综合管廊人员出入口结构设计计算方法

２０１８年７月第７期　ＤＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｅｓｄｑｙｌｈ．２０１８．０７．０９０　城市道桥与防洪　相关专业３１９　综合管廊人员出入口结构设计计算方法　王嘉伟　（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市２０００９２）　摘　要：综合管廊标准断面的结构设计，一般可通过闭合框架法采用二维模型进行简化计算，然而，对于较为复杂的特殊节　点，该方法的适用性有待商榷。选取合适的荷载组合工况，采用有限元分析软件分别建立某综合管廊人员出入口的二维简化　模型和三维精细化模型，并开展结构分析计算。计算结果表明，不考虑大开洞的二维模型．能较好地反映结构主受力方向的受　力特征；除了大开洞部位附近区域，二维模型计算结果与三维模型计算结果的包络线较为接近；在中板挑出酃位和顶板的纵　向角隅部位．非主受力方向可能出现较大弯矩，需进行加强。　关键词：综合管廊；人员出人口；结构设计计算　中图分类号：ＴＵ９９２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１８）０７—０３１９—０３　Ｏ引言　综合管廊，是建于城市地下容纳两类及以上　城市工程管线的构筑物及附属设施…。它从根本上　解决了由于敷设或维修管线而导致的道路重复开　挖问题，为城市的发展预留了宝贵的地下空间。近　年来，伴随着综合管廊的大面积建设，国内学者对　于综合管廊的开展了大量研究，在结构计算方面，　需求及综合管廊的建设成本，本工程综合管廊设　计为单舱断面形式，断面尺寸及布置形式见图１，　断面总尺寸为３．８　ｍ（宽）Ｘ　３．７　ｍ（高）。管廊埋设　于绿化带下方，埋深为３　ｍ。　绿化带中心线　主要集中在其抗震计算ｌ２１、预制装配式构件的性能　参数Ｉ＝ＨＪ以及荷载计算方法　等，且大都针对管廊的　标准段，较少涉及特殊节点的讨论［６】。　由于管廊标准段的纵向长度较长，其壁板可　按单向板进行考虑，设计过程一般采用闭合框架　法进行简化计算【　。然而，部分特殊节点（如人员出　入口、管线分支口等）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和经济性有待商榷。以某　综合管廊的人员出入口为例，本文采用Ａｕｔｏｄｅｓｋ　平台下的有限元专业分析软件Ｒｏｂｏｔ２０１６，通过对　比二维简化模型和三维精细化模型的计算结果，　对以此为代表的特殊节点的结构设计计算方法进　行探讨。　１工程概况　根据拟建区域的管线规划、各类管线的入廊　收稿日期：２０１８－０５—２３　作者简介：王嘉伟（１９８９一），男，浙江台州人，工程师，从事城市　图１综合管廊标准断面示意图（单位：ｍｍ）　人员出入口为外部人员进出管廊的主要通　综合管廊规划和市政供水工程结构设计工作。　道，可独立设置。亦可与其他特殊节点合并设置。　本工程人员出入口的总长度为１５　ｍ，总宽度为　６．７５　ｍ（其中两侧挑板各０．６　ｍ），总高度为７．３９　ｍ　３２０相关专业　城市道桥与防洪　２０１８年７月第７期　（其中地面以上１．０４　ｍ），底板底埋深为６．３５　ｍ，底板、　中板厚５５０　ｍｍ，顶板厚３５０　ｍｍ，壁板厚５００　ｍｍ。顶　板上翻部分为该节点凸出地面的主体结构，顶板　和中板均设大开洞（６．３２　ｒｎ×１．０　ｍ）以安装钢筋混　凝土楼梯，节点见图２。　方，但是考虑到综合管廊为百年工程，使用过程中　可能出现意外超载，故ｑ　取２０　ｋＰａ。　（４）水浮力：　ｑ４－－＂Ｙｗ·ｈ　（２）　式中：　为水重度，取为１０　ｋＮ／ｍ　；　为水深，本工　程设计水位取为地面标高。　（５）管廊内活载ｑ　，主要为管廊内支架及管线　重量，考虑到本单体内设钢筋混凝土楼梯，且可能　出现较多人员出入的情况，ｑ　取１０　ｋＰａ。　（６）水土侧向荷载口　，根据管廊拟建区域的土　质情况，采用水土分算进行计算，其简化算法为：　ｑ６＝　·ｈ　（ａ）中板平面布置图　（３）　式中：Ｙ　可取为１３　ｋＮ／ｍ　；ｈ　为管廊埋深。　