黄岛某地区综合管廊应力与变形的数值模拟

刘孝泰，颜庆智*，饶江

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.胜利石油管理局供水公司，山东 东营 257000)

黄岛某地区综合管廊应力与变形的数值模拟

刘孝泰1，颜庆智1*，饶江2

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.胜利石油管理局供水公司，山东 东营 257000)

以黄岛某段综合管廊为分析对象，利用有限元软件ANSYS建立其三维有限元模型，综合考虑黄岛该地区土体性质、管廊施工方式、路面行人载荷和行车载荷，对管廊在正常使用阶段的应力分布和位移变化进行数值模拟计算。分析结果表明，该段综合管廊设计比较保守，材料没有充分利用，还有进一步优化的空间；各舱室腋角处存在明显的应力集中现象，应在结构设计时予以重视，采取措施如增加腋筋配筋率，改善其受力状态。所得结论可为今后类似工程设计提供参考。

综合管廊；应力分布；位移；数值模拟

0 引言

综合管廊是指城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、热力和燃气等市政管线的公共隧道。推进城市地下综合管廊建设，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[1-8]。

黄岛地区特殊性岩土主要是素填土、软弱土和风化基岩。勘察结果表明，拟建场地及其影响范围内的周边环境内未发现影响场地稳定性的岩溶、滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区、地面沉降等不良地质作用，不良地质作用不发育。文中综合管廊全长12.8 km，管廊标准断面采用4舱通行管沟结构(分为污水舱、水力舱、电力舱和天然气舱)，设计结构标准断面内尺寸为13.85 m×4.6 m，如图1所示。利用有限元软件ANSYS建立综合管廊的三维有限元模型，分析综合管廊在正常使用阶段的应力与位移特点。

1 工况分析

1.1 材料参数

计算所涉及的材料主要是岩土、钢筋、混凝土，钢筋材料型号为HRB400、HPB300，混凝土强度等级为C45，混凝土材料参数取值见表2，钢筋材料参数取值见表3，该段开挖深度为8 m，土断面示意图如图2所示。

土体参数根据地勘报告取值见表1，地下水位取地下0.5 m。

表1 土体参数Tab.1 Parameters of soil

图1 综合管廊横断面Fig.1 Cross section of utility tunnel

图2 土层横断面Fig.2 Cross section of soil

C45混凝土容重/(kN·m-3)25弹性模量E/kPa3.35×107泊松比0.2抗拉强度设计值ft/kPa1.80×103抗压强度设计值fc/kPa2.11×104

表3 钢筋材料参数Tab.3 Parameters of reinforcement

1.2 荷载组合

荷载组合按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的相关规定计算。

γ0S=γ0(γGSGK+ψγQSQK)。

(1)

式中：γ0为结构重要性系数，因为该结构设计使用年限为100 a，故该系数取为1.1；S为承载能力极限状态的荷载效应(内力)组合值；γG为永久荷载的分项系数，土压力取1.27(有利时取1.0)，结构自重取1.2(有利时取1.0)，土侧压力取1.4，水压力取1.4；SGK为永久荷载标准值的效应值，这里永久荷载包括土重力、土侧压力、结构自重；ψ为可变荷载(人+车辆荷载)的组合系数，取为1.0；γQ为可变荷载(人+车辆荷载)作用效应的分项系数，取为1.4；SQK为人+车辆荷载换算土重标准值的效应[9-11]。

1.3 荷载的计算

(1)覆土压力

p=h·γ。

(2)

式中：h为覆土厚度，m；γ为覆土重度，kN·m-3，地下水位以下的土层采用有效重度。

(2)结构顶板自重

Q=25c。

(3)

式中：c为顶板厚度，混凝土重度25 kN/m3。

(3)土侧压力采用水土分算模型

结构顶面土侧压：

q1=[γs+10(h-s)]K。

(4)

结构底面土侧压力：

q2=[γs+10(H+h-s)]K。

(5)

结构顶面水侧压力：

q3=10(h-s)]。

(6)

结构顶面活载侧压力：

q4=P·K。

(7)

结构底面处水侧压力：

q5=10(H+h-s)]。

(8)

