城市综合管廊交叉口节点结构设计

林茹

(上海松江交通投资运营集团有限公司 201613)

引言

近年来, 伴随着综合管廊大范围的开发建设, 国内学者对于综合管廊展开大量研究[1,2],在综合管廊主体结构设计[3]方面, 主要集中于地下结构抗震设计[4]、 预制装配式管廊技术参数值[5,6]及荷载取值[7]等方面, 但是这些研究方向往往仅针对管廊标准段, 对管廊特殊节点研究甚少[8]。

由于综合管廊标准段的纵向由变形缝分割,纵向长度较长, 其壁板可按单向板进行考虑, 结构设计过程中一般采用闭合框架法进行简化计算。 然而, 管廊部分特殊节点(如交叉口)由于廊内空间不足, 平面内局部需外扩, 且有大开孔,此时基于闭合框架法的二维计算模型的安全性及经济性有待商榷。 本文以某综合管廊的交叉口为例, 分别采用二维及三维有限元软件进行受力结果对比分析, 对以此为代表的特殊节点结构设计计算方法进行探讨。

综合管廊为地下结构, 长期处于干湿交替环境。 在设计过程中, 对主体结构要求有混凝土自防水和抗渗的要求。 结构设计配筋中对结构构件裂缝控制值为0.2mm, 而且不得出现贯通的裂缝[9]。 工程设计经验表明, 地下结构往往是由正常使用极限状态下的裂缝控制, 满足绝大部分工程的耐久性和安全性。 所以本文以构件弯矩作为主要研究对象, 对交叉口构件受力特性进行研究。

1 工程概况

某城市两条道路的地下综合管廊在道路交口, 相交节点处采用上下两层综合管廊垂直相交方案, 其中处于上层的管廊为钢筋混凝土现浇结构双层管廊, 上层设有污水舱和雨水流槽两个舱室； 下层设初期雨水舱、 电力舱、 综合舱和燃气舱, 具体尺寸见如图1。

处于下层的管廊是钢筋混凝土现浇单层管廊, 设有电缆舱、 综合舱和燃气舱三个舱室, 具体尺寸见图2。

图2 综合管廊(二)标准断面(单位: mm)Fig.2 Integrated pipe corridor (Ⅱ) standard section (unit: mm)

管廊主线位于绿化带下, 管廊顶板覆土约为1.50m, 根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838 -2015)的有关规定, 本工程建(构)筑物结构安全等级为一级, 结构重要性系数γ0=1.1,结构的设计使用年限为100 年, 故而混凝土强度等级选取C35, 抗渗等级为P8, 主体结构裂缝控制等级为三级(0.20mm), 综合管廊防水等级为二级。 主筋采用HRB400 级钢筋。

本工程地勘深度范围内遇的地基土均属第四纪沉积物。 涉及土层 ①1、 ②、 ③1-1、 ③3-1、⑥2-1、 ⑥3、 ⑦1-1的主要力学性质见表1。 本次研究的交叉口持力层为砂质粉土。

表1 土层的主要力学性质Tab.1 Main mechanical properties of soil layer

2 荷载取值

本管廊工程的竖向荷载包括结构自重、 顶板覆土荷载、 地面活荷载、 水浮力及管廊恒荷载,水平向荷载包括水土侧向荷载(水土分算)和由地面超载引起的侧向荷载。 各类荷载的计算过程如下:

1.恒载

①结构自重=25kN/m3×结构厚度

② 侧墙: 侧墙桥架 =1.5kPa； 底板: 4kPa(考虑路面铺装, 管道)

③顶板覆土=18kN/m3×覆土厚度

④水土压力=(8kN/m3×静止侧压力系数+10) ×板中心距地面距离

⑤浮托力=10kN/m3×(设计抗浮水位高程-底板底面高程)

2.活载

⑥顶面活载=20kN/m2(地面活荷载选地面堆载和绿化荷载的较大值: 20kN/m2)

⑦侧面活载=20kN/m2× 静止侧压力系数(加权平均)

⑧设备活载=4kN/m2

⑨温度作用(可变荷载), 覆土深度0m ～1m, 考虑顶板上下温差±20℃； 覆土深度1m ～2m, 考虑顶板上下温差±10℃； 覆土深度2m 以上不考虑顶板温差。 温度作用均乘以0.70 的折减系数。

