城市綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)受力性能研究

摘 要：為研究城市地下綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)的受力性能，以兩條綜合管廊在道路十字交叉口上下垂直兩層相交節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用有限元方法進(jìn)行了綜合管廊復(fù)雜交叉節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析和位移計(jì)算，揭示了地下一層不落地管廊壁板的深梁力學(xué)性能。旨在為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及相關(guān)類似工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)與依據(jù)。

關(guān)鍵詞：綜合管廊;交叉節(jié)點(diǎn);深梁;力學(xué)性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.099

0 引言

城市綜合管廊是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施，綜合管廊一般包括干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線管廊。為了彌補(bǔ)我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的短板，目前城市地下綜合管廊正在我國(guó)如雨后春筍般的大規(guī)模建設(shè)。

城市道路縱橫交織，建于城市道路下的綜合管廊在城市道路交叉口相交就不可避免，兩個(gè)方向的兩條綜合管廊在道路十字交叉口相交或干線管廊預(yù)留支線管廊的接口時(shí)都需要合理處理交叉節(jié)點(diǎn)管線相交問(wèn)題，可以采用的交叉節(jié)點(diǎn)處理方式一為：管線采用上翻方式通過(guò)，但是這樣的不足之處是不能設(shè)置上翻管線人員檢修通道，處理方式二為：交叉節(jié)點(diǎn)處采用豎向上下兩層綜合管廊方案，這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足設(shè)置人員檢修通道的要求;不管采用哪一種方式都存在上翻的一部分壁板與下層管廊壁板垂直相交或者上層管廊壁板與下層管廊壁板垂直相交，且與下層管廊垂直相交的上層管廊壁板不能落地，不能落地的上層管廊壁板以下層垂直相交的管廊壁板作為支座，上層管廊不落地壁板在實(shí)際荷載條件下的受力狀態(tài)及如何進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)計(jì)算是城市地下綜合管廊工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是一個(gè)保證城市地下綜合管廊百年工程必須要解決好的問(wèn)題。

以實(shí)際工程中碰到的工程問(wèn)題作為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)城市地下綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了整體分析，計(jì)算了不能落地的管廊壁板在實(shí)際載荷條件下的應(yīng)力和變形等，并對(duì)交叉節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施提出了意見(jiàn)和建議。

1 綜合管廊基本設(shè)計(jì)理論

鋼筋混凝土綜合管廊結(jié)構(gòu)一般為矩形箱涵結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的受力模型為閉合框架，標(biāo)準(zhǔn)斷面的計(jì)算一般取1m寬的截條按二維平面計(jì)算模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，如圖1所示。用二維計(jì)算模型計(jì)算出內(nèi)力后，再用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算的相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行管廊壁板、頂板、底板及中隔墻的配筋計(jì)算、抗剪計(jì)算及裂縫驗(yàn)算等。綜合管廊是百年工程裂縫控制較為嚴(yán)格，所以綜合管廊的配筋一般為裂縫控制;覆土比較厚時(shí)頂板或底板有可能抗剪不能滿足要求，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。

其中圖1中，1—綜合管廊頂板荷載，如覆土重量、綠化帶荷載、非機(jī)動(dòng)車活荷載及機(jī)動(dòng)車活荷載;2—綜合管廊地基反力;3—綜合管廊側(cè)向水土壓力。

2 綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型

某城市兩條道路的地下綜合管廊在道路十字交叉口相交，相交節(jié)點(diǎn)處采用上下兩層綜合管廊垂直相交方案，其中地下一層綜合管廊為鋼筋混凝土現(xiàn)澆綜合管廊，設(shè)電纜艙和綜合艙兩個(gè)艙室;艙內(nèi)凈尺寸其中電纜艙寬2.2m，綜合艙寬2.3m，高3.8m，外側(cè)壁板厚350（節(jié)點(diǎn)處400）mm，中隔墻厚250mm，頂板及底板厚350（節(jié)點(diǎn)處400）mm，如圖2所示。地下二層綜合管廊也是鋼筋混凝土現(xiàn)澆綜合管廊，也設(shè)電纜艙和綜合艙兩個(gè)艙室;艙內(nèi)凈尺寸其中電纜艙寬2.45m，綜合艙寬2.4m，高3.4m，外側(cè)壁板厚400mm，中隔墻厚250mm，頂板及底板厚400mm，如圖3所示。地下一層綜合管廊頂板覆土6.5m，管廊位于綠化帶下?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C40。

