分体式装配综合管廊力学性能分析*

2022-07-14周丛吴兵李屹贾登忠

特种结构 2022年3期

周丛吴兵李屹贾登忠

1.贵州大学机械工程学院贵阳 550025

2.贵州中昇东浩科技有限公司贵阳 550081

引言

城市地下综合管廊是将电力、通讯、供水、排水、燃气等多种市政管线集中一起的城市道路下的市政共同隧道，实行“统一规划、统一建设、统一管理”，以做到地下空间的综合利用和资源共享［1］。城市地下综合管廊的施工方法主要有传统的现浇法和当前主流的预制装配式两种，传统的现浇法施工工期不稳定，受天气、施工环境影响较大，而采取装配式能够减少环境污染，大幅提高工作效率及施工质量，预制装配式管廊大致可分为整体式和分体式两种［2］。整体式预制管廊的模具设计复杂，浇筑体积、质量大，为解决整体浇筑带来的因体积和质量庞大而造成的施工困难，现如今分体式管廊越来越普遍。而不同断面的仓体，具有不同的结构特点。为分析不同截面高度下管廊的力学性能，采用非线性动态分析法，建立在一般工况下分体式管廊的有限元模型，对各分体式管廊进行对比分析。

1 有限元模型建立

1.1 工程概述

以贵州某项目节段综合管廊为原型，通过对多个地下综合管廊工程的分析，管廊采用双仓结构。整体管廊截面尺寸如图1 所示，外部尺寸5.3m×3.6m，大仓内部尺寸2.6m ×2.9m，小仓内部尺寸1.7m ×2.9m，管廊纵向取2.4m。x为上下分体中间位置，图中z分别取x、0.8x、0.6x、0.4x得四组不同的管廊模型，即五五分、四六分、三七分、二八分型管廊。

图1 主体结构剖面图Fig.1 Sectional view of the main structure

1.2 分体式管廊各部件本构关系的选择

分体式管廊主体结构包括：混凝土、钢筋网及螺栓三部分；管廊外部为土体。仿真分析过程中混凝土采用ABAQUS软件混凝土损伤塑性模型（concrete damaged plasticity model），混凝土应力-应变关系等相关参数均根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［3］获得。

混凝土质量密度取2500kg／m3，弹性模量取3.45 ×104MPa，泊松比取0.2，混凝土损伤塑性模型其他参数取值见表1。

表1 混凝土损伤塑性模型参数参考值Tab.1 Reference value of CDP model parameters

钢筋采用HRB400 钢筋，其抗拉强度设计值为360MPa。采用拼缝管廊连接，使用B 级螺栓A26，其抗拉强度设计值为400MPa。钢筋及螺栓的本构模型均采用ABAQUS中的弹塑性模型，即二折线模型，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［3］的相关规定，取无屈服点钢筋单调受拉应力-应变曲线。

钢筋和螺栓的质量密度均取7800kg／m3，泊松比均取0.3。钢筋的弹性模量为2 ×105MPa。螺栓弹性模量为2.06 ×105MPa。

土体部分采用ABAQUS 中Mohr-Coulomb 弹塑性模型，模型总尺寸长15.3m、厚2.4m、高13.6m。管廊位于土体中间下方3m 处。本构模型中岩土层主要力学参数如表2 所示。

表2 土体主要力学参数Tab.2 Main mechanical parameters of soil

1.3 荷载及边界条件

地下管廊主要荷载来自于上覆土体荷载、路面荷载、土体侧压力荷载、车辆荷载及地震作用等［4］。地下管廊属于浅埋结构，需要考虑路面荷载对其影响。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［5］及《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）［6］，二者取荷载中的较大值，即路面荷载q＝10.5kN／m2。

模型中对土体的四个侧面施加法向约束，土体上部为自由界面，土体底面施加固定约束［7］。模型整体装配图如图2 所示。本模型分析步主要分三步，第一步对土体进行地应力平衡［7］；第二步使用model change 命令移除管廊对应部分的土体，建立管廊与土体的之间的接触关系，法向为“硬接触”，切向接触的摩擦系数为0.3；第三步施加地面荷载及管廊自重。

图2 整体荷载Fig.2 Overall load diagram

1.4 模型网格划分

本文模型进行网格划分时，管廊、土体、螺栓及钢筋均采用三维实体建模，管廊、土体及螺栓采用线性缩减积分单元（C3D8R）模拟［8］，对管廊外部土体划分网格大小为100mm，管廊网格大小为60mm，管廊腋角及螺栓孔处进行细化处理［9］，螺栓网格大小为35mm。钢筋采用桁架单元（T3D2）进行模拟［8］，钢筋网格大小为50mm，采用assembly中的merge 功能将分布的各个横筋及纵筋合并在一起，再用Embedded 命令将钢筋网与混凝土进行耦合［10］。将划分好的网格的部件装配在一起，其整体的网格数量为62832。

