城市地下综合管廊预制拼装结构设计与分析

闵欢

摘要 文章基于市政管线实际需求，综合考虑空间利用率，根据结构受力特点，设计了不同模数的单舱和双舱管廊标准断面形式，并通过工程实际案例计算，介绍了管廊标准断面的配筋计算方法，佐证了配筋形式的合理性，旨在为今后城市地下综合管廊的规模化生产提供参考。

关键词 综合管廊；预制拼装；断面设计；配筋设计

中图分类号 TU990.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0123-03

0 引言

城市地下综合管廊是适用于容纳普通压力管道（给水管、再生水管、尾水管）、天然、热力、电力电缆、通信线缆及其他类似性质城市工程管线的管道综合体，通过利用城市地下空间，将两种或多种管道集中布置于城市地下，为城市地下的各类基础设施提供了一个集中管理和维护的空间[1]。城市地下综合管廊的建设施工方法主要分为现浇和预制两种。与传统的现浇综合管廊建设方式相比，预制综合管廊具有施工周期短、材料用量省、结构质量好、对周边环境影响小等优势，因此近年来预制综合管廊在我国得到了广泛应用[2]。预制综合管廊根据拼装形式不同，分为整体预制拼装式、半整体预制拼装式和预制板拼装式，其中整体预制拼装式综合管廊的连接节点最少，相对而言结构更稳定、防水性能更好、施工周期也更短。该文结合工程实际案例，对整体预制拼装式综合管廊的断面结构形式、断面配筋形式和配筋计算方法进行了分析与研究。

1 结构设计要点

1.1 断面设计

预制综合管廊断面设计应根据纳入管线的种类、规模、建设方式和预留空间等因素确定，同时考虑管线施工安装、检修、维护作业所需要的空间要求。管廊断面的形式及尺寸直接关系到预制综合管廊使用的便利性和造价的高低，因此，断面设计是预制综合管廊设计中的首要问题[3]。

在同等截面下，矩形的断面形式空间利用率更高，管线敷设、施工和维修更方便。在设计断面高度和宽度时，则主要从管线种类、管径大小、管线布置、施工安装和检修方便的角度考虑，且能满足行人通行。为了使设计的断面具有普适性和应用性，在调研各类管线权属单位的意见基础上，综合各类管线的设计规范及安装运维要求，设计了单舱和双舱两种断面形式，共计99种截面，见图1。其中，单舱管廊断面18种，净高h分为2.5 m、2.8 m、3.0 m三种，净宽b分为2.4 m、2.7 m、3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m六种，截面表示为b×h；双舱管廊断面81种，净高h分为2.5 m、2.8 m、3.0 m三种，净宽b分为2.4 m、2.7 m、3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m六种，净宽b'分为1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m五种，且b≥b'，截面表示为（b+b'）×h。

1.2 设计计算

预制管廊的安全等级为一级，结构重要性系数γ0取1.1，结构设计使用年限为100年。设计计算包括抗浮计算、配筋计算、裂缝宽度验算以及抗震计算四部分。计算模型采用钢筋混凝土闭合框架模型，见图2。预制管廊结构的作用按性质分为永久作用和可变作用，按作用位置分为顶板荷载、侧壁顶压力、侧壁底压力和地板反力，在进行结构设计时，选择使整体结构或预制构件应力最大、工作状态最为不利的荷载组合。

1.3 配筋设计

通过静力计算、裂缝宽度验算和反应位移法地震反应计算，可知在抗震设防烈度为6度、7度区，设计水位在地面以下0.5 m，覆土厚度不大于4 m的工况下，管廊截面的配筋不由地震作用控制，即在满足静力工况下的强度及裂缝要求时，管廊结构计算配筋均满足地震工况下的承载力要求。且计算分析表明，在基本组合和准永久组合作用下，单舱管廊截面内力最大处一般出现在侧壁四角，双舱管廊截面内力最大处一般出现在外侧壁四角和中壁交接处[4]。

