某综合管廊关键节点局部开大洞对结构受力性能的影响

唐甜甜

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

某综合管廊关键节点局部开大洞对结构受力性能的影响

唐甜甜

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

通过对某综合管廊关键节点的三维模型及二维平面模型分析的对比，给出在中板开大洞时平面计算模型如何简化较为合理，可为设计人员提供设计依据。

综合管廊；开大洞；三维模型；二维模型

0 引 言

随着我国城镇化进程的不断推进，土地资源越来越稀缺，传统的管线铺装方法会导致施工的不断重复，给人民的正常生活带来了不便，且不利于环境的保护，综合管廊可在源头上解决这些问题。综合管廊是指在城市道路下面建造一个市政共用隧道，将电力、通信、供水、燃气等多种市政管线集中在一体，实行“统一规划、统一建设、统一管理”，以做到地下空间的综合利用和资源的共享。从保护环境，节约土地资源、保证地下管线安全运营等各方面综合管廊都有积极地意义，是我国管线建设的方向和趋势，见图1。

图1 综合管廊示意图

综合管廊一般包括干线综合管廊、支线综合管廊和电缆沟，根据《城市工程管线综合规划规范》（GB 50289－98）有关规定，综合管廊内宜敷设电信电缆管线、低压配电电缆管线、给水管线、热力管线、雨污水排水管线。在结合该区域道路的延伸情况以及用地情况进行平面及横断面的设计中，还需要进行关键节点的设计，以保证地下空间的通风性、施工设备的便利进出及施工人员的便利进出等等施工的实际需要，以燃气仓为例，关键节点一般包括：燃气仓投料口（保证燃气管道、设备的进出）及燃气仓通风口（保证燃气仓的通风性）。投料口，顾名思义为燃气仓设备的投递出入口，由于设备较长，需要留设较长的洞口来满足安装的需求[1-6]。

以海口市某综合管廊燃气仓投料口为例，燃气仓投料口洞口长达13 m。在这种情况下侧壁直接按悬壁进行计算，墙底弯矩会很大，侧壁厚度及配筋都需要增加，一般我们采取在洞口设置暗梁的方法使得洞口处水平位移很小，小到忽略不计则认为这个地方是一个铰支座，但当洞口很大，梁的跨度很长时，这根梁本身的刚度有限，还是会产生变形，进而对侧壁弯矩产生影响，跟平面计算时，按铰支座计算是不一样的，但在设计时，不可能每次都将整个节点拿出来进行三维计算，本文将通过对特定节点的三维模型与二维模型受力分析的对比，给出该如何简化三维模型进行计算对主体结构的弯矩影响可以忽略不计，以便于设计人员的实际操作。

1 计算模型

本文以海口某段综合管廊燃气仓投料口为例 ， 采 用 Autodesk RobotStructuralAnalysis Professional2014软件分别对三维模型和二维平面模型进行分析。该节点处于中心绿化带下，为双层双仓节点，其中标准段埋深为3.5 m，底板底埋深11.35 m，投料口总长20 m，在-3.500 m标高顶板处有一处开洞，洞口长为13 m，洞口处设置暗梁，暗梁沿整个节点X向通长设置，暗梁尺寸为450 mm× 2 600 mm，顶板厚450 mm,中板厚500 mm,底板及侧墙厚700 mm,中隔墙厚300 mm，混凝土等级为C35，结构的整体三维模型见图2。

图2 燃气仓投料口三维模型

三维模型中所有板件均采用板单元进行模拟，对底板施加弹性约束，限制其在X向和Y向的水平位移，Z向上设置了无数个弹簧，考虑了结构与土体的共同作用，整个结构受到的荷载包括：左右两侧的土压力和超载产生的土压力、顶板上的覆土荷载和超载以及底板和中板的活荷载。

图3为-3.500 m标高的顶板平面图，在其中选取两个代表性剖面进行平面受力分析，分别为标准段1-1剖面，2-2剖面（见图4），投料口开洞3-3剖面（见图5）。平面模型中所有板件采用1 m宽的杆单元进行模拟，由于底板不会产生Y方向的位移，只需要限制底板在X方向的位移，Z向上同样设置弹性地基，荷载取值与三维模型相同。

图3 -3.500 m标高顶板平面图(单位：mm)

图5 投料口开洞处3-3剖面(单位：mm)

2 计算结果分析

图6为三维模型计算出来的弯矩图，图7为三维模型Z向位移云图，图8、图9为二维模型计算出来的弯矩图，其中3-3剖面的二维计算模型中开洞处设为水平铰支座，限制该洞口在X方向的位移，其余截面、荷载、底板约束条件均一致。

从三维模型的弯矩彩图中可以看出，右侧侧墙弯矩沿Y向变化较为均匀，左侧侧墙（开洞一侧）沿Y向变化较大，特别是-6.450标高处侧墙底弯矩在洞口处增大较多，从洞口中心处往两侧此值逐渐减小。

