×（γs'+γw）+h2×γc+0.5×γs=（4?0.5）

×（10+10）+0.3×25+0.5×20=87.5 kN/m

側(cè)壁頂水土壓力Gk2=[（ht+0.5h2?0.5）×γs'+0.5×γs]×0.5+（ht+0.5h2?0.5）×γw=[（4+0.5×0.3?0.5）×10+0.5×20]×0.5+（4+

0.5×0.3?0.5）×10=59.75 kN/m

側(cè)壁底水土壓力Gk3=Gk2+（h+0.5h2+0.5h1）×γs'×0.5+

（h+0.5h2+0.5h1）×γw=59.75+（2.5+0.5×0.3+0.5×0.3）×10×0.5+

（22.5+0.5×0.3+0.5×0.3×10=101.75 kN/m

底板恒載凈反力Gk4=Gk1+（2b1+b2）×h×γc/（2b1+b+b2

+b'）=87.5+（2×0.3+0.25）×2.5×25/（2×0.3+3.3+0.25+3）=

94.93 kN/m

2.3.2 活載作用

頂板活荷載Qk1=Qk=10 kN/m

側(cè)壁頂活荷載Qk2=0.5Qk=5 kN/m

側(cè)壁底活荷載Qk3=0.5Qk=5 kN/m

底板活荷載Qk4=Qk=10 kN/m

2.3.3 計算分析

通過理正工具箱平面剛桁架計算，在荷載基本組合下，截面最大內(nèi)力出現(xiàn)在底板與中壁交接處，其計算彎矩值為172.3 kN/m、剪力值為283.2 kN、軸力為192.7 kN（拉力）。截面相應(yīng)的配筋計算值見圖5。

根據(jù)內(nèi)力計算配筋結(jié)果，按照雙艙管廊截面鋼筋布置方式進(jìn)行配筋，配置①～號鋼筋規(guī)格依次如下：Φ14@200、Φ14@125、Φ12@125、Φ14@125、Φ12@125、Φ12@175、Φ12@175、Φ12@175、Φ16@200、2Φ16@200、Φ12@200、Φ14@200、2Φ14@200、Φ12@200。

2.4 裂縫計算

裂縫驗算時，采用荷載準(zhǔn)永久組合，準(zhǔn)永久系數(shù)取0.4，預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為三級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度限值取為0.2 mm，且不得貫通。經(jīng)理正工具箱平面剛桁架計算，該工程預(yù)制綜合管廊在荷載準(zhǔn)永久組合作用下，內(nèi)力較大地方出現(xiàn)在外側(cè)壁與中壁交接處。其中，中壁與頂板交接處彎矩為104.60 kN/m、

軸力（拉力）為104.0 kN，中壁與底板交接處彎矩為115.10 kN/m、軸力（拉力）為127.7 kN。根據(jù)上述內(nèi)力計算結(jié)果，通過理正工具箱梁單元計算，得出最大裂縫寬度分別為0.186 mm、0.170 mm，裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足抗裂要求。

2.5 抗震計算

抗震計算時，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震等級為四級，采用反應(yīng)位移法對綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行地震反應(yīng)分析。反應(yīng)位移法將管廊周圍的土體作為約束結(jié)構(gòu)的地基彈簧，將管廊結(jié)構(gòu)作為梁單元，從而建立彈簧－梁計算模型，計算時主要考慮土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和土層剪切力三種地震作用，是一種計算管廊結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的簡化擬靜力分析方法[6]。通過反應(yīng)位移法地震計算，該工程的管廊截面配筋不由地震作用控制。

3 結(jié)論

該文根據(jù)市政管線實際需求，設(shè)計了綜合預(yù)制管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面形式，并對標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行力學(xué)分析，設(shè)計出了適用于工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)斷面配筋形式，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）設(shè)計了滿足工程施工和空間利用率高的99種單艙矩形和雙艙矩形管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面形式，設(shè)計的斷面具有普適性。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，設(shè)計了綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼筋布置方式，并通過工程實際案例介紹了具體的配筋計算方法。

（3）把綜合管廊斷面尺寸模數(shù)化，斷面配筋標(biāo)準(zhǔn)化，為今后的管廊設(shè)計提供了參考，節(jié)省了時間和成本，有利于綜合預(yù)制管廊規(guī)?；a(chǎn)和推廣應(yīng)用，對促進(jìn)城市發(fā)展有著積極意義。

參考文獻(xiàn)

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