地下综合管廊结构计算模式及其断面结构优化——基于有限元软件应用

钟远志

(福建省交通规划设计院　福建福州　350001)



地下综合管廊结构计算模式及其断面结构优化

——基于有限元软件应用

钟远志

(福建省交通规划设计院福建福州350001)

对比了当前地下综合管廊结构的一些主要设计方法，首先通过有限元软件Midas gen对一个具体综合管廊结构进行分析计算，推出一个有别于当前地下综合管廊计算模式的新模式。其次，根据工作实践，对管廊结构的断面设计提出改进建议。

地下综合管廊；设计方法；有限元分析

1　概述

地下综合管廊又称共同沟，是将电力、通讯、燃气、供水排水、热力等各种管线集于一体，在城市道路的地下空间建造一个集约化的隧道，并按规定设有检修口、吊装口、通风口和监测、控制系统，是一种城镇综合管线工程[1]。按照不同的功能和设计要求，常见的管廊结构的主体截面形式主要有圆形、矩形等形式，其中圆形截面常见于暗挖施工工艺，明挖施工多采用矩形截面；按照设置的舱室则可分单舱、双舱和多舱等，具体详图1。

城市地下综合管廊相当于人体中的一条超级动脉通道，具有以下3种优势[2]：

(1)可避免敷设维修地下管线时频繁开挖成拉链路，并因此造成交通阻断，影响居民日常生活，同时可以实现“无杆化”，保持城市环境美观。

(2)纳入地下综合管廊的管线不直接接触土壤和地下水，减少了管道的腐蚀，大大延长了管线的使用寿命。

(a)圆形截面[2]

(b) 矩形截面(单舱详图3)图1　综合管廊常见截面示意

(3)综合管廊都设有通风、照明、检修、消防、报警等设施，方便工作人员进行检修和日常维护，保证地下管线安全运营，可谓“一次投资，终身受益”。

国外的综合管廊相关建设已充分开展，其相应的设计理论和施工方法也日臻成熟，早期比较著名的就有在1833年建成的巴黎地下综合管廊系统。国内的大城市北京、广州、上海等近年来也已有城市地下市政综合管廊成功建设的先例，如北京中关村西区地下综合管廊工程、广州大学城综合管廊工程、上海世博会园区综合管廊工程等。据有关统计，2015年中国69个城市在建的地下综合管廊，总长度约1 000km，总投资约880亿元，积累了一定的城市地下综合管廊的建设经验。福建省内目前已有厦门集美新城综合管廊、福州琅岐环岛路综合管廊、平潭牛寨山路综合管廊等已建和即将开建综合管廊项目。按照福建省住建厅统计，截止2015年7月，福州、厦门、平潭等地已合计建成投用各类地下综合管廊60km，在建103km，规划及前期83km。福建省住建厅已经开始着手拟定《福建省城市综合管廊建设指南》，其征求意见稿已于2016年1月21日发布。随着国家政策的引导，地方的重视，已经越来越多的城市开始试点地下综合管廊项目建设，国内地下综合管廊工程即将进入快速发展期。

2　管廊主体结构计算

(1)目前主要计算模式

综合管廊的截面，常见的截面形式有圆形和矩形，但考虑到内部空间的有效利用率，许多项目主要还是采用矩形截面形式。由于总体上地下综合管廊结构在我国还处于开始发展阶段，其结构计算模式大致存在3种：

①采用分解构件模式，以便于手算。做法参照建筑工程的地下室或者水池结构[3]，分别计算顶板、侧壁(中壁)和底板并配筋；考虑到单个构件计算时两端的支座一般采用固接或者铰接，这种方法在总体上存在一定程度的误差，主要单构件模式一般无法考虑实际管廊总体结构中这些构件端部节点转动刚度影响，从而不能准确计算相连构件端不平衡弯矩的二次分配。

②采用教材和规范中推荐的适用于浅埋地下结构中的“闭合框架模型”[1，4～6](图2)来计算。总体来说,这种模型较接近于工程实际受力，不过也存在一定的不足，主要是该模型不能考虑底板下的“弹性地基”作用(包括侧壁外侧土对侧壁)。该作用的大小会直接影响侧壁与底板交接节点的转动刚度；其次在底板受到的地基反力不满足直线分布的情况下(一般存在于地基土较差，或者底板的跨高比较大时)，底板下的反力应按弹性地基理论进行调整，否则按照该方法计算底板存在一定的误差。

③采用有限元软件对管廊结构进行受力模拟分析。该方法基本可以避免前两种模式的不足，较为准确地计算出管廊结构的实际内力。当然，前提应是基于有限元模拟中的正确设置和参数取值合理。

图2　闭合框架计算简图

(a)单舱 (b)双舱图3　某综合管廊标准段截面

(2)本文计算模式

本文采用有限元软件(Midas Gen)分别对一拟建的单舱和双舱室地下管廊结构进行静力分析，该结构具体参数如下：尺寸如图3，结构顶板面相对标高为-3.3m(地面为±0.00m)，地下水位的相对标高为-0.50m。结构侧壁厚度取350mm，中壁厚度300mm，混凝土强度C35[7]。