式中：s为地下水位距离地面高度；h为顶板上覆土厚度为；H为结构总高度；P为结构顶面活载，该荷载中的行人荷载一般按4.0 kPa计算，行车荷载一般按20 kPa计算；K为静止土压力系数；K=1-sinφ(由表1取值)，采用水土分算模型，水的重度取10 kN/m3，在计算侧壁活荷载时，汽车荷载不考虑动力系数。

(4)水压力

水压力作用于结构表面，计算公式如下：

pω=γω·hω。

(9)

式中：γω为水的重度，取10 kN/m3；hω为计算点距离地下水位面的深度，m[12-15]。

2 数值模拟

2.1 建立结构计算模型

截取该工程标准段建立管廊模型，截面如图1所示，管廊模型尺寸为13.85 m×4.6 m×20 m。管廊采用Solid单元建模，Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。可以较好的模拟混凝土中的配筋(或玻璃纤维、型钢等)，以及材料的拉裂和压溃现象[16-17]。管廊模型受力如图3所示。

2.2 计算结果分析

经数值模拟计算，管廊应力分布如图4所示，管廊最下层各舱整体受力均匀，各个舱室的下腋角处均存在应力集中情况，其中污水管线舱和电力管线舱下腋角的应力集中情况最明显。

具体分析情况为：水力管线舱顶板应力变化情况为中间大，沿左右两边方向逐渐减小，最大值为2.02 MPa，最小值为0.45 MPa。而管廊底板应力变化呈相反情况，中间位置应力最小，为0.2 KPa，最大应力值出现在两端腋角处，为1.35 MPa。混凝土材料强度允许值为45 MPa，管廊的最大应力值远小于规定的强度允许值。污水管线舱、天然气管线舱和电力管线舱侧壁自上往下应力逐渐增大，最小应力值为0.2 MPa，最大应力值为1.12 MPa。

图3 结构荷载分布图Fig.3 Distribution map of structure load

图4 综合管廊应力分布云图Fig.4 Stress distribution map of utility tunnel

图5 综合管廊位移云图Fig.5 Deformation diagram of utility tunnel

由图5分析可得：管廊整体变形趋势呈凹字形，管廊底板不变形，顶板变形由中心向左右两边均匀减小，水力管线舱顶板中心位移最大，位移值为0.5 mm，最小位移值为零；电力管线舱和天然气管线舱比较稳定，整体位移接近于零；污水管线舱底板不变形，而侧壁自下向上变形逐渐增大，变形范围在0.2 mm左右。规范规定的挠度允许值是25 mm，管廊的最大位移值远小于规定允许值，结构满足要求。

3 结束语

经过分析得出如下结论：

(1)管廊的最大位移和最大应力均远小于设计允许值，说明结构设计比较保守，材料没有充分利用，结构还有进一步优化的空间。

(2)管廊各个舱室内壁腋角处出现明显的应力集中现象，在结构设计时应适当增加腋筋配筋率。

(3)管廊上部结构比下部结构变形大，设计时应合理分配舱室大小，周围土体对管廊产生土压力的同时也起到一定的约束作用。

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NumericalSimulationoftheStressandDeformationfortheUtilityTunnelinHuangdao

Liu Xiaoqin1，Yan Qingzhi1*，Rao Jiang2

(1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580； 2.Shengli Petroleum Management Bureau Water Supply Company，Dongying 257000)

In this paper，a period of utility tunnel in Huangdao is taken as the analysis object，the three-dimensional element model is established by using the finite element software ANSYS.Considering the soil nature in Huangdao，the construction method of utility tunnel，the pedestrian load and the traffic load，the stress distribution and the displacement change of the tunnel in the normal use stage are numerically simulated.The analysis results show that the design is conservative，the material is not fully utilized and there are room for further optimization.There are obvious stress concentration phenomena of axil angle in each cabin，which should be paid more attention to in structural design，and measures such as increasing the wail reinforcement ratio and improving the stress state should be taken.The conclusions can provide reference for similar engineering design in the future.

Utility tunnel；stress distribution；displacement；numerical simulation

TU 990.3

A

1001-005X(2017)06-0093-04

2017-05-23

国家自然科学基金(51308510)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2014BSE28027)

刘孝泰，硕士研究生。研究方向：结构可靠度。

*通信作者：颜庆智，博士，教授。研究方向：结构可靠度。E-mail：yanqzhi@163.com

刘孝泰，颜庆智，饶江.黄岛某地区综合管廊应力与变形的数值模拟[J].森林工程，2017，33(6)：93-96.