装配式波纹钢方拱形地下综合管廊——以南京江北新区综合管廊二期工程为例

陆长兵

（南京市江北新区公共工程建设中心，南京 210000）

1 背景技术

目前的地下综合管廊结构多采用钢筋混凝土结构，但存在造价高、工期长、易渗漏、砂石料的大量使用影响生态环保、施工污染、对基础要求高、对地质状况敏感等问题。针对该问题，国内外许多机构展开了对钢结构地下综合管廊的研究及使用。以利用钢质结构代替钢混结构，国外最早的应用是在德国耶拿市（见图1），建于1945年，已使用77年，该项目采用热浸镀锌防腐，目前应用状态良好。

2017年以前，国内外钢结构地下综合管廊技术有许多技术瓶颈，影响了钢结构管廊的推广应用，问题如下：（1）圆形断面，空间利用率低，线管布设难，开挖超宽，侵占设计红线；（2）采用搭接连接，连接螺栓贯穿结构体内外，漏水严重；（3）无法提前在生产制作过程中进行反向预变形，结构变形大；（4）楔形部位回填空间受限，回填密实度达不到设计要求，变形严重；（5）多舱结构的舱间间距大，施工不便；（6）难以设置抗浮装置；（7）结构下部贯穿结构体的连接螺栓，外侧为地基，无螺栓操作空间；（8）只能逐片拼装施工，不能整节对接，进度受限。

针对以上种种缺陷，以及国家、省、市鼓励在综合管廊建设中应用新技术、新材料、新工艺的政策要求，南京江北新区公共工程建设中心组织东南大学、上海市政设计研究总院、中铁十七局、南京联众工程技术有限公司，进行装配式钢结构地下综合管廊的研究，在江北新区进行装配式钢结构地下综合管廊的试验性及示范性应用，进行了装配式钢结构地下综合管廊原型试验，并于南京江北新区综合管廊二期工程浦滨路团结路口（桩号C6+045~A0+041段）综合管廊采用成品钢结构综合管廊。

2 结构设计

断面形式：采用方拱形断面（见图2、图3）代替传统圆形断面。

主体材料：采用Q355低合金结构钢材，制成波纹钢结构。

连接形式：采用高强螺栓将型钢法兰平面对接并紧固。

抗浮设计：采用配重及外挑飞边结构。

3 原型试验及监测数据

本项目依托南京江北新区核心区二期综合管廊建设工程，设置12 m长的试验管廊进行结构性能试验。试验管廊为双舱（见图4），采用两节装配式波形钢方拱形结构拼装而成。管廊净空尺寸为2 050 mm×3 100 mm+2 050 mm×3 100 mm。波纹板选用的波形为400 mm×150 mm[4]，波纹板的厚度为（4.5±0.15）mm；钢板材质为Q355，单节长度为6 m，按原设计荷载3 m覆土的3倍工况（10 m覆土堆载）进行破坏试验。

监测项目包含：钢结构板片应力（分布式光纤监测和应变片监测）；螺栓孔局部应力；焊缝应力；螺栓应力；土压力；舱间及底板混凝土应力；钢结构板片收敛、沉降、水平位移；管段接头位变；底板下不同深度孔隙水压力及渗漏水试验；外部动载。

钢结构板片应力监测：（1）分布式光纤监测：10 m填土（原设计荷载3倍工况），1 720με应变（约340 MPa）。（2）应变片监测：10 m填土（原设计荷载3倍工况），断面的最大应力约为332 MPa。

钢结构板片变形监测：10 m填土（原设计荷载3倍工况）左舱净空尺寸累计垂直方向变化值为-7.8 mm，右舱净空尺寸累计垂直方向变化值为-9.8 mm。

4 有限元数值分析

鉴于该方拱形结构，为国际原创结构，在初期，难以采用现有经典计算公式计算和验算，所以，在原型试验数据的基础上，先行采用有限元数值分析的方法对结构强度进行计算[1]和验算。

1）针对试验段双舱综合管廊模拟计算：波形参数400 mm×150 mm×4.5 mm，荷载工况按10 m填土（见图5）。

有限元数值分析结果（见图6）：10 m填土（原设计荷载3倍工况）拱顶部位最大应力318.9 MPa。与原型试验监测数据拟合度高。

2）针对南京江北新区综合管廊二期工程浦滨路团结路口采用的三舱结构，进行有限元数值模拟计算：波形参数375 mm×125 mm×6.5 mm，荷载按7.3 m填土（见图7）。

有限元数值分析结果（见图8）：7.3 m填土拱顶部位最大应力222.3 MPa。根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》[2]Q355钢材强度设计值为305 MPa。而该结构拱顶部位最大应力值为222.3 MPa＜305 MPa，该结构的强度满足设计规范要求。

5 结论

1）装配式钢结构综合管廊，以其标准化设计、工厂化智能化制造、装配化施工、绿色建筑、造价节省、工期短、施工污染减少等优势，具有广泛的推广应用前景。

2）装配式钢结构综合管廊在结构强度、整体抗浮设计、防腐设计、防水设计、耐火设计等方面均满足GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[3]等相关技术规范，为全面推广应用提供了技术支撑。

3）依托南京江北新区综合管二期工程所开展的双舱钢管廊原型试验，通过全面的受力与变形观测分析，验证了预制装配式钢结构管廊方案的可行性，为进一步大面积推广应用提供了可靠的技术依据。

4）依据原型试验+理论分析，工程方案设计论证及工程领域的应用案例佐证，该装配式箱拱形结构具有独特的技术创新性、先进性和实用性，符合我国绿色发展、智能制造、供给侧改革以及预制装配式建筑发展方向，预期经济效益、社会效益和环境效益显著，具有广泛的推广应用前景。