图3 管廊及土体网格划分Fig.3 Utility tunnel and soil mesh division

2 结果分析

2.1 土体的变形与受力分析

分体位置z＝x处管廊周边土体的应力及位移云图如图4 所示。图中可以看出，最大应力出现在土体底部，沉降位移最大的位置为土体上部的两边，且向中间逐渐减小，土体整体变形呈“几”字形。其他三种分体位置管廊的土体变化与z＝x型管廊基本一致。

图4 z ＝x 土体应力及位移云图Fig.4 z ＝x Soil stress and displacement cloud diagram

不同分体位置的管廊土体的应力和位移变化最大值见表3，不同分体位置的管廊，对其土体的应力应变分布基本没有影响，其土体沉降的位移略有不同。

表3 不同分体位置土体的最大应力及位移Tab.3 The maximum soil stress and displacement with different split position

2.2 管廊主体结构变形分析

不同分体管廊顶、底板竖向位移曲线如图5所示，管廊整体部分都向下沉降大概1.3mm ～1.8mm。从顶板左侧开始，沉降大约在1.45mm，向右开始，沉降减小，到达峰谷，为1.3mm 左右，然后增大，到达峰顶，为1.55mm 左右，最后减小。其中z＝x，z＝0.8x，右侧沉降明显小于左侧沉降；z＝0.6x，z＝0.4x，左右两侧沉降位移基本一致。由图可知，管廊分体位置越往上，管廊顶板的位移分布就越均匀。其中，z＝0.4x，z＝0.6x分体的管廊明显优于z＝x，z＝0.8x分体的管廊。从底板左侧开始，沉降大约1.4mm，沉降先增大后减小，约于2000mm 的位置，沉降最大，其中尤z＝x的管廊沉降最大。由不同管廊底板不同位置竖向位移曲线可知，四种管廊中，z＝x，z＝0.8x的管廊沉降的位移比z＝0.6x，z＝0.4x的管廊大。由图5 可知，无论是管廊顶板还是管廊底板，管廊分体位置z＝0.6x，z＝0.4x的位移曲线都比z＝x，z＝0.8x平滑。但总体而言，不同分体位置的位移曲线变化较小。

图5 不同分体位置顶底板竖向位移曲线Fig.5 Vertical displacement curves of the upper and lower slabs with different split position

不同分体位置管廊变形最大值及最小值见表4，其中z＝x型的管廊位移相对较大，其最大位移量约为1.8mm，z＝0.4x型管廊的位移相对较小，其最大位移量约为1.7mm。无论是最大位移量，还是最小位移量，随着管廊分体位置的变高，都有下降的趋势。

表4 不同分体位置管廊变形最值Tab.4 The utility tunnel extremum deformation with different split position

不同分体管廊侧壁横向位移曲线如图6 所示，由图6a 可知，管廊左侧壁位移先迅速增大后缓慢减小，四组不同类型的管廊变化趋势基本一致。由图6b 可知，管廊中墙位移先减小后增大。z＝x、z＝0.8x型管廊变化趋势一致，而z＝0.6x、z＝0.4x型管廊出现了较为明显的裂缝。由图6c 知，管廊右侧壁位移先缓慢增大，后减小，然后再增大。与图6b 相似，z＝x、z＝0.8x型管廊变化趋势相对于z＝0.6x、z＝0.4x型管廊的幅度较小，后两者也出现了明显的裂缝。

图6 不同分体位置侧壁及中墙横向位移曲线Fig.6 Lateral displacement curves of the sidewalls and middle wall with different pipe position

不同分体位置管廊，其分体位置处最大裂缝值见表5。

表5 不同分体位置最大裂缝值Tab.5 Maximum crack value with different split position

2.3 管廊主体结构混凝土应力分析

不同分体位置管廊最大、最小应力分布图如图7 所示。

图7 不同分体位置应力分布（单位： MPa）Fig.7 Stress distribution diagrams with different split position（unit：MPa）

由图7 可知，四组分体位置不同管廊的应力主要集中于管廊大仓左下角处。其最大主应力（拉应力）有随着管廊分体位置的增高有下降的趋势，最大主应力位于管廊左仓下底板中间位置的上边，而其最小主应力（压应力）随着管廊分体位置的增高有增大的趋势，最小主应力位于管廊左侧的腋角处。分体位置不同的管廊，其上下板的应力分布基本一致，左右侧壁板的应力分布有略微的不同，压应力都主要集中分布在管廊下边的各个腋角处。不同分体位置管廊应力最大值见表6。

表6 不同分体位置管廊最大应力Tab.6 Maximum Stresses with different split position

2.4 管廊结构钢筋力学分析

分体位置z＝x型管廊的钢筋网应力及位移云图如图8 所示。

图8 z ＝x 钢筋网的应力及位移云图Fig.8 z ＝x Reinforced mesh stress and displacement cloud diagram