（７）由地面超载引起的侧向荷载口　：　ｑ７＝ｆｌｒ·口３　（４）　式中：　为折算系数，可取为０．７。　３结构设计计算　３．１二维简化模型　（ｂ）１－ｌ剖面布置图　图２人员出入口节点详图（单位：ｍｍ）　２荷载取值方法　本管廊工程的竖向荷载包括结构自重、覆土　荷载、地面超载、水浮力及管廊内活荷载，水平向　荷载包括水土侧向荷载和由地面超载引起的侧向　荷载。根据施工阶段的不同，荷载组合工况有所差　别。对比各种荷载组合工况，最终选择所有荷载均　考虑的工况为计算工况。各类荷载的计算过程如　下：　截取单位长度的人员出入口外扩段建立二维　节段模型，采用二维梁单元模拟节点的壁板、底　板、中板和顶板，结构与地基的相互作用采用杆一　弹性基础模拟，设置为单向弹簧，只提供向上的反　力，地基土基床系数取为２０　０００　ｋＰａ，计算模型见　图３。此处并未考虑中板和顶板大开洞的影响，是　由于洞口附近会设置框架梁（暗梁）补强，建模时　可不考虑开洞对于板件强度的影响开洞两侧区域　的板件建议根据其长宽比按单向板或双向板单独　进行设计计算。　（１）结构自重ｑ　，主要为管廊主体结构的重量，　混凝土重度按２５　ｋＮ／ｍ　由程序自动计算；　（２）覆土荷载口　，包括管廊顶板及底板挑出部　分的覆土：　ｇ２＝ｙｔ　ｅｈ　（１）　式中：Ｙ。为覆土重度，取为１８　ｋＮ／ｍ　；ｈ　为覆土厚　度，视管廊埋深而定。　（３）地面超载ｇ　，根据管廊在道路下方的位置　不同，分别对应于地面汽车荷载（管廊位于道路下　方）、地面绿化带或景观建设带来的荷载（管廊位　于绿化带下方）、人行荷载（管廊位于人行道或非　机动车道下方）等。尽管本工程管廊位于绿化带下　图３二维计算模型简图　３．２三维精细化模型　以变形缝为界，建立整个人员出入口主体结　构部分的三维精细化模型。采用三维板单元进行　建模，设定最小网格尺寸为０．２５　ｍ，由程序自动生　２０１８年７月第７期　城市道桥与防洪　相关专业３２１　成四边形网格，并进行网格平滑处理，以满足工程　设计要求。边界条件的设置与二维简化模型类似，　计算模型见图４。　（ａ）壁板　图４三维计算模型简图　３．３计算结果对比　综合管廊为地下结构，结构主体直接与土壤　和地下水接触，且有一定的防水、抗渗要求，因此，　规范中明确指出结构构件的最大裂缝宽度限值应　小于或等于０．２　ｍｉｌｌ，且不得贯通【７］。大量工程实践　也表明，以正常使用极限状态下的裂缝宽度作为　控制指标，能满足大部分项目的耐久性和安全性　要求。因此，本文以截面弯矩作为主要研究指标，　对人员出入口的受力特征进行分析探讨。　图５为本节点二维计算模型的弯矩计算结　果。结构的传力体系比较明确，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。　（ｂ）顶、中、底板弯矩　图６三维计算模型各板件主受力方向弯矩云图　的板件，应根据其长宽比及洞口附近加固情况，进　行单独设计计算；　（３）由云图可以看出，底板和右侧壁板大部分　为单向板，而剩余板件则有较大部分为双向板，若　根据二维模型按单向板设计，对此类区域可进行　设计优化以降低造价。　进一步分析三维精细化模型的计算结果，可　以发现，在中板的挑出部分和顶板纵向的角隅部　分，均存在较大的非主受力方向的弯矩，见表ｌ。前　者是由悬挑板上的覆土重量引起的，而后者则是　地面堆载和侧面荷载协同作用下的产物。　表１不同计算模型弯矩极值对比　图５二维计算模型弯矩计算结果　图６为本节点三位计算模型各板件主受力方　向的弯矩云图。对比图５，可以得出以下论点：　（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、顶板支座区域的受力最不利部　分（节段模型中部区域）在主要受力方向上的弯矩　变化趋势；　（２）中板和顶板大开洞附近区域存在较大弯矩，　应进行结构加固，采用二维模型计算时，对该区域　注：括号内为非主受力方向的弯矩极值，单位均为ｋＮ·ｍ　（下转第３５１页）　２０１　８年７月第７期　城市道桥与防洪　ｃ．