赵远清 林雪斌 尹克明 祝年虎

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都610081)

引言

我国正处在城镇化快速发展时期, 地下基础设施建设总体滞后。 城市地下综合管廊建设可以统筹各类市政管线规划、 建设和管理, 解决反复开挖路面、 架空线网密集、 管线事故频发等问题, 保障城市安全运行、 完善城市功能、 美化城市景观、 促进城市集约高效发展, 提高城镇化发展质量。 综合管廊容纳有多种城市工程管线, 通常包含给排水、 电力、 热力、 燃气管线, 结构型式采用现浇钢筋混凝土居多。 现浇钢筋混凝土综合管廊由于自身结构的特点, 每隔一定间距需要设置温度伸缩缝(按《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838 -2015)[1]规定不大于30m), 遇有地基突变等不利工程条件时也会设置变形缝, 但是廊内管线一般是连续布设的, 当变形缝出现变位时, 廊内连续布设的管线将沿纵向产生附加内力, 影响管道的正常受力状态。 从业技术人员都很关注管廊变形缝的工程效应和作用, 也从不同的视角进行了研究和实践[2-4]。 本文就该问题选取廊内钢管道进行计算分析, 为综合管廊工程建设提供参考。

1 计算基本参数

(1)钢筋混凝土综合管廊, 30m 长一节段,节间设30mm 宽变形缝。 钢管在管廊内连续架空敷设, 下设固定支墩及抱箍。 钢管直径为DN600和DN1200 两种, 管材为 Q235B 级钢。 由于地基、 荷载等因素的变异, 管节间可能产生一定的沉降差。

(2)支墩间距: 假定单节管廊中支墩总数保持不变, 即单节管廊中有5 个支墩, 边支墩距变形缝距离(以Lf表示)分别为1m、 2m、 3m、 4m,对应支墩间距为7m、 6.5m、 6m、 5.5m, 如图1所示。

图1 变形缝两侧固定支墩间距示意Fig.1 Indication of spacing between fixed piers on both sides of deformation joint

(3)计算主要考虑了四种变位形式(图2):工况一为第2、 3 节段出现变位, 变位形式为第2节段为转动, 第3 节段为整体平行下降； 工况二为第1、 3 节段出现变位, 变位形式为第1、 3 节段均为转动, 两个节段的转动方向相反； 工况三为3 个节段均出现变位, 变位形式为第1、 3 节段均为转动, 两个节段的转动方向相反, 第2 节段为整体平行下降； 工况四为第2、 3 节段出现变位, 变位形式为两个节段均为整体平行下降,在1、 2 节段间发生错动。

图2 管廊管节间变位形式Fig.2 The forms of deformation of utility tunnel

2 模型的建立

管廊变位通过支墩作用到管道上, 使管道变形。 模型中仅考虑管道, 管廊的变位作用简化为支墩处的沉降位移, 采用壳单元模拟管道。 为了消除边界影响, 管道长度选为5 节管廊长度, 即为150m, 管道两侧对称约束。 基于ANSYS 有限元法建立的管道空间有限元模型如图3 所示。

图3 管道变形空间有限元分析模型Fig.3 The model of pipeline deformation

3 最不利变位形式分析

为简化研究, 首先对比分析不同变位形式对管道的影响, 以确定最不利变位形式。

以DN600 管道为例, 考虑支墩间距为6m,计算工况一到四变位形式下沉降差为30mm 和210mm 条件下管道产生的纵向应力。 计算结果见表1。

表1 不同变位工况形式下管道纵向应力Tab.1 Longitudinal stress of pipeline under different deformation conditions

由表1 中应力计算结果可知, 前3 种变位工况下, 管道受力基本一致, 说明前3 种工况基本等效。 前3 种与第4 种变位形式相比, 第4 种变位形式更为不利, 而且差异很大。 通过计算对比, 第4 种变位形式(即错动)对廊内管道的内力影响最大, 因此, 后面对第4 种变位形式进行更为深入的研究。

4 计算结果与分析

根据管廊不同沉降差, 计算得到差异沉降下不同支墩间距的DN600 管道和DN1200 管道在不同水压情况下的纵向应力最大值。 管道的受力云图如图4 所示, 计算结果如表2 和表3 所示。

图4 管道受力云图(单位: Pa)Fig.4 The stress cloud of pipeline(unit: Pa)

表2 DN600 管道纵向应力(单位: MPa)Tab.2 The longitudinal stress of DN600(unit: MPa)