由图8a可知，z＝x型管廊的钢筋应力主要集中在左仓体的下面中间位置，仓体中壁及上边腋角处的钢筋应力值较小。由图8b 可知，z＝x型管廊左仓体下面中间位置的钢筋位移变化较大，而右侧壁及上顶板左侧中间部分的钢筋位移变化相对较小。其他三种类型的管廊，其应力及位移变化分布基本与z＝x型管廊的一致。不同分体位置管廊钢筋所对应的最大应力见表7。

表7 钢筋网最大应力Tab.7 Reinforcement mesh maximum stress

2.5 管廊结构螺栓力学分析

分体位置z＝x型管廊螺栓的应力及位移云图如图9 所示。

图9 z ＝x 螺栓应力及位移云图Fig.9 z ＝x Bolt stress and displacement cloud diagram

由图9 可知，螺栓应力集中点位于螺栓两边，即螺栓与管廊接触位置的应力最大，螺栓中间部分的应力较小，两边的螺栓应力略大于中间部分螺栓的应力；而螺栓两边的位移较小，中间部分的位移较大。其他三种类型的管廊，其应力及位移分布基本与z＝x型管廊的分布一致。不同分体管廊螺栓的最大应力及位移值见表8。

表8 管廊螺栓的最大应力及最大位移Tab.8 Bolts maximum stress and displacement

2.6 混凝土弯矩分析

预制拼装综合管廊采用预应力筋连接接头或螺栓连接接头时，接头受弯计算简图如图10所示。

图10 管廊接头受弯计算简图Fig.10 Flexual capacity schematic diagram of utility tunnel joint

其拼缝接头的受弯承载力［3］应符合式（1）要求。

式中：M为接头弯矩设计值（kN·m）；fpy为预应力筋或螺栓的抗拉强度设计值；Ap为预应力筋或螺栓的截面面积（mm2）；h为构件截面高度（mm）；x为构件混凝土受压截面高度（mm），按照《混凝土结构设计规范》，一级抗震等级x≤0.25h；二、三级抗震等级x≤0.35h。

不同分体位置管廊的弯矩图如图11 所示，图11a中的z＝x、z＝0.8x、z＝0.6x、z＝0.4x分别为均布荷载下五五分型、四六分型、三七分型、二八分型管廊左侧壁在z方向的最大弯矩，即图中的y向弯矩；前两种管廊的最大弯矩约127kN·m，后两种管廊的最大弯矩约138kN·m，后两者最大弯矩比前两者大8%左右。最大弯矩的管廊为z＝0.4x型管廊，在z＝0.57m处有最大弯矩138.8kN·m。四种分体位置的管廊都在z＝0.57m处左右有最大弯矩，说明不同分体位置管廊的左侧弯矩的分布基本不受管廊分体位置的影响。

图11b为不同分体位置管廊中墙的弯矩图，可以看出，中墙的弯矩分布明显比管廊左侧壁的小。其中z＝0.8x型管廊弯矩分布范围最小，约为－36.4kN·m ～9.9kN·m，z＝0.4x型管廊弯矩分布范围最大，约为－40.5kN·m ～14.7kN·m。不同管廊中墙弯矩最大值都大致集中在z＝3m处。

图11c为不同分体位置管廊右侧壁的弯矩图，其中z＝0.4x型管廊弯矩分布范围最大，约为－43.8kN·m ～38.3kN·m，z＝x型管廊弯矩分布范围最小，约为－46.8kN·m ～22.6kN·m。不同管廊右侧壁的最大弯矩都大致在z＝2m处。

图11d为不同分体位置管廊上顶板的弯矩图，其中变化范围最小的是z＝0.8x型的管廊，其弯矩变化约为－74.8 ～72.1kN·m，z＝x型管廊的弯矩变化基本与z＝0.8x管廊的变化一致；而z＝0.6x型管廊的弯矩变化最大，其弯矩变化大致为－78.9kN·m ～90kN·m。不同管廊上顶板的最小弯矩大致在x＝1.6m处，最大弯矩位置略有不同，其中弯矩最大的管廊（z＝0.6x型）在x＝2.8m左右有最大弯矩，为90kN·m，而z＝0.8x型管廊在x＝3.5m 左右有最大弯矩，约为72.1kN·m。

图11e为不同分体位置管廊下底板的弯矩图，四种分体位置管廊的弯矩变化基本一致，其中弯矩最大的是z＝x型管廊，约为105.4kN·m；z＝0.4x型管廊的最大弯矩约为102.3kN·m，二者相差约3.1kN·m（3%）。z＝x型管廊的最小弯矩约为－81.4kN·m，z＝0.4x型管廊的最小弯矩约为－91.7kN·m，二者相差约为9.3kN·m（11%）。总体来说，四种分体位置管廊的弯矩变化基本相同，其中，z＝x、z＝0.8x型管廊的变化更为接近，而z＝0.6x、z＝0.4x型管廊的变化也更为相似。