雙倉綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

李肖華，孫建波，賀鳳春，王立勇，柳明祥，陳 靜

（1.中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京；2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢）

前言

地下綜合管廊對提高城市地下空間的有效利用率、提升市容市貌和美化環(huán)境有著至關(guān)重要的作用，同時能夠有效避免道路重復(fù)開挖和市政管線隔空敷設(shè)的缺點(diǎn)，也為城市管線未來的檢修提供了便利[1-2]。近年來，隨著我國地下空間開發(fā)與應(yīng)用的飛速發(fā)展，地下綜合管廊建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行中[3]。然而，建設(shè)中也出現(xiàn)了諸多的問題，例如設(shè)計規(guī)范與實(shí)際施工技術(shù)存在不匹配的問題，難以有效指導(dǎo)施工[4]，各部門之間協(xié)調(diào)溝通困難，而地下綜合管廊的投資模式、建成以后運(yùn)營維修等諸多問題也需深入研究[5]。

本文以某地下綜合管廊為例，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)的有限元模型，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種荷載組合作用下的受力性能分析，以便于更好地指導(dǎo)地下綜合管廊后續(xù)施工，同時也對地下綜合管廊設(shè)計規(guī)范的完善起到了一定借鑒作用[6]。

1 概述

1.1 項目背景

內(nèi)江市位于天府之國東南部，是川內(nèi)第二大交通樞紐，是川東南乃至西南各省交通的重要交匯點(diǎn)。國道321 線現(xiàn)為四車道一級過境公路，缺失市政管網(wǎng)、人行及景觀設(shè)施，不具備城市道路功能。路線基本沿現(xiàn)狀溝谷地帶布置，總體線位標(biāo)高較低，與兩側(cè)山體間高差較大，最大約45 m，造成南北片區(qū)隔離，周邊土地場平棄方多，局部地區(qū)兩側(cè)地塊與道路間成“V”形倒坡等不利情況。G321 管廊本次實(shí)施范圍為站二路北至成渝高鐵東側(cè)，與G321 西林大道至花園灘大橋段管廊相接，為雙艙管廊，全長2.733 km；綜合管廊布置于道路西（南）側(cè)綠化帶內(nèi)。

1.2 設(shè)計原則

根據(jù)“經(jīng)濟(jì)適用、適當(dāng)預(yù)留”的原則和管線規(guī)模，確定G321 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面：10 kV 電纜、通信線纜、給水及中水位于電力綜合艙，艙內(nèi)為10 kV 電力電纜預(yù)留5 排支架，為通信線纜預(yù)留4 排支架，給水及中水布置于支墩上；電纜綜合艙凈結(jié)構(gòu)尺寸為3.6 m×3.2 m；110 kV 電纜電纜布置于高壓艙，艙室凈結(jié)構(gòu)尺寸為1.7 m×3.2 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 年。裂縫寬度不得超過0.2 mm?？垢∷粸樵O(shè)計地面±0.000，整體抗浮安全系數(shù)取為1.05。管位橫斷面如圖1 所示。

圖1 G321 管位橫斷面

2 有限元模型建立

2.1 土層參數(shù)

地下綜合管廊所經(jīng)處的土體相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

（1）填土與結(jié)構(gòu)材料特性?；炷敛捎肅40 防水混凝土。鋼筋采用普通鋼筋HRB400，迎土面縱筋保護(hù)層厚度為50 mm，其余保護(hù)層厚度30 mm。壓實(shí)回填土天然容重取為19.00 kN/m3，壓實(shí)回填土飽和容重取為20.00 kN/m3，填土的內(nèi)摩擦角取φ=30°，側(cè)壓系數(shù)λ=tan2（45°-φ/2）=0.333，水容重取10 kN/m3。

（2）結(jié)構(gòu)形式。以內(nèi)江G321 國道綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)點(diǎn)為例，結(jié)構(gòu)為兩層雙倉管廊，底板厚度為0.4 m，側(cè)壁板厚0.4 m，中板厚0.25 m，頂板厚0.4 m。

2.3 模型建立

采用MidasGen 對綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模，考慮到土體只受壓的特性，對管廊底板施加面彈性支撐，豎向基床系數(shù)K=20 000 kN/m3，水平基床系數(shù)取6 500 kN/m3，有限元模型及邊界條件如圖2 所示。

圖2 模型及邊界條件

荷載施加:

結(jié)構(gòu)自重取γ=26 kN/m3，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；底板鋪裝層按厚0.1 m 計入，則重度為26k N/m3。頂板以上覆土深度為5 m～8 m，按8 m覆土壓實(shí)填土重力的豎向土壓力和側(cè)向土壓力，即最不利情況計算。綠化帶按1.3 m 覆土厚度計入地面堆載作用，按24 kN/m2加載。根據(jù)水位線位置計入水壓力及浮力，采用水土分離模式計算豎向水壓力底板水浮力和側(cè)向水壓力，地下水則按靜水壓力加載。將車輛等效為填土層厚度，施加于相應(yīng)的構(gòu)件上。人群荷載按2.5 kN/m2計入。

管道內(nèi)設(shè)置有給水管DN300 和DN600，管道水重取滿水自重；DN300 支墩尺寸為：0.3 m×0.5 m×0.65 m，DN600 支墩尺寸為：0.6 m×0.8 m×0.8 m，均按4.0 m 間距布置，根據(jù)構(gòu)件實(shí)際位置和自重計算。

3 板內(nèi)力驗算及配筋

標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件包括底板、頂板、外壁板及中壁板，按荷載最不利情況計算，分別對各構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，包括驗算各構(gòu)件的抗彎、抗剪和抗裂能力并進(jìn)行配筋等。

3.1 底板內(nèi)力及配筋

根據(jù)基本組合下X、Y 方向的彎矩和軸力對各構(gòu)件配筋，底板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，因此提取管廊底板內(nèi)力相應(yīng)數(shù)據(jù)后計算配筋，具體見表2。

表2 管廊底板內(nèi)力及配筋

底板的內(nèi)力在X 和Y 方向上都呈對稱分布，最大彎矩在板底Y 方向，為301.04 kN·m，最大剪力在板頂Y 方向，為462.414 kN·m，最大值都出現(xiàn)在中部偏下位置。

3.2 頂板內(nèi)力及配筋

頂板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，提取最大拉壓應(yīng)力和彎矩并計算配筋，結(jié)果具體見表3。

表3 管廊頂板內(nèi)力及配筋

頂板的內(nèi)力變化與底板相似，在X 和Y 方向上也都呈對稱分布，最大彎矩在板頂Y 方向，為290.252 kN·m，最大剪力在板底Y 方向，為396.32 kN·m，都出現(xiàn)在中部偏下位置。

3.3 結(jié)構(gòu)板抗剪驗算

管廊各結(jié)構(gòu)板的剪力計算結(jié)果云圖如圖3 所示。

圖3 管廊剪力計算結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)段管廊最大剪力出現(xiàn)在頂板中部，為474.8 kN，根據(jù)規(guī)范要求，對于不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件，其斜截面受剪承載力應(yīng)符合即管廊結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。因此，管廊結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

3.4 結(jié)構(gòu)板裂縫寬度檢驗

根據(jù)Midas 運(yùn)算結(jié)果，各構(gòu)件裂縫寬度見表4?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)最大裂縫出現(xiàn)在底板，為0.197 mm，同時底板也是彎矩和剪力最大的位置，而中板裂縫最小，彎矩和剪力也最小。

表4 各構(gòu)件裂縫寬度

3.5 結(jié)構(gòu)抗浮驗算

土壓力結(jié)果如圖4 所示?？垢≡O(shè)計水位為地下水位位于地面±0.000m 處，根據(jù)抗浮驗算可以看出，抗浮基底壓力大于基底水壓力的1.05 倍，所以，管廊抗浮滿足規(guī)范要求。

圖4 抗浮工況下基地土壓力

3.6 結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力驗算

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載能力下的地基土壓力進(jìn)行驗算，土壓力結(jié)果如圖5 所示，由圖5 可知，最大基底壓應(yīng)力σmax=199.8 kPa，故管廊標(biāo)準(zhǔn)段地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa。

圖5 極限承載工況下基地土壓力

綜合以上計算結(jié)果，3 m～8 m 覆土標(biāo)準(zhǔn)段管廊結(jié)構(gòu)各板件即整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

地下綜合管廊往往存在結(jié)構(gòu)受力和變形、混凝土裂縫等多種風(fēng)險，本文采用有限元軟件對地下綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)，在多種荷載組合作用下進(jìn)行了受力性能分析，得到了以下結(jié)論：

（1）綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段3 m～8 m 覆土下結(jié)構(gòu)混凝土拉、壓應(yīng)力均小于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋最大應(yīng)力均小于設(shè)計值，最大變形值均小于規(guī)范限定值，各板件抗彎、抗剪和抗裂能力滿足要求，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。

（2）管廊標(biāo)準(zhǔn)段抗浮基底壓力大于1.05 倍水壓力；地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa 的要求。