城市综合管廊人防井盖优化设计研究★

2018-10-24蒋林佑赵旭东陈一村

山西建筑 2018年27期

蒋林佑赵旭东陈一村

(陆军工程大学,江苏南京 210007)

综合管廊是指用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的地下构筑物[1]。由于综合管廊同时综合了多种生命线，其在平时和战时的安全性因此变得尤为重要，必须考虑人民防空的要求[2]。根据现代战争对生命线体系的打击，直接打击对象并非城市的电力、通信、燃气等市政管线，而是整个体系中的关键生产节点和配送节点，比如发电站、通信交换中心、天然气门站、储配站等。因此在防护定位中，收纳这些管线的综合管廊一般不考虑直接打击，而主要考虑冲击波间接毁伤，且防护等级一般定为核6级、常6级[3,4]。

综合管廊按使用功能可以分为主体廊道结构和口部。对于防护冲击波间接毁伤，主体结构埋置于地下，有上覆土层遮蔽，安全性较好，主体结构按平时设计要求配筋一般可满足核6级、常6级防护要求。口部是主体结构与地面的连接点，战时易受爆炸产生的冲击波破坏，因而是综合管廊人防设计的重点[4]。

口部主要包括检查口、投料口等，其防护设备是人防井盖。由于必须要考虑冲击波正负压的影响，常规市政井盖的设计方法不能直接应用于人防井盖。针对人防荷载的作用特点，作者研究了井盖的结构尺寸对井盖质量、井盖最大应力的影响，并在此基础上对人防井盖的结构进行了优化。

1 综合管廊人防井盖优化背景

1.1 优化目标

本研究主要从经济性和安全性上考虑人防井盖的结构优化，优化目标设为井盖总质量m和井盖最大应力f。优化目的是在保证井盖最大应力f不超过容许应力σ=250 MPa的前提下，尽可能减小井盖总质量m和井盖最大应力f，同时期望井盖应力分布较为均匀，以利于充分发挥钢材的力学性能。

1.2 控制参数

影响优化目标的控制参数是人防井盖的结构尺寸，包括盖板厚度h1、圆肋高度h2、内圈圆肋计算直径d1、内圈圆肋肋宽Bd1、放射肋肋宽Br，见图1。

人防井盖的原设计参数为：

井盖直径φ=1 000 mm，外圈圆肋肋宽Bd2=20 mm，放射肋圆心夹角45°，人防井盖总质量130.4 kg。其他结构尺寸如表1所示。

表1 人防井盖的初始结构尺寸

2 力学分析

2.1 力学模型

人防井盖放置在井座上，可视为周边简支圆板，根据《城市道路设计规范》，井盖所受荷载是均匀作用于井盖上的荷载圆[5]。鉴于综合管廊没有专门的人防设计规范，这里根据《人民防空地下室设计规范》，按防核武器抗力级别6级考虑。人防井盖受冲击波正压时的等效静荷载参照规范中室外竖井顶板的受力情况，取0.2 MPa，人防井盖受冲击波负压时的等效静荷载依据工程经验，取0.05 MPa，井盖加载方式为在其盖板上表面施加均匀的面荷载。

当受冲击波正压时，人防井盖的外圈圆肋与井座处接触，约束外圈圆肋下表面x,y,z三个方向的位移。当受冲击波负压时，人防井盖依靠插入井座的销轴保持其固定状态，约束销轴x,y,z三个方向的位移。

本研究采用Inventor对井盖进行有限元分析。设人防井盖的制作材料为钢材，对应于Inventor材料库中的铸造钢，其容许应力σ=250 MPa，受冲击波作用时，人防井盖上出现的最大应力必须小于铸造钢的容许应力。

2.2 计算分析

2.2.1盖板厚度h1

盖板质量在井盖总质量中占比过半，减小盖板厚度，将有效减少人防井盖的总质量。图2表示人防井盖在不同板厚条件下井盖最大应力的变化情况。当板厚由10 mm增加至14 mm时，受冲击波负压时井盖的最大应力降幅显著，当板厚由14 mm增加至20 mm时，井盖最大应力的降低趋势相比之前明显放缓，而受冲击波正压时，板厚变化对井盖最大应力的影响比较平滑，见表2。