根据施工阶段和使用阶段的受力状态不同,荷载组合工况有所差别。 对比各种荷载组合工况, 最终对不同计算工况进行包络分析, 如表2所示。

表2 综合管廊荷载组合Tab.2 Composite pipe corridor load combination

3 结构构件弯矩计算

本文采用通用有限元设计软件进行有限元计算, 单元网格采用自动网格划分模式(昆氏曲面4 个节点的四边/面形), 底板处采用单向弹簧约束, 底部采用竖向约束。

3.1 二维简化模型

在设计过程中, 往往采用截条法截取单位长度的交叉口建立二维模型, 采用二维杆单元模拟结构的底板、 壁板、 顶板、 中板、 柱及中隔墙,结构底板与地基土之间的相互作用采用杆弹性地基弹簧, 并设置单向弹簧, 只提供向上的反力,地基土基床系数取10000kN/m2, 计算模型见图3。

图3 二维计算模型Fig.3 Two-dimensional calculation model

3.2 三维精细化模型

以变形缝为界, 建立整个交叉口主体结构三维精细化模型。 结构板构件采用壳单元建模, 设定网格属性, 自动生成最小网格尺寸为0.5m 的四边形网格, 并进行整体网格平滑处理, 以满足工程设计要求。 边界条件设置: 变形缝处为结构方向约束； 底板采用单向弹性地基支座, 计算模型见图4。

图4 三维计算模型Fig.4 3D calculation model

3.3 计算结果及分析

图5 为本交叉口节点二维计算模型的弯矩包络图。 结构受力体系非常明确, 底板和下半部分壁板为主要受力构件, 顶板在地面堆载和侧向水平荷载的协同作用下亦出现了较大的支座弯矩,底板在水浮力作用下出现较大的支座弯矩和跨中弯矩。 图6 为表1 中所有工况下本交叉口各构件弯矩包络图。

图5 二维模型弯矩计算结果(单位: kN·m)Fig.5 Bending moment calculation results of two-dimensional model (unit: kN·m)

图6 三维计算模型各构件弯矩云图(单位: kN·m)Fig.6 Cloud diagram of bending moment of each component of the 3D calculation model (unit: kN·m)

分析三维精细化模型的计算结果, 可以发现在顶、 中、 底板均存在较大的非主受力方向的弯矩, 见表3。 对比图5, 可得出以下论点:

表3 不同计算模型弯矩值对比(单位: kN·m)Tab.3 Comparison of bending moment values of different calculation models (unit: kN·m)

(1)二维模型的计算结果能较好地反映出整个壁板、 底板以及中、 顶板在X和Y方向最不利部分受力特性, 设计安全系数相对较高；

(2)由三维模型弯矩云图可以看出, 两侧壁板、 中隔墙为单向板, 其余构件为双向板, 针对双向板结构设计, 若采用三维模型计算, 可进行优化设计从而节约成本；

(3)由表3 数值可知, 三维结构模型下考虑整体效应, 顶板、 底板及侧墙在跨中的弯矩较大, 同时削减了支座处的弯矩； 由于中板开洞影响, 三维模型整体弯矩值大于二维模型, 出于结构安全性, 建议针对板面开洞情况, 采用整体三维模型进行设计计算分析； 对于中隔墙, 属于单向板, 三维整体模型在Y方向上的弯矩明显要大于二维模型, 而X方向小于二维模型。

4 结语

1.综合管廊交叉口为三维空间结构体系, 结构的空间尺度及边界约束都与标准断面完全不同, 采用二维平面模型很难反映交叉口结构真实的受力状态, 需要采用三维空间模型才能确保结构内力计算的准确性。

2.主体结构基底为土层, 为了更好地模拟结构受力状态, 底板采用单向弹性地基, 但仅定义了竖向弹性支撑, 应当还需要定义X、Y方向的约束。

3.由于交叉口的特殊性, 结构板块较多, 所以为了更方便建模, 应将各个板面定义为统一的局部坐标, 这样可以更方便地进行荷载定义和读取计算数据。

4.针对地下结构, 需对结构不同位置构件进行不同工况下的受力分析, 最终进行包络配筋计算。

地下综合管廊交叉口工程设计过程中, 采用三维空间模型计算, 二维框架模型复核的原则,确保地下结构的安全性和经济性。