相关专业３５１　桩基部位预先埋设注浆管，根据监测资料　进行跟踪注浆。　５结语　本文以城市中心区超大直径盾构隧道丁程为　背景，通过对隧道沿线周边环境进行踏勘梳理，对　隧道平纵线形进行优化，并根据地质条件、场地条　件等因素进行盾构机选型，最后分析本项目重难　点并提出针对性对策措施：　（１）隧道平面线形尽可能避让桥梁、地铁、建　构筑物，条件特别受限时采用小半径曲线；隧道纵　断面避让地铁出人口、河道、火车站桩基以及地铁　图５盾构长距离掘进对邻近桥梁桩基加固　对桩基的扰动，对注浆压力与注浆量双控，使浆液　尽快填充空隙，保证盾尾后方整个影响区域的压　力平衡。　盾构穿越桩基，开始推进和结束推进时，应逐　步提高与降低掘进速度，防止千斤顶轴力突变。在　推进过程中应适当加快推进速度，尽量保持推进　速度的恒定，保证切力与推力的稳定，做到推进速　度与推力的双控。　站围护桩等，并适当加大隧道埋深，使隧道位于较　均匀地质中。　（２）盾构机穿越复合地层，软有粘性土，硬至　微风化岩，根据地质条件和场地情况，建议选用复　合式土压平衡盾构机。　（３）隧道侧穿超高层建筑，下穿现状火车站、已　运营地铁车站和桥梁桩基础，并长范围近距离侧穿　高架桥梁桩基，从预先加固、盾构施Ｔ、实时监测、　事后检测和应急预案等方面提出了控制措施。　参考文献：　在盾构推进中对上部桥梁和墩柱监测，并采　用经济合理的＿丁程加固措施：　【１１　ＤＧ／ＴＪ　０８—２０３３—２０１７，道路隧道设计标准【ｓ】．　ａ．动态调整施工参数，严格控制地层损失率、　同步注浆和泥土平衡压力，降低推进速度，延长壁　后注浆时间。　【２］李嗣，何川．盾构隧道近接下穿地下大型结构施工影响研究【ＪＩ　＿岩土工程学报，２００６，２８（１０）：１２７７—１２８２．　【３］徐前卫，朱合华．马险峰，等．地铁盾构隧道穿越桥梁下方群桩基　础的托换与除桩技术研究［Ｊ１．岩土工程学报，２０１２，３４（７）：　ｌ２ｌ７—１２２６．　ｈ．对墩柱顶变形实时监测，做好在墩顶或临时　支架上设千斤顶将桥梁上部顶起以调整连续箱梁　变形的预案。　七十十千十々十ｔ牛－，ｐ●●●ｔ七十ｔ十十十　十十十中●●●中●●●中●十　十十＋十七十●●＋●●　【４】徐日庆，王涛．齐静静．盾构施工引起的土体损失对邻近桩基的　影响［Ａ】．中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会　议论文集【ｃ］．２００７．　十中十　●●●●●十●●中●●十十中　＋十中　●十●十●十十七●十中●十●●十七十　十　●　十　（上接第３２１页）　４结论　地下综合管廊，作为城市的“地下血管”，在结　构设计计算方面应保留足够的安全裕度，力争打　造“百年＿丁程”。　参考文献：　基于有限元分析法，本文分别建立了某综合　管廊Ｔ程人员出入口的二维平面框架模型和三维　空间结构模型，对两者在相同荷载条件下的力学　分布特征进行了分析，得到以下结论：　（１）二维模型能较好地反映结构主受力方向的　【１］ＧＢ５０８３８—２０１５，城市综合管廊ｌＴ程技术规范ｆｓ】．　［２］李杰，岳庆霞，陈隽．地下综合管廊结构振动台模型试验与有限　元分析研究…．地震工程与工程振动，２００９，２９（４）：４ｌ＿４５．　弯矩极值及变化趋势，但是大开洞区域附近需做　【３】胡翔，薛伟辰．预制预应力综合管廊受力性能试验研究【ＪＪ＿土木　工程学报，２０１　０（５）：２９—３７．　加强，且板件需根据支承情况独立计算；　（２）底板和非外扩的壁板可整个作为单向板考　虑，其余板件双向受力的区域较大，可进行设计优　化；　（３）中板挑ｍ部分和顶板纵向角隅部分存在较　大的非受力方向的弯矩，需进行加强。　［４】黄剑．综合管廊结构方案对比分析…．特种结构，２０１８（２）：２０—２６．　【５１狄东超，强健，王建．综合管廊等效均布活荷载取值研究…．特种　结构，２０１６（６）：１４．　【６】雷苏文，贾东林．某综合管廊通风口节点结构空问整体分析…．　特种结构，２０１７（５）：５．　［７】王恒栋．ＧＢ　５０８３８－－２０１５｛城市综合管廊Ｔ程技术规范》解渎『Ｊ１　＿中国建筑防水，２０１６（１４）：３４—３７．