综合管廊应力与变形的数值模拟分析

吴凡 肖博文 纪安康 王若愚

摘 要：以合肥地区高新区某标准段综合管廊为分析对象，利用有限元软件Midas GTS NX建立三维数值模型，建模时考虑该地区土质性质、路面荷载和车辆行人荷载，首先分析在这些荷载作用下，管廊处于正常使用阶段时其应力应变的变化情况.通过对模拟结果的分析可知，在正常使用阶段，管廊的位移最大值和应力最大值都远远小于管廊设计的允许值，这也说明了该管廊结构设计趋于保守，没有对其材料进行充分的利用，其结构仍有一定的可优化空间;在管廊应力集中的腋角处出现了应力集中的现象，结构设计时需要增大腋角配筋.所得结论可为以后相近工程提供参考.

关键词：综合管廊;数值模拟;应力;位移

中图分类号：TU473.2  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0095-03

1 引言

通过大力建设综合管廊来有效解决重复开挖路面、架空管线过密、管线事故多发和节省地下空间的资源，防护城市环境等问题.综合管廊又称共同沟，是一种公共的用来解决城市地下众多集中铺设的通信、电力、燃气等城市市政管线的隧道装置，因此综合管廊也成了新型的市政基础设施现代化建设的一种重要标志.

工程综合管廊位于合肥市高新区，沿明珠大道北侧绿化带敷设，总长度1774m，从西侧鸡鸣山路东开始，东至方兴大道西侧结束.管廊标准段结构顶部覆盖土的厚度约为2.5m.管廊的主体结构应包含：标准段、进排风口、吊装口、逃生口、人员进出口、分之口、端头井等.利用有限元软件Midas GTS NX建立三维数值模型来对综合管廊在正常使用状态下其应力、应变以及位移的变化特点和规律进行分析.

2 工况分析

2.1 参数选取

选取该工程标准段建立土层和管廊模型，土层分为三层，尺寸为60m*60m*15m，模型所用到的一些土层参数见表1.管廊结构采用现浇的混凝土结构，建模时选用C45的混凝土计算.管廊埋深为2.5m，结构为四厢，管廊结构尺寸为30m*12m*4m，其标准断面构造图见图1.

2.2 标准段管廊荷载计算

2.2.1 荷载组合

荷载组合应该按相关规范要求进行计算，如《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中就有对荷载组合计算的要求，即按式（1）计算.

2.2.2 荷载计算

管廊结构荷载分布图如图2所示：

3 数值分析

3.1 模型假设

通过了解工程概况，在构造三维数值模型的前提下进行分析.建模前需先进行如下假设：

（1）各土层为分布均匀、连续介质、性质相同的弹塑性材料，模型的尺寸对数值模拟没有影响;

（2）不考虑地下水对管廊施工的影响;

（3）实际管廊施工较为复杂，建立模型时利用等效刚度原理代换管廊之间的施工缝材料为均质材料，各向同性;

（4）对部分实际施工工况进行简化处理;

（5）不考虑现场施工荷载，模型分析时仅考虑边界荷载与模型自重的影响;

（6）整体模型的边界条件为：为了控制它水平和竖直方向的偏移，底面采用确定好的.水平方向上的偏移通过控制侧面，模型的上表面是自由面.

根据假设和实际工程概况建立30m*30m*15m模型进行分析，总体模型如图3所示.30m*30m*15m的模型用于分析单节管廊上部覆土相同时管廊结构的位移和应力，模型边界考虑边界的位移量，以来约束上面和左右各面，竖向位移则是用来限制其底部的.由于模型中对实际工况进行了一定程度的简化，一些未考虑到的因素可以通过加大建筑物的荷载来实现.

3.2 计算结果分析

3.2.1 管廊应力分析

取综合管廊一个标准段进行数值模拟研究，管廊结构标准段为四仓，模型尺寸为30m*12m*4m.通过单节标准段管廊不均匀沉降，进行管廊应力和位移分析.经过数值模拟分析可得，管廊应力分布如图5所示.其中图5（a）所示的为X方向的管廊应力云图，图5（b）所示的为Z方向的管廊应力云图.管廊各舱的最下层是均匀受力的，但是在每个舱室均有应力集中现象，存在于各舱室下腋角处.具体情况表现为，从中间向左右两边逐渐减小，而管廊底板的应力分布情况与管廊顶板恰恰相反，具体情况表现为，从中间向左右两边逐渐增大.由图5（a）可知，整个管廊在X方向上应力最大处是在右边近上方的角落处，其值为4.9MPa;管廊应力的最小值为0.017MPa由图5（b）可知，整个管廊在Z方向管廊应力最大值为5.32MPa，在靠近上部中间的部位;管廊最小应力值为0.025MPa.而此模型所用混凝土材料的强度允许值是45MPa，由此可知管廊在X，Z两个方向的最大应力值远小于材料允许的强度值.从这可以得出建立的整个管廊模型是偏于安全合理的，由数值模拟的计算结果可得出，30m一个管廊标准段进行施工是可行的.

3.2.2 管廊位移分析

图5为管廊正常使用阶段的位移云图，由图5分析可得：管廊整体变形趋势呈凹字，顶板有微小下沉，底板有小形变隆起，变形呈现由中心向两边均匀减小的变化趋势.由图5（b）可知，在X方向上管廊位移出现最大为0.91mm，是在靠近管线舱顶板中心位置;而管廊中零为最小位移.由图5（c）可知，在Y方向上管廊位移出现最大为0.81mm，是在靠近上部右边腋角处的地方;管廊中零为最小位移.由图5（a）可知，整个管廊中位移最为明显的地方出现在Z方向上，最大值为1.67mm，出现在靠近上部顶板右边腋角处的地方;管廊位移的最小值为0.21mm，出现在靠近上部顶板中间的地方.同时，规范规定的挠度允许值是25mm，管廊的最大位移值远小于规定允许值，管廊结构满足要求.

4 结语

经过分析得出如下结论：

（1）通过分析在荷载作用下，管廊处于正常使用阶段时其应力应变的变化情况可知，位移最大值和应力最大值都远远小于管廊设计的允许值，这也说明了该管廊结构设计趋于保守，没有对其材料进行充分的利用，其结构仍有一定的可优化空间.

（2）在管廊应力集中的腋角处出现了应力集中的现象，结构设计时需要增大腋角配筋.

（3）根据现场勘探结果结合管廊施工现场荷载分布，计算合肥地质条件下综合管廊荷载分布.

参考文献：

〔1〕薛学斌，殷吉彦，周洲，等.城市综合管廊相关问题探讨[J].给水排水，2017，53（1）：137-142.

[2]李军.综合管廊设计技术要点分析[J].建设科技，2017，16（5）：66-67.

〔3〕周泓，姜青新.关于《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》的初步解读[J].环境与可持续发展，2015，40（5）：58-59.

〔4〕刘文峰，尹力文.谈南京河西新区江东南路综合管廊设计[J].山西建筑，2014，40（36）：132-134.

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

〔6〕郭健，夏鹏，殷俊.地下工程综合管沟沉降的数值分析[J].武汉轻工大学学报，2015，34（4）：72-76.

〔7〕孙厚超，王国良，杨平.考虑流固耦合的隧道开挖引起地表沉降数值分析[J].森林工程，2015，31（3）：112-116.

〔8〕邓惠晗.浅谈综合管廊在市政工程中的设计应用[J].城市道桥与防洪，2013（7）.