表2 不同板厚下井盖的应力值和总质量

2.2.2圆肋高度h2

井盖的肋分为圆肋和放射肋。圆肋高度对井盖刚度的影响很大，确定合适的肋高，可以减少井盖的变形量。图3表示圆肋高度变化时，人防井盖最大应力的变化情况。可以看到，圆肋高度对最大应力的影响比较均匀，近似线性变化，见表3。

表3 不同圆肋高度下井盖的应力值和总质量

圆肋高度h2/mm受正压时最大应力σ1/MPa受负压时最大应力σ2/MPa井盖质量m/kg46231.0245.6126.348218.7234.1128.450206.2223.7130.552194.8212.6132.554185.3203.1134.656179.3194.6136.7

2.2.3内圈圆肋计算直径d1

当直径d1增大至一定范围时，内圈圆肋将远离盖板中心，应力峰值将显著增大。合理的圆肋直径有利于井盖应力分布的均匀性。

当受冲击波正压，圆肋直径为140 mm～220 mm时，应力峰值出现在圆肋内侧一边，且随直径增大变化较缓。当圆肋直径从220 mm增加到240 mm时，圆肋外侧应力值逐渐超过内侧应力值，应力峰值出现在圆肋外侧一边，并且相比内侧应力值增加速度较快。当受冲击波负压时，应力峰值出现在插销座底部与盖板连接处，在圆肋直径为140 mm～160 mm时，应力峰值增加较快，此后随着圆肋直径增加，插销座底部的应力峰值增加幅度变小,见图4，表4。

2.2.4内圈圆肋肋宽Bd1

肋宽和肋高同为肋的截面尺寸参数，二者相互影响，决定了肋的形状和承载能力。固定肋高h2=50 mm，受冲击波正压作用，当内圈圆肋肋宽Bd1从16 mm增加到22 mm时，人防井盖最大应力下降了26.5%，而当内圈圆肋肋宽Bd1从16 mm增加到26 mm时，最大应力仅下降了34.2%。因此，当内圈圆肋肋宽Bd1≤22 mm时，肋宽的增加能有效降低应力峰值。当受冲击波负压作用时，肋宽变化对井盖最大应力影响较小，见图5，表5。

表4 不同内圈圆肋计算直径下井盖的应力值和总质量

内圈圆肋直径d1/mm受正压时最大应力σ1/MPa受负压时最大应力σ2/MPa井盖质量m/kg140193.9206.8130.9160201.1221.0130.7180205.8220.1130.6200209.7223.5130.5220209.9222.9130.3240226.3226.6130.2

表5 不同内圈圆肋肋宽下井盖的应力值和总质量

内圈圆肋肋宽Bd1/mm受正压时最大应力σ1/MPa受负压时最大应力σ2/MPa井盖质量m/kg16259.3237.4129.618232.1222.3130.020209.7223.5130.522190.7227.4130.924184.0224.6131.326170.5221.9131.7

2.2.5放射肋肋宽Br

继续固定肋高h2=50 mm，受冲击波正压作用时，人防井盖最大应力出现在内圈圆肋上。随着放射肋肋宽Br的增加，内圈圆肋上的最大应力值也在缓慢增加，这是因为放射肋与内圈圆肋共同承担了冲击波的作用，而其中内圈圆肋将承担主要的压力。当放射肋肋宽Br增加时，意味着内圈圆肋肋宽Bd1的相对减少，从而内圈圆肋上的应力值将增大。受冲击波负压作用时，应力峰值出现在插销座底部与盖板连接处。当放射肋肋宽Br≤20 mm时，随着肋宽的增加，插销座底部的最大应力持续减小，此后趋于稳定，见图6，表6。

3 优化建议

经过对盖板厚度h1、圆肋高度h2、内圈圆肋计算直径d1、内圈圆肋肋宽Bd1、放射肋肋宽Br五个结构参数的研究，在考虑经济效益的同时保证一定的安全富余，确定h1=10 mm,h2=48 mm,d1=180 mm,Bd1=18 mm,Br=20 mm。相比较原设计方案的人防井盖总质量130.4 kg，优化后的井盖总质量为115.8 kg，下降了11.24%。优化方案充分发挥了钢材的力学性能，从而节省了材料。