腋高尺寸对双仓管廊受力性能的影响分析

刘 芳 唐华春

(吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118)

0 引言

城市地下管线综合管廊是城市建设现代化、科技化、集约化的标志之一，也是城市地下空间充分利用的象征，更是城市公用管线敷设综合化、廊道化的发展新趋势[1]。

欧洲19世纪就在一些相对发达的城市建造城市综合管廊，而我国的管廊建设起步较晚，对管廊建设的研究主要集中在政策和管理上，对管廊合理的结构设计研究不多。管廊的结构形式有现浇式和预制式，按空间划分有单仓管廊和多仓管廊。本文针对某地一个预制双仓综合管廊，研究了不同的角点腋高对管廊的受力、变形的影响。

1 地下综合管廊有限元模型的建立

1.1 工程概况

本文分析的管廊为某地地下综合管廊，主体结构为预制双仓管廊，剖面图以及结构尺寸如图1所示。C1,C3,C7,C8,Y1,Y2,Y3,Y4为混凝土应力测点；P1,P2,P4以及位于管廊左上角顶部的P9为位移测点；R2钢筋应力测点在Y4顶板上层钢筋处，R4钢筋应力测点为中部下层钢筋处，R7位于隔板与顶板节点上部钢筋处，R9位于中部下层钢筋处。

1.2 本构模型的选择

混凝土的本构关系是混凝土材料受荷之后的应力应变关系，ABAQUS中混凝土本构模型有弥散裂缝模型，脆性破裂模型和塑性损伤模型。本文选用混凝土塑性损伤模型CDP(Concrete Damaged Plasticity)，混凝土损伤塑性模型可以较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征[2]。混凝土应力应变曲线如图2所示。采用混凝土塑性损伤模型进行有限元分析时需要设定5个材料参数，综合考虑分析结果的收敛和分析过程的效率[3]，其取值如表1所示。

表1 CDP模型参数取值

管廊主体结构中的钢筋采用ABAQUS中内置的弹塑性模型(CDP)，钢材的本构关系为双折线模型[4]。

1.3 建立计算模型

模型构件的沿纵向拉伸1.2 m，与土体接触面的钢筋保护层厚度取50 mm，角点腋高分为三组，第一组为150 mm×150 mm，第二组为200 mm×200 mm，第三组为250 mm×250 mm。顶板荷载为90 MPa，两侧壁简化施加等效均布荷载64 MPa，地基反力163 MPa；混凝土的单元类型采用C3D8R，钢筋的单元类型采用T3D2；对底板与两侧板、中间隔板节点处的底面进行固结约束[5]；管廊底板和顶板采用楔形扫掠划分网格，钢筋采用自由网格划分网格，其余部分采用六面体结构划分网格，模拟在相同的荷载下，不同的腋高对相应观测点的影响程度。

2 计算结果分析

2.1 管廊主体结构变形分析

图3为不同角点腋尺寸管廊主体变形图，不同腋高尺寸的变形极值见表2。

表2 变形极值mm

腋高尺寸150×150200×200250×250Umax2.282.161.95

从管廊主体变形云图可以看出，廊体左侧发生的变形大于右侧廊体发生的变形。挠度最大处在左侧底板的中部，其次是左侧板和顶板，分别产生了向左和向下的挠度。隔板处产生了向右的挠度，并且随着角点腋高尺寸的增加，发生变形的区域有所增加。由于荷载呈对称分布，角点腋高的改变对P1,P2,P4,P9的影响很小，P1和P4的位移有减小的趋势，P2和P9无明显变化趋势。在荷载相同的情况下，随着角点腋高尺寸的增大，左跨底板中部的位移有减小，最大值为2.28 mm。根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范中表3.4.3 受弯构件的挠度限值[6]，当l0<7 m时，挠度限值介于l0/250和l0/200,4 800/250=19.2 mm。即在正常使用的情况下，管廊产生的挠度小于规范限值。

2.2 综合管廊结构混凝土应力分析

图4为混凝土应力图，各腋高尺寸的混凝土应力极值见表3。

表3 混凝土应力极值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax10.328.7558.4

从混凝土的应力云图可以看出，左侧廊体角点的受力比较复杂，尤其在隔板与顶板和底板相交处，存在应力集中，最大应力达到了10 MPa，其产生的原因是因为底部施加的固端约束。在C3处的混凝土拉应力在2.5 MPa左右，超过了混凝土的轴心抗拉强度标准值。由于顶板和底板左侧所受的载荷比右侧大，在隔板的右侧产生了负弯矩，使得板面的混凝土产生了拉应力。另外，由于隔板两侧的弯矩不同，使得隔板左侧受压，右侧受拉。

2.3 主体结构钢筋应力分析

图5为钢筋的应力云图,各腋高尺寸的钢筋应力极值如表4所示。

表4 钢筋应力极值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax251.0230.5218.5

从钢筋的应力云图可以看出，管廊左侧的钢筋应力大于右侧钢筋应力，在廊体和隔板左下角点都出现了较大的钢筋应力值。而在廊体右侧，由于跨度较小，钢筋的应力分布均匀，没有出现较大的应力，由于有负弯矩的影响，右侧顶板的底部钢筋出现了压应力，各角点的加腋钢筋也处于受压状态。随着角点腋高尺寸的增加，左下角点的钢筋应力最大值从251 MPa下降到了218 MPa。其余观测点的数据见表5。

表5 其余观测点应力数据 MPa

3 结语

本文对某综合管廊结构设计方案结合有限元分析软件ABAQUS进行精细化建模，把不同的角点腋高尺寸作为变量，分析在相同的载荷情况下其对管廊的结构变形、混凝土和钢筋的应力进行了分析，得出的结论如下：

1)在正常情况使用下，管廊的最大变形小于规范的限定值。

2)廊体有多处混凝土的拉应力接近及超过轴心抗拉强度标准值，说明在极限荷载作用下已经开裂，廊体混凝土的压应力没有超过抗压强度标准值，满足设计要求。

3)本项目设计采用HRB400钢筋，各截面的钢筋应力小于设计值，满足设计要求。

4)建议角腋从隔顶板和底板的反弯点开始布置，能够进一步改善角点处的混凝土受力。

5)由于双仓管廊空间利用的限制，建议隔板采用高一标号的混凝土，增强其抗压和抗弯性能。