厦门市综合管廊结构兼顾人防设计研究

陈明建

(厦门市政管廊投资管理有限公司，厦门 361004)

0 引言

地下综合管廊是这些年来我国城市基础设施建设的重点。在城市的高速发展过程中,原有管线分散布置在城市的各个地方,严重影响了城市的改造和建设。地下综合管廊将原有管线集中布置,有效减少拥堵,节约城市空间。地下综合管廊作为城市地下用于集中敷设电力、通信、给水排水、燃气等管线的重要基础设施,兼顾人防要求,形成城市重点区域综合防护体系,提高城市综合防灾防空能力,对城市重要生命管线稳定运行和战后恢复具有重要保障意义[1-3]。

国内现有的研究大多介绍综合管廊兼顾人防的设计方法,而缺少综合管廊人防设计对应的有限元模拟研究。黄慷[4]以综合管廊防护设计为例,针对管廊的防护单元布局特点,按照《浙江省城市地下综合管廊工程兼顾人防需要设计导则》进行设计,详细介绍了综合管廊的防护设计方法和措施。付朝晖等[5]对综合管廊的主体、平战转换等方面进行了阐述,详细介绍了管廊各部位的防护设计,武器攻击威胁,提出相应的防护要求。张一航、官礼庆等[6-7]分析管廊设计导则,撰写了综合管廊人防技术标准,研发了综合管廊的多种新型人防装备,改进了综合管廊人防装置的检测。刘云飞等[8]通过分析战时综合管廊受到的武器攻击威胁,提出相应的防护要求,同时根据平时工况和战时工况结构的内力变化,分析了综合管廊工程结构的防护潜力。吴海瑜[9]通过对地下综合管廊兼顾人防试点工程的研究,对比分析地下综合管廊的设防水平、战时功能、设防方案等,建议对地下综合管廊人防设计方案进行优化。商冬凡等[10]通过分析地下综合管廊兼顾人防在建筑布置、工程防护和平战转换等方面的设计,提出了综合管廊防护设计原则,即在保障平时使用的基础上,尽量使用较少的经济成本,实现战时防护的目的。胡鹏飞[11]通过介绍综合管廊和各地区工程建设的发展现状,分析综合管廊兼顾人防的出入口特征,计算管廊应急逃生井盖是否满足人防功能要求。陈绪林等[12]通过对比国内外综合管廊兼顾人防研究现状和意义,得出综合管廊兼顾人防设计将成为未来新型城市建设的重要组成部分。

国外学者注重研究爆炸荷载下地下结构的动力响应。Zaid和Shah[13]通过对静力和爆炸荷载作用下的岩石隧道进行数值研究,得到不同覆盖层压力和隧道断面在静载荷作用下的隧道响应;并对混凝土衬砌的初始条件和上覆土压力进行了爆破分析。Buonsanti和Leonardi[14]通过模拟爆炸的压力波所产生的作用,分析爆炸产生的超压对地下结构造成的张力,找出影响结构动力响应和损伤的最重要因素。

地下综合管廊是一种大型地下工程,分析其人防设计的构造,有利于提出更好的人防措施,本文结合邮轮母港片区地下综合管廊工程,对其进行有限元模拟,分析内力结果,期望找到结构可能存在的薄弱部位,以便对薄弱部位进行相应加强。并通过对地下综合管廊口部的有限元模拟,验证口部结构兼顾人防设计的可行性。

1 工程概况

邮轮母港片区地下综合管廊工程建设的地点在厦门本岛邮轮母港片区。综合管廊布置于纵一路、纵二路、支一路(横一路)、北通道、南通道五条道路下方,管廊总长约为2.45km,该综合管廊工程人防试验段已完成验收,综合管廊总体工程平面示意图如图1所示。

图1 综合管廊总体工程平面示意图

城市综合管廊宜结合人员出入口、不同舱室及区域控制中心合理划分防护单元;设置于地下的监控中心应独立划分防护单元;相互连接的多个城市综合管廊工程宜分线划分防护单元;防护单元内可不再划分抗爆单元。每个防护单元应设置不少于一个直通室外地面的战时人员出入口;厦门市地理位置特殊,遭受常规武器袭击的可能性较大;为减少常规武器袭击带来的破坏,宜结合人员出入口、不同舱室及区域控制中心合理划分防护单元。