綜合管廊工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí);主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年;建筑抗震設(shè)防類別：乙類;地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：丙級(jí);主體結(jié)構(gòu)裂縫控制等級(jí)：三級(jí)（0.20mm）;綜合管廊防水等級(jí)：二級(jí);基本風(fēng)壓：W0=0.35kN/m2，地面粗糙類別：B類;抗震設(shè)防烈度：7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值：0.10g，設(shè)計(jì)地震分組：第三組，建筑物場(chǎng)地類別：Ⅱ類。地面活荷載選地面堆載和綠化荷載的較大值：10kN/m2。本工程建設(shè)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件為黃土。

3 綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算分析

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面的計(jì)算一般都采用二維平面閉合框架模型，但綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)為三維空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的空間尺度及荷載條件都與標(biāo)準(zhǔn)斷面完全不同，采用二維平面計(jì)算模型難以反映交叉節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的真實(shí)內(nèi)力，所以需要采用三維空間計(jì)算模型對(duì)交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如此才能確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算準(zhǔn)確。

綜合管廊復(fù)雜交叉節(jié)點(diǎn)計(jì)算采用三維有限元模型進(jìn)行建模計(jì)算，模型中地下一層管廊節(jié)點(diǎn)的壁板用梁（高截面）來(lái)建立，在特殊梁中指定該梁為殼元梁，計(jì)算模型中的殼元梁受力性質(zhì)和墻是一樣的，單工況恒載作用下管廊交叉節(jié)點(diǎn)地下一層壁板（單元網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.5m）的應(yīng)力分布圖如圖4和圖5所示：

由圖4的地下一層管廊壁板應(yīng)力分布圖可知，拉應(yīng)力分布在地下一層管廊壁板的上部，因地下一層管廊壁板以地下二層管廊壁板為支座，不能落地，端部支座以外管廊壁板還有懸挑，其受力性質(zhì)類似兩跨帶懸挑連續(xù)深梁，圖中的應(yīng)力分布很好的揭示了這一受力性質(zhì)。為綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。

圖4中兩跨帶懸挑的連續(xù)深梁左跨跨高比為0.8，右跨跨高比為0.6，均小于1，但是地下一層管廊壁板中部支座處拉應(yīng)力分布并不是沿壁板高度中部最大，而是頂部最大，因管廊壁板上還作用有側(cè)向土壓力，其受力狀態(tài)并不完全與“砼規(guī)”中的深受彎構(gòu)件相同，所以實(shí)際工程設(shè)計(jì)中不能簡(jiǎn)單的按“砼規(guī)”中以跨高比進(jìn)行支座處截面縱向受拉鋼筋在不同高度范圍內(nèi)的分配比例進(jìn)行支座截面的配筋，應(yīng)按實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋。

城市地下綜合管廊一般跨徑比較小，配筋計(jì)算中一般為正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制配筋，又因綜合管廊的底板、壁板及頂板一般不配置彎起鋼筋，為了滿足斜截面的受剪承載力的要求，所以其底板、壁板及頂板一般較厚，變形問(wèn)題并不突出。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)城市地下綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到如下結(jié)論：

（1）城市地下綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)中不能落地管廊壁板的應(yīng)力分布圖揭示了不落地管廊壁板的受力性質(zhì)為深梁，應(yīng)按深梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能落地的管廊壁板支座處截面縱向受拉鋼筋在不同高度范圍內(nèi)的分配比例應(yīng)按實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋，不能簡(jiǎn)單的按跨高比進(jìn)行配筋。

（3）城市地下綜合管廊一般跨徑較小，整體性較好，管廊的底板、壁板及頂板因截面需滿足抗剪、按裂縫控制配筋等因素，一般較厚，所以管廊交叉節(jié)點(diǎn)的變形問(wèn)題并不突出。

（4）城市地下綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)中不能落地的管廊壁板在支座處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要局部采取設(shè)暗柱等加強(qiáng)措施。

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基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（17JK1104）

作者簡(jiǎn)介：邸海燕（1984-），女，安徽亳州人，工學(xué)碩士，講師，主要從事土力學(xué)與地下工程教學(xué)與研究。