表3 DN1200 管道纵向应力(单位:MPa)Tab.3 The longitudinal stress of DN1200(unit:MPa)

由表2、 表3 中计算结果可知:

(1)纵向应力大小与沉降差成正比关系。

(2)边支墩距变形缝距离越小, 纵向应力越大, 管道允许的沉降差越小。 以DN600 钢管为例,Lf=1m 时最大允许沉降差为10mm,Lf=2m时最大允许沉降差为20mm,Lf=3m 时最大允许沉降差为35mm,Lf= 4m 时最大允许沉降差为50mm。

(3)支墩间距相同时, 在相同的沉降差情况下, 管径越大, 纵向应力越大, 管道允许的沉降差越小。

5 支墩间距布置确定

通过上面的计算分析可知, 当管廊发生变位时, 管道产生的纵向应力, 与边支墩距变形缝的距离大小关系很大。 为了在工程中合理地确定支墩布置, 对各种布置间距情况下进行管道的应力计算和分析, 以合理确定跨缝支墩间距。

为了减少计算工作量, 采用《给水排水工程结构设计手册(第二版)》[5]中结构力学方法进行简化计算, 即假定跨缝管段两端固定, 管道发生竖向错动位移时计算管道产生的纵向应力。 计算假定简图如图5 所示。

图5 竖向错动位移计算简图Fig.5 The calculation sketch of vertical displacement

选取了 DN400、 DN600、 DN900、 DN1200 这4 种常用管径钢管, 跨缝支墩间距为2m、 4m、6m、 8m, 管道为空管, 对各种错动沉降差的条件下进行计算, 不同错动位移和支墩间距工况下计算结果见表4 ～表7。

表4 DN400 ×6mm 管道纵向应力及与设计强度比例(单位: MPa)Tab.4 The ratio of longitudinal stress to design strength DN400 ×6mm (unit: MPa)

表5 DN600×8mm 管道纵向应力及与设计强度比例(单位: MPa)Tab.5 The ratio of longitudinal stress to design strength DN600×8mm (unit: MPa)

表6 DN900×10mm 管道纵向应力及与设计强度比例(单位: MPa)Tab.6 The ratio of longitudinal stress to design strength DN900×10mm (unit: MPa)

表7 DN1200 ×12mm 管道纵向应力及与设计强度比例(单位: MPa)Tab.7 The ratio of longitudinal stress to design strength DN1200 ×12mm (unit: MPa)

续表

从表4 ～表7 中计算结果可知:

(1)附加纵向应力大小与错动位移成正比关系, 沉降差越大, 产生的纵向应力也越大。

(2)跨缝管道的支墩间距与纵向应力成反比,支墩间距越大, 产生的纵向应力越小。

(3)在相同条件下, 管径越大, 产生的纵向应力越大。

(4)当发生10mm 错动位移, 支墩间距为6m时, DN400 跨缝管道产生的纵向应力是钢材设计强度的16.35%, DN600 跨缝管道产生的纵向应力是钢材设计强度的19.67%； 支墩间距为8m时, DN900 跨缝管道产生的纵向应力是钢材设计强度的16.53%, DN1200 跨缝管道产生的纵向应力是钢材设计强度的21.99%。 如果以附加纵向应力不超过钢材设计强度的20%为界, DN600 以下的管道跨缝支墩间距不宜小于6m, DN900 以上的管道跨缝支墩间距不宜小于8m, 管径越大,跨缝支墩间距宜更大。

6 结语

1.综合管廊变形缝处的变位引起的廊内管道纵向应力不可忽视。

2.跨缝的支墩间距应尽可能的做大, 有利于提高管道抗不均匀沉降能力。

3.管径越大的管道, 跨缝支墩间距越应取大值, 以减小不均匀沉降引起的附加纵向应力。

4.综合管廊变形缝处的错动位移引起的附加纵向应力最大。

《给水排水工程混凝土构筑物变形缝技术规范》(T/CECS 117 -2017)[6]第 4.2.3 条第 5 款规定变形缝沉降差不应大于30mm, 但从文中的计算分析看出, 管廊变形缝发生30mm 沉降差对廊内管道来说是非常危险的。 要减小廊内管道的附加纵向应力, 首先应减小或防止变形缝处的错动位移, 工程中应采取结构和构造措施, 尽量防止或减小变形缝处的错动位移发生, 保证廊内管道的安全。