地下综合管廊较长,常规综合管廊通风区间约为400m,逃生口间距约为200m,通风区间及逃生口处均设置有防火门,故防护单元可结合消防、通风及逃生要求按防火门的布置进行划分(防护密闭门兼防火门使用),而管廊内人员通道宽度及整体空间有限,两侧均为支架及各类管线,抗暴设施难以布置,故本项目综合管廊内防护单元内不再划分抗爆单元。

由于试验时项目大部分管廊已施工完成,若要选取完整防护单元则需对已实施的管廊进行改造,为避免造成不必要浪费,本文将未施工的管廊段作为试验段。

2 管廊设计

2.1 管廊标准段设计

综合管廊标准段结构尺寸的净高2.8m,净宽2.8m,顶、底板及侧墙厚30cm,内部纳入给水管、再生水管、电力电缆、通信电缆。综合管廊采用C40混凝土,主筋采用HRB400,综合管廊横断面如图2所示。

图2 综合管廊横断面设计图

2.2 管廊人员出入口

综合管廊人防设计主要体现在口部,即人员出入口和通风吊装口,这是由于口部为满足人员出入、空气流通、物资运输等功能需求。人员出入口的底板下设有C15素混凝土垫层和砂碎垫层,砂碎垫层中砂和碎石的比例为4∶6。钢梯采用包塑防腐钢爬梯做法。出入口填充墙沿框架柱全高每隔600mm设拉筋,拉筋沿墙通长布置,楼梯间和人流通道的填充墙采用钢丝网砂浆面层加强。人员出入口门洞净宽为0.8m、净高为2.1m,楼梯净宽为1.0m,满足战时防护要求。

人员出入口地坪以上的侧墙采用砖砌填充墙,战时允许摧毁,便于快速维修清理。战时人员出入口内设置防核武器抗力级别6级、防常规武器抗力级别6级的防护密闭门一道,防护密闭门向外开启,防护密闭门门框、墙洞口四角的内外层均配置HRB400级的斜向加强钢筋,斜向加强钢筋直径为16mm。

人员出入口侧墙爆炸时按破坏考虑,不考虑其上作用的等效静力荷载;口部通道内临空墙上即出入口现浇钢筋混凝土顶板部分考虑等效静力荷载,图3为管廊人员出入口剖面示意。

图3 人员出入口剖面示意图

2.3 管廊通风吊装口

通风吊装口节段内的防火门采用GFM钢甲级防火门,防火门与土建同时施工。通风吊装口的洞口内侧通长预埋L50×4角钢,外层采用800mm×1000mm的铝合金百叶窗,中间层不锈钢材质防虫网间距不大于10mm,内层防盗窗采用外径20mm、间距150mm的钢管焊接而成。顶板采用截面1100mm×900mm预制混凝土盖板,种植土的厚度大于30cm,为满足防水要求,采用弹性体改性沥青防水卷材和涂基层粘结剂,混凝土盖板与侧墙的板缝用弹性密封膏填实。

通风吊装口处设置水平封堵防护密闭井盖2套,具备电动和手动启闭功能,防护密闭井盖洞口四角的内外层均配置HRB400级的斜向加强钢筋,斜向加强钢筋直径为16mm,长度大于1000mm。其中通风口处井盖平时打开,战时关闭,人员逃生口井盖平时均处于关闭状态,具体示意图见图4。

图4 通风吊装口剖面示意图

3 有限元分析

3.1 荷载工况

采用MIDAS Civil进行综合管廊结构的有限元模拟。顶板覆土按地下水位以上0.5m覆土和地下水位以下0.5m覆土考虑,竖向土压力、顶板和底板水平向压力、侧墙对应高度压力按《厦门市城市综合管廊工程人民防空设计导则》[15]和《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)[16]取值。钢筋混凝土容重25kN/m3,地下水以上覆土容重18kN/m3,地下水以下覆土容重10kN/m3,地下水容重10kN/m3。地面堆载取10kPa(按恒载考虑),土压力按恒载考虑,侧向土压力偏安全按静止土压力计算。

结构按防核武器抗力级别6级、防常规武器抗力级别6级进行设计,等效静力荷载根据《厦门市城市综合管廊工程人民防空设计导则》取值,在爆炸动荷载作用下,考虑核6级常6级的管廊顶板的等效静荷载标准值qe1取70kN/m2。吊装口防护密闭盖板等效静荷载标准值按管廊顶板来算。

在爆炸动荷载作用下,考虑核6级常6级的设防管廊外墙、底板、口部通道内临空墙的等效静荷载标准值qe2按表1采用[15]。

表1 核6级常6级设防管廊外墙、底板、口部通道内临空墙等效静荷载标准值qe2

战时工况下,武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用,结构各部位的荷载组合按表2的规定确定[15]。