图6 三维模型弯矩图

图7 三维模型Z向位移云图

图8 1-1剖面弯矩图

在三维模型中取三个剖面与平面计算出来的结果进行对比，根据图3所示，这三个剖面分别为投料口洞口右侧标准段1-1剖、投料口洞口左侧标准段2-2剖及投料口洞口处3-3剖，将墙底弯矩列表对比，见表1。

从表1中可知，二维模型计算出来的结果与三维模型中2-2剖计算出来的结果几乎一样，最大差异不到1%，但1-1剖面的左侧墙底弯矩比二维模型计算出来的结果要大7.35%，这是由于三维模型在整体荷载上的不均匀分布，导致在整个节点的右上侧即1-1剖面的左侧墙墙底局部产生了较大的沉降，从而导致洞口右侧的左侧墙底弯矩最大。

图9 3-3剖面弯矩图（铰支座）

表1 弯矩结果对比（标准段） kN·m

将三维模型中的3-3剖的弯矩结果与二维模型计算出来的弯矩结果列表，见表2。可得与标准段相比，3-3剖面的左右侧侧墙底弯矩均小于标准段计算出来的结果，三维模型计算出来的洞口-6.450标高处侧墙弯矩比二维模型按铰支座计算出来的侧墙弯矩大86.3%，这是由于按铰支座计算时，-3.500 m标高暗梁处没有位移，而实际情况下此处会产生一定的位移，则会影响到-6.450 m标高处侧墙的弯矩，若将此暗梁视为一根简支梁，则此暗梁将产生0.47 cm的弹性位移，将这一位移赋予此处支座，即在x方向上赋予该支座55 832 kN/m的弹簧刚度，按二维模型计算后的弯矩图见图10。根据弯矩图可得，-6.450标高处左墙弯矩为388.81 kN.m，比三维实际计算结果大了47%，这是由于-0.800 m标高处在二维建模时x方向是按无约束考虑的，但实际上-0.800 m标高这块板相当于一根1.6 m高的暗梁，端部与侧墙连接，存在有限刚度，根据x向的位移云图可知，此块板最大位移为-0.4 cm，将此刚度在二维平面计算时考虑进去，则-6.450标高处左墙弯矩为260.98 kN·m，见图11，与三维计算结果比较接近。但由于二维计算模型没有考虑到空间上力的传递，此处由于存在投料口，覆土面积比标准段要小，计算出来的侧墙弯矩要远小于三维模型计算出来的侧墙弯矩，而实际三维模型计算出来的结果仅比标准段的侧墙弯矩略小，在实际设计配筋时应按照标准段的计算结果进行配筋比较合理。

表2 弯矩结果对比（洞口段） kN·m

图10 3-3剖面弯矩图（一处弹性支座）

3 结 论

本文通过ROBOt软件对三维模型及二维平面模型的结果进行对比，得出了以下主要结论：

（1）对于综合管廊标准段可以直接采用平面模型进行设计，与三维模型计算结果比较接近，但当整个节点荷载在长度方向上分布特别不均匀时，需要适当考虑沉降较大处产生的应力集中；

图11 3-3剖面弯矩图（两处弹性支座）

（2）对于开大洞的剖面采用平面模型计算时，暗梁处应采用弹性支座进行模拟，直接按铰支座计算对开洞平面下层的侧墙弯矩非常不利，且侧墙弯矩均应按照标准段二维计算结果与开大洞处二维计算结果进行包络设计，因为开大洞处荷载比标准段小，反而会导致侧墙弯矩的减小，直接按此二维结果进行设计是不利的。

（3）开大洞处弹性支座的刚度可按一根两端简支的梁在不考虑钢筋布置的情况下计算出来的刚度进行设置。

由于本文的计算对比分析具有针对性，对于开洞跨度小于13m的投料口具有借鉴意义，但当跨度特别大时，由于空间作用传递效率的折减，弹性支座的刚度如何选取还需要进一步论证。

[1]GB 50838-2015,城市综合管廊工程技术规范[S].

[2]GB 50069-2016,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

[3]王恒栋.GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》解读[J].中国建筑防水,2016(14):34-37.

[4]周志刚.某综合管廊受力性能分析[J].低温建筑技术,2012(5): 61-62.

[5]胡维思.城市地下综合管廊结构设计要点分析[J].工程技术（引文版），2016,6(9):267.

[6]胡咏祥.城市综合管廊设计重点及实例应用探究[J].建筑科技, 2016(8):152-153.

TU990.3

B

1009-7716（2017）01-0161-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.047

2016-10-27

唐甜甜（1986-），女，湖北仙桃人，工程师，从事城市综合管廊设计工作。