根据受力特点[5]，单舱管廊侧壁四角内力较大，因此在侧壁四角加大受力筋布置，同时布置加腋构造钢筋，设计单舱管廊截面钢筋具体布置方式，见图3。其中，①～⑥号筋为主要受力筋，配筋值另行计算；⑦号筋为分布筋，配筋值为板厚250 mm时取Φ10@200、板厚300 mm时取Φ12@200；⑧号筋为加腋构造钢筋，配筋值为Φ12@200；⑨号筋为双层钢筋网之间的拉结筋，用Φ8，间距为隔一拉一，钢筋均采用HRB400。

根據受力特点，双舱管廊外侧壁四角和中壁交接处内力较大，因此在侧壁四角和中壁交接处加大受力筋布置，同时布置加腋构造钢筋，设计双舱管廊截面钢筋具体布置方式，见图4。其中，①～号筋为主要受力筋，配筋值另行计算；、号筋为分布筋，配筋值为板厚250 mm时取Φ10@200、板厚300 mm时取Φ12@200；号筋为加腋构造钢筋，配筋值为Φ12@200；、号筋为双层钢筋网之间的拉结筋，用Φ8，间距为隔一拉一，钢筋均采用HRB400。

2 配筋计算

2.1 工程概况

某地区抗震设防烈度为6度，抗浮设计水位位于地面以下0.5 m，综合管廊工程纳入给水管、电力电缆和通信线缆，标准横断面采用（3.3+3.0）m×2.5 m双舱断面，中间壁板厚0.25 m，其余壁板厚均为0.3 m，管廊标准段埋深为4.0 m。

2.2 抗浮计算

地下综合管廊应满足抗浮稳定计算，其上作用包括水浮力、管廊自重以及覆土压力，计算时不计综合管廊内管线和设备的自重，其他各项作用均取标准值，抗浮稳定性系数不低于1.05。

2.2.1 水浮力

F=（2b1+b+b2+b'）×（h1+h+h2）

×γw=（2×0.3+3.3+0.25+3.0）×（0.3

+2.5+0.3）×10=221.65 kN/m

2.2.2 管廊自重

G=[（2b1+b+b2+b'）×（h1+h+h2）?（b+b'）×h+8×1/2×0.22]

×γc=[（2×0.3+3.3+0.25+3.0）×（0.3+2.5+0.3）?（3.3+3.0）×2.5+8

×1/2×0.22]×25=164.38 kN/m

2.2.3 覆土压力

G'=[（ht?0.5）×γs'+0.5×γs]×（2b1+b+b2+b'）=[（4?0.5）×8+0.5

×18]×（2×0.3+3.3+0.25+3.0）=264.55 kN/m

2.2.4 抗浮计算

（G+G'）/F=（164.38+264.55）/221.65=1.9≥1.05，满足抗浮稳定性要求。

2.3 配筋计算

配筋计算时，采用荷载基本组合，预制管廊结构上的作分为恒载和活载。恒载主要包括水压力和土压力，计算时采用水土分算，土侧压力系数取0.5。活载取为城?A级，换算成与管廊埋深4.0 m有关的等代均布荷载为10 kN/m2。

2.3.1 恒载作用

顶板恒载Gk1=（ht?0.5）×（γs'+γw）+h2×γc+0.5×γs=（4?0.5）

×（10+10）+0.3×25+0.5×20=87.5 kN/m

侧壁顶水土压力Gk2=[（ht+0.5h2?0.5）×γs'+0.5×γs]×0.5+（ht+0.5h2?0.5）×γw=[（4+0.5×0.3?0.5）×10+0.5×20]×0.5+（4+