表2 战时工况的荷载组合

战时使用状况下的综合管廊结构承载力计算符合下式[15]的要求:

γ0(γGSGK+γQSQK)≤R

(1)

式中:γ0为结构重要性系数,可取1.0;γG为永久荷载分项系数,当其效应对结构不利时,可取1.2,有利时可取1.0;SGK为永久荷载效应标准值;γQ为等效静荷载分项系数,可取1.0;SQK为等效静荷载效应标准值;R为结构构件的承载力设计值。

管廊结构人防设计采用战时工况,战时工况和平时工况的主要区别是战时工况多了一组爆炸动荷载转化的等效静荷载。

3.2 综合管廊标准段结构分析

根据2.1节提供的管廊标准段尺寸建立标准段模型,采用梁单元模拟1m长节段,如图5所示。

图5 标准段计算模型及单元划分图

(1)内力计算

标准段内力云图如图6所示。标准段跨中为正弯矩,节点处为负弯矩,弯矩对称分布,弯矩主要集中在顶板和底板的角点处,最不利弯矩为134.13kN·m,位于在底板角点处;剪力呈线性分布,最大值为289.27kN,位于底板角点处;轴力按承载力验算不利情况,最不利值为306.441kN,也是位于底板角点处。因此,标准段的顶板和底板角点处为薄弱部位。

图6 标准段内力云图

(2)结构验算

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[17]要求,对管廊标准段在战时使用工况下承载力进行验算,按压弯构件对标准段进行验算。经正截面抗剪与斜截面抗弯验算,标准段各部分承载力均满足设计要求。

3.3 综合管廊人员出入口结构分析

根据一般承载力验算结果,管廊结构各构件承载力满足设计要求,由于出入口等结构模型并不规则,为了获得较为具体的不利位置,基于MIDAS软件建立了实体模型,开展了各构件的应力分析。管廊人员出入口结构模型采用板单元模拟,如图7所示。

图7 人员出入口结构计算模型及单元划分图

(1)顶板

图8为人员出入口顶板内力云图。纵、横向顶板跨中的正弯矩较小,板四周的支座负弯矩较大,弯矩沿板跨对称分布;纵向弯矩最大值为95.83kN·m,位于板的左上角;横向弯矩最大值为83.61kN·m,位于板的底部;顶板左上角的剪力最大,最大值为382.02kN。综上所述,顶板的薄弱部位位于顶板左上角。

图8 顶板内力云图

(2)中板

图9为人员出入口中板内力云图。中板纵向弯矩分布比较均匀,最不利弯矩为79.18kN·m,位于中板跨中;中板横向弯矩的最不利值为152.00kN·m,位于板的左下角和右下角;横向弯矩几乎是纵向弯矩的两倍,这是由于短边是板的主要受力方向;中板剪力主要沿板的横向反对称分布,剪力最不利值为474.77kN,位于板的下端。综上所述,中板的薄弱部位位于中板的下端。

图9 中板内力云图

(3)底板

图10为人员出入口底板内力云图。底板纵向弯矩最不利值为94.82kN·m,位于板的底部;底板横向弯矩主要沿板的横向分布,跨中为正弯矩,两边支座处为负弯矩,支座负弯矩为最不利值,最大值为206.99kN·m,取此值进行正截面抗弯验算;底板的尺寸与中板相近,横向弯矩也是纵向弯矩的两倍;底板剪力沿板的横向反对称分布,最不利值为586.87kN,位于板的底部。综上所述,底板薄弱部位位于板的底部。

图10 底板内力云图

(4)上层侧墙

图11为人员出入口上层侧墙内力云图。纵、横向弯矩沿墙高方向对称分布,纵向弯矩最不利值为98.85kN·m,位于墙的顶部;横向弯矩最不利值为92.42kN·m,位于墙的顶部;墙剪力最不利值为317.63kN,位于墙的顶部。综上所述,上层侧墙薄弱部位位于墙的顶部。

(5)下层侧墙

图12为人员出入口下层侧墙内力云图。下层侧墙的纵、横向弯矩主要沿墙高方向对称分布,纵向弯矩最不利值为55.89kN·m,位于墙的底部;横向弯矩最不利值为206.97kN·m,位于墙的底部;结合人员出入口中板和底板的弯矩分布特点发现,板底部横向弯矩是纵向弯矩的两倍,这是由于人员出入口中下部位受到的荷载比较均匀,且板件长边与短边之比大于2,弯矩主要集中在横向。下层侧墙剪力沿墙高反对称分布,最不利值为348.15kN,位于墙的底部。综上所述,下层侧墙薄弱部位位于墙的底部。