荷载工况如下：工况1-结构构件自重作用；工况2-恒荷载作用，考虑到地下水位常年较高，水压力当做恒荷计算，顶板受到向下土压力，两侧壁分别受到向内的梯形水土侧压力；工况3-活荷载作用，主要考虑的是地面超载作用，包括汽车荷载，本文活动超载取20kPa，其中侧壁时考虑侧压系数0.5，取值10kPa。四周侧壁均采用1.0m宽的梁单元模拟。边界条件为底板下地基土采用“面弹性支承”，其中基床系数取为1.0×104kN/m3(只受压)[8]。计算模型和荷载分布示意图详图4(图中Qh1和Qh2分别表示水土侧压力和地面均布活荷带来的侧压力)。

图4　管廊结构计算模型及荷载分布示意

以下分别给出了单、双舱管廊结构在自重和水土压力作用工况单独作用下的弯矩M图和剪力V图(图5、图6，图例放大系数3)。由图5、图6可以看出：

(a)水土作用M图(kN.m)

(b)自重作用M图(kN.m)

(c)水土作用V图(kN)

(d)自重作用V图(kN)
图5单舱截面管廊结构内力图(M、V)

(a) 水土压力作用M图(kN.m)

(b) 自重作用M图(kN.m)

(c) 水土压力作用V图(kN)

(d) 自重作用V图(kN)
图6双舱截面管廊结构内力图(M、V)

(1)在水土压力工况下顶板和底板的内力分布相似，数值也较接近，这个是由于管廊顶、底板结构对称，受力也相近(尤其是当舱室底板跨高比较小，地基反力接近直线分布时)的缘故，差异主要体现在顶、底板端部由侧壁传来的不平衡弯矩二次分配值；

(2)外侧壁四角及与中壁交接处剪力最大，应注意复核该些位置的受剪承载力或者采取措施；

(3)当双舱开间差异较大时，中壁存在一定的弯矩。

为了验证该有限元计算方法的准确性，本文用清华大学编制的力学计算器计算了之前的单舱模型在水土压力工况下的框架内力，结果如图7，可以看出该结果与之前有限元计算的结果(图5(a))吻合度很好，佐证了前文介绍的有限元计算方法的可靠性。

图7　单舱截面力学计算器计算弯矩M(kN.m)

3　管廊结构断面设计

图8给出双舱管廊结构的标准断面配筋图(单舱结构类似)。其中在侧壁四周及与中壁交接节点设置200mm×200mm的倒角，并相应配置斜向加强钢筋，主要基于两点考虑：首先考虑这些节点处剪力最大，其次通过设置倒角增大节点核心区刚度。截面配筋中侧壁外侧钢筋参考桥涵结构构造，采用顶、底板和侧壁整根连通的做法，尽量不在弯矩和剪力最大的端部断开连接；内侧单根钢筋在侧壁和顶、底板内应注意满足《砼规》[9]的足够锚固长度，即阳角部位钢筋不断，阴角部位钢筋分别延伸锚固，具体可详见图8。

图8　标准断面配筋图(长度单位：cm)

4　结语

本文主要分析了近年来国内逐渐开始兴起的地下综合管廊结构(共同沟)主要几种计算模式的各自特点，并介绍了采用建筑结构通用有限元软件Midas Gen 对两个管廊结构标准截面进行的分析计算方法，最后给出管廊标准截面配筋构造做法，以期起到抛砖引玉的作用，供同类和相关工程例如电力隧道等各种浅埋地下结构工程设计人员进一步探讨和参考。

[1]GB 50838-2015 城市综合管廊工程技术规范 [S]．北京：中国计划出版社，2015．

[2]罗海玲．城市地下市政综合管廊建设技术经济评价体系及规划标准研究[D]．北京：北京建筑工程学院，2007．

[3]天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室．地下结构静力计算[M]．北京：中国建筑工业出版社，1979.

[4]龚维明．地下结构工程[M]．南京：东南大学出版社，2004.

[5]朱合华．地下建筑结构[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006.

[6]CECS138：2002 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

[7]GB 5018-2008 地下工程防水技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008.

[8]JGJ 72-2004高层建筑岩土工程勘察规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2004.

[9]GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

The Calculating Model and Sectional Optimization of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure——Based on FEA Application

ZHONG Yuanzhi

(Fujian Ttraffic Planning and Design Insitute, Fuzhou 350001)

On this paper, recently main design patterns of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure were compared. First, through analyzing and calculating a specific example of Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure by FEA Midas, the paper then launched a new Underground Comprehensive Pipe Gallery Structure Calculating model different from the current one. Second, according to the working practice, the paper gave the improvement advices for the sectional designation for the pipe structure.

Underground Comprehensive Pipe Gallery;Design Pattern; FEA

钟远志(1981.12-)，男，工程师。

E-mail:120236462@qq.com

2016-04-25

TU990.3

A

1004-6135(2016)08-0128-04