0.5×0.3?0.5）×10=59.75 kN/m

侧壁底水土压力Gk3=Gk2+（h+0.5h2+0.5h1）×γs'×0.5+

（h+0.5h2+0.5h1）×γw=59.75+（2.5+0.5×0.3+0.5×0.3）×10×0.5+

（22.5+0.5×0.3+0.5×0.3×10=101.75 kN/m

底板恒载净反力Gk4=Gk1+（2b1+b2）×h×γc/（2b1+b+b2

+b'）=87.5+（2×0.3+0.25）×2.5×25/（2×0.3+3.3+0.25+3）=

94.93 kN/m

2.3.2 活载作用

顶板活荷载Qk1=Qk=10 kN/m

侧壁顶活荷载Qk2=0.5Qk=5 kN/m

侧壁底活荷载Qk3=0.5Qk=5 kN/m

底板活荷载Qk4=Qk=10 kN/m

2.3.3 计算分析

通过理正工具箱平面刚桁架计算，在荷载基本组合下，截面最大内力出现在底板与中壁交接处，其计算弯矩值为172.3 kN/m、剪力值为283.2 kN、轴力为192.7 kN（拉力）。截面相应的配筋计算值见图5。

根据内力计算配筋结果，按照双舱管廊截面钢筋布置方式进行配筋，配置①～号钢筋规格依次如下：Φ14@200、Φ14@125、Φ12@125、Φ14@125、Φ12@125、Φ12@175、Φ12@175、Φ12@175、Φ16@200、2Φ16@200、Φ12@200、Φ14@200、2Φ14@200、Φ12@200。

2.4 裂缝计算

裂缝验算时，采用荷载准永久组合，准永久系数取0.4，预制管廊结构构件的裂缝控制等级为三级，结构构件的最大裂缝宽度限值取为0.2 mm，且不得贯通。经理正工具箱平面刚桁架计算，该工程预制综合管廊在荷载准永久组合作用下，内力较大地方出现在外侧壁与中壁交接处。其中，中壁与顶板交接处弯矩为104.60 kN/m、

轴力（拉力）为104.0 kN，中壁与底板交接处弯矩为115.10 kN/m、轴力（拉力）为127.7 kN。根据上述内力计算结果，通过理正工具箱梁单元计算，得出最大裂缝宽度分别为0.186 mm、0.170 mm，裂缝宽度均小于0.2 mm，满足抗裂要求。

2.5 抗震计算

抗震计算时，抗震设防类别为乙类，抗震等级为四级，采用反应位移法对综合管廊标准断面进行地震反应分析。反应位移法将管廊周围的土体作为约束结构的地基弹簧，将管廊结构作为梁单元，从而建立弹簧－梁计算模型，计算时主要考虑土层相对位移、结构惯性力和土层剪切力三种地震作用，是一种计算管廊结构地震反应的简化拟静力分析方法[6]。通过反应位移法地震计算，该工程的管廊截面配筋不由地震作用控制。

3 結论

该文根据市政管线实际需求，设计了综合预制管廊标准断面形式，并对标准断面进行力学分析，设计出了适用于工程应用的标准断面配筋形式，现总结如下：

（1）设计了满足工程施工和空间利用率高的99种单舱矩形和双舱矩形管廊标准断面形式，设计的断面具有普适性。

（2）根据结构受力特点，设计了综合管廊标准断面钢筋布置方式，并通过工程实际案例介绍了具体的配筋计算方法。

（3）把综合管廊断面尺寸模数化，断面配筋标准化，为今后的管廊设计提供了参考，节省了时间和成本，有利于综合预制管廊规模化生产和推广应用，对促进城市发展有着积极意义。

参考文献

[1]张宁. 城市地下综合管廊结构设计分析[J]. 城市建设理论研究， 2018（10）： 57.

[2]苗雷强， 商冬凡， 程朝伟， 等. 综合管廊预制拼装关键技术研究[J]. 建筑技术开发， 2021（4）： 30-31.

[3]冯彦妮. 城市地下综合管廊横断面设计及其优化研究[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2017.

[4]文自刚. 基于承载力和变形能力的城市地下综合管廊结构设计与分析[J]. 兰州工业学院学报， 2017（2）： 42-46.

[5]陈治雄. 叠合式预制双舱综合管廊受力性能分析[J]. 市政技术， 2022（12）： 67-77.

[6]胡逸凡， 沈东. 基于反应位移法的地下综合管廊抗震计算[J]. 四川建材， 2021（3）： 71-72.