(6)结构验算

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)要求,对管廊人员出入口在战时使用工况下承载力进行验算,结构偏安全按受弯构件验算,经正截面抗剪与斜截面抗弯验算,人员出入口各部分承载力均满足设计要求。

3.4 综合管廊通风吊装口结构分析

管廊通风吊装口结构模型采用板单元模拟,其计算模型及单元划分如图13所示。

图13 通风吊装口结构计算模型及单元划分图

(1)顶板

图14为通风吊装口顶板内力云图。纵向弯矩最不利值为66.62kN·m,位于人员逃生口处和板左右两端;横向弯矩最不利值为114.35kN·m,位于板的顶部和底部;剪力最不利值为241.90kN,位于板的顶部。综上所述,顶板薄弱部位位于板的顶部和底部。

图14 顶板内力云图

(2)中板

图15为通风吊装口中板内力云图。中板纵、横向弯矩沿板的横向对称分布,纵向弯矩分布比较均匀,最不利弯矩为58.70kN·m,位于板大开洞的右侧;中板横向弯矩的最不利值为108.91kN·m,位于板四周的四个角处;中板剪力主要沿板的横向对称分布,剪力集中在板的四个角处,剪力最不利值为322.90kN,位于板的右上角。综上所述,中板薄弱部位位于板的四个角处。

图15 中板内力云图

(3)底板

图16为通风吊装口底板内力云图。底板纵、横向弯矩沿板的横向对称分布,跨中为正弯矩,两边支座处为负弯矩;纵向弯矩最不利值为60.59 kN·m,位于板的顶部和底部;横向弯矩最不利值为153.10 kN·m,位于板的顶部和底部;横向弯矩是纵向弯矩的两倍左右;底板剪力最不利值为386.92kN,位于板的顶部和底部。综上所述,底板薄弱部位位于板的顶部和底部。

图16 底板内力云图

(4)上层侧墙

图17为通风吊装口上层侧墙内力云图。纵向弯矩最不利值为62.81kN·m,位于墙的顶部;横向弯矩最不利值为81.46kN·m,位于墙的顶部;剪力最不利值为201.00kN,位于墙的顶部。综上所述,上层侧墙薄弱部位位于墙的顶部。

图17 上层侧墙内力云图

(5)下层侧墙

图18为通风吊装口下层侧墙内力云图。下层侧墙的纵、横向弯矩沿墙的横向对称分布;纵向弯矩最大值为59.52kN·m,位于墙高方向的跨中;横向弯矩最不值为130.53kN·m,位于墙的顶部和底部;下层侧墙剪力沿墙高反对称分布,最不利值为371.46kN,位于墙的顶部。综上所述,下层侧墙薄弱部位位于墙的顶部。

图18 下层侧墙内力云图

(6)结构验算

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)要求,对管廊通风吊装口在战时使用工况下承载力进行验算,偏安全按受弯构件验算,经正截面抗剪与斜截面抗弯验算,通风吊装口各部分承载力均满足设计要求。

4 结论

对邮轮母港片区地下综合管廊工程取试验段进行人防研究,分析了综合管廊的人防设计方法;采用MIDAS建立有限元模型,分析战时使用工况下结构的内力,得到管廊结构的薄弱部位,主要结论如下:

(1)综合管廊人防设计主要体现在人员出入口和通风吊装口,人员出入口地坪以上侧墙采用砖砌填充墙,便于战时快速维修清理,通风吊装口设置甲级防火门和水平封堵防护密闭井盖。

(2)战时工况下,地下综合管廊标准段最不利弯矩和剪力集中分布在底板两角点处,顶板角点处的剪力约为279kN,与底板角点处的最大剪力值289kN十分接近,需要注重加强管廊标准段顶板和底板角点处的抗剪承载力设计。

(3)战时工况下,管廊人员出入口处底板与下层侧墙交界处是剪力和弯矩的最不利位置处。管廊通风吊装口战时工况下薄弱部位也是底板和下层侧墙的交界处。管廊人防工程需要重点加强管廊口部底板与下层侧墙的抗剪连接。

(4)在战时工况下,管廊口部中下部的结构(如中板、底板、下层侧墙)横向弯矩一般是纵向弯矩的两倍左右,不利弯矩集中在横向。管廊人防工程应加强口部中下部分板和剪力墙的横向配筋,提高其横向承载能力。