无横向接头综合管廊标准段结构承载力分析

■李嘉维

(阳光学院，福州 350001)

0 概述

综合管廊[1]系于城市地下建造的一个隧道空间，将电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，统一建设和管理，有效解决了因检修破旧地下管线造成的道路重复开挖形成的“黑色污染，马路拉链”等问题[2]，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

综合管廊结构计算包括标准段计算和节点计算，其中尹希[3]对综合管廊标准段设计要点进行了归纳和分类，李林轶[4]基于弹性地基上的结构物分析方法提出了一种接近实际的弹性支撑方法，陈智强[5]等提出了抗弯刚度模型和抗弯承载力模型,对管廊的接头设计做了详细的研究。既有研究主要集中于对管廊模型及边界条件的优化，对于管廊标准段的结构设计研究尚少，尤其是无横向接头综合管廊标准段。本文以厦门某共同沟为例，基于有限元软件ANSYS，对无横向接头综合管廊标准段结构内力及承载力验算进行了分析和研究。

1 工程概况

厦门某市政道路一期工程A标位于集美新城中心区“三横三纵”和悦路上，两端各连接杏林湾路、海翔大道共同沟，全长1150.75m，共同沟布置于和悦路道路东侧下方。本段共同沟在和悦路下布置，在半幅机动车道管沟顶板结构上直接铺设路面调平层及沥青面层，最低覆土高度0.52m。本工程标准段为矩形箱室结构，箱体标准段侧壁、顶板、底板厚度为350mm，标准断面宽B=5.3m，高H=4.3m，单室箱涵。市政管线共同沟内两侧布置管线桥架或水管材支墩，支架宽度0.8m，中间为电瓶车维修通行通道宽度，要求不小于2.0m，两侧各0.5m侧向净空。共同沟内纳入电力、综合电信、给水管、中水管、污水及其他预留等管线。雨水、燃气管不纳入共同沟内。

2 结构上的作用

作用于管廊结构上的荷载类型主要有永久荷载、可变荷载、偶然荷载三种。

(1)永久荷载：土压力、结构主体及收容管线自重、混凝土收缩及徐变作用、预应力、地基不均匀沉降。

(2)可变荷载：地面车辆荷载、人群荷载、地下水压力、施工荷载、冻胀力、压力管道内的静水压力及真空压力。

(3)偶然荷载包括：地震荷载。

2.1 荷载计算

2.1.1 顶板荷载

(1）垂直土压力

式中：γ1、γ2、γ3分别表示沥青混凝土、 细石混凝土和回填土的容重；h1、h2、h3表示箱涵顶上沥青混凝土、细石混凝土和回填土的高度；Cd为开槽施工土压力系数，一般可取1.2计算。

(2）结构自重

式中：γ4表示钢筋混凝土的容重；δ表示箱涵顶板的厚度。

（3）垂直活荷载

地下箱型综合管廊与给水排水工程埋地矩形管埋设基本相同，故采用《给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程》附录B中B.0.2条，按两个以上单排轮压综合影响传递到箱涵顶的竖向压力标准值计算公式计算：

式中：μd为动力系数；n为车辆后排轮子总数量；Qvk为地面车辆后排车辆单个轮压标准值（kN/m）；ai为i个车轮的着地分布长度 （m）；bi为i个车轮的着地分布宽度(m)；dbj为沿车轮着地分布宽度方向，相邻两个车轮间的净距(m)；H1为行车地面至管廊顶面的高度（m），H=H1+H2+H3。

临时荷载一般取10kPa，活荷载和临时荷载在计算过程中取大值，两荷载不同时存在。

（4）顶板荷载组合

将恒载和活载进行组合，根据《给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程》中5.2.3条，土压力荷载分项系数取1.27(有利时取1.0)，结构构件自重分项系数取1.2(有利时取1.0)，地下水压力荷载分项系数取1.27，汽车荷载分项系数取1.4，地面临时荷载分项系数取1.4。将作用于顶板的恒载和活荷载进行组合为：

式中，qvk和临时荷载取大值。

2.1.2 侧墙荷载

（1）垂直土压力产生的荷载

Kα为主动土压力系数，对砂类土或粉土可取1/3；对粘性土可取1/3～1/4；γs′为地下水位以下回填土的有效重度(kN/m3)，可取 10kN/m3；故有：

（2）垂直活荷载产生的荷载

根据《给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程》附录B中B.0.4条，由于垂直活荷载作用于侧墙产生的水平荷载可按下式计算：

其中：qvk′和地面临时荷载取大值；

（3）侧墙荷载组合

将作用于侧墙产生所有水平荷载进行组合为：

2.1.3 底板荷载

由结构受力平衡可知，底板所受力为顶板所受荷载加上结构自重。

式中，B为底板总宽度，G为结构顶板荷载，P1为结构侧壁重量。

将底板所受的垂直荷载进行组合：

2.2 结构计算分析

2.2.1 结构力学求解器

通过结构力学求解器建模验算，将顶板、侧壁及底板的荷载施加到闭合框架上，底板设置两个铰支座，算出内力图（图 1）。

2.2.2 有限元计算

本工程采用Ansys有限元软件.管廊结构的计算模型采用闭合框架模型[6]，取纵向1m的标准段为计算单元，其中综合管廊顶板、底板、侧壁墙后均为350mm，均采用Beam单元模拟其特性。本工程可简化为平面应变问题进行计算，边界条件按弹簧单元支撑，考虑底板施加两个铰支座，四周施加荷载，由于本工程中地层土质较好，地基反力按弹性地基梁进行计算，地基反力视为直线分布。计算结果如图2所示。

3 结构验算

按照Ansys所得结果进行配筋，采用双层双向配筋，受力筋和分布筋均选用三级钢筋HRB400，其中外层受力筋Φ22@100，内层受力筋Φ20@100，分布筋Φ12@150，如图3。主要结构采用C40防水混凝土，抗渗等级S6，基础素混凝土垫层采用C15混凝土。

图1 结构力学求解管廊内力图

图2 Ansys求解管廊内力图

图3 标准段面配筋图（mm）

根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》[7]的相关规定，混凝土结构应满足正截面抗弯承载力验算、斜截面抗剪承载力验算以及在正常使用状态下的裂缝要求。

（1）正截面抗弯承载力验算

根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》[7]给出正截面抗弯承载力验算公式如下：

根据ansys计算结果，选用底板截面最大弯矩394.974kN·m来进行正截面抗弯承载力验算。可得Mμ＞394.974kN·m，其正截面抗弯正截面承载力大于底板最大弯矩设计值，满足要求。

（2）斜截面抗剪承载力验算

根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》给出的斜截面抗剪公式如下：

根据ansys计算结果，选用底板截面最大剪力513.942kN来进行斜截面抗剪承载力验算。可得Vcs＞513.942kN，其斜截面抗剪承载力大于底板最剪力设计值，满足要求。

（3）裂缝验算

根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》相关规定，按荷载作用的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度公式如下：

可得，管廊的的最大裂缝宽度小于0.2mm，满足要求。

4 结论

地下综合管廊作为城市的“生命线”，其结构的安全性应引起工程界的注意。本文以厦门某共同沟为背景，结合有限元软件ANSYS对无横向接头综合管廊标准段进行计算与分析，并进行验算，最后给出了标准断面配筋构造图，为今后的共同沟计算提供了一种参考。