地下综合管廊分支节点设计

程 京 伟

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082)

0 引言

由于传统直埋管线占用道路下方地下空间较多，管线的敷设往往不能和道路的建设同步，造成道路频繁开挖，不但影响了道路的正常通行，同时也带来了噪声和扬尘等环境污染，一些城市的直埋管线频繁出现安全事故。综合管廊的出现为众多直埋的管线提供了统一的安身之所，提高了管线维护工作的及时性、迅速性和可达性，极大的缓解了管线维修引起的“拉链路”问题。目前，我国一些经济发达的城市，综合管廊建设进入了高速发展期[1,2]。

综合管廊的断面形式根据容纳管线的种类、数量、施工方法综合确定。综合管廊的断面通常采用矩形断面，其优点在于施工方便，管廊的内部空间得以充分利用，但在管线出入管廊的区段，不可避免出现了管廊的交叉节点，地下管线的复杂性、交错性使得分支节点区段形成异形段，荷载类型多样，受力异常复杂，需要建立空间计算模型进行精确分析，利用有效的措施获得合理的解决方案。本文以北京市受壁街地下综合管廊为工程实例，以矩形断面的管廊分支节点为研究对象，分析结构的内力与变形，解决了地下综合管廊分支节点区段的结构受力问题。

1 工程概况

拟建的受壁街是新规划街道，位于北京市西城区，西起二环路辅路，东至赵登禹路，位于阜成门内大街与平安里西大街之间。本项目总用地面积26 765 m2，建设工程包括市政道路、管线工程、地下停车场和综合管廊等。综合管廊设计全长823 m，其中，综合管廊设计全长817 m，其中与车库共构段277.6 m，非共构段546 m，本设计为非共构段管廊。

本计算适用出线节点：出线节点根据各类管线的工艺要求，采取上翻出线方式，结构外观上形成了上凸结构形式，结构采用整体现浇的钢筋混凝土结构。最大净宽2.7 m，净高4.3 m，覆土厚度0.66 m～2.24 m，两侧外墙厚300 mm，中墙厚250 mm，顶底板厚均为300 mm(见图1)。

分支节点断面图见图2。

2 结构计算

2.1 分析模型

本文通过Midas civil软件建立板单元空间结构模型，准确模拟综合管廊非标准段结构及其受力行为，通过基床系数建立只受压的面弹性支承，模拟土弹性边界，通过一般支承建立结构横向与纵向的约束。按照混凝土断面的重心轴线确定单元及节点位置，模拟过程中不考虑结构抹角的影响。

采用Midas civil 2017进行结构分析计算。结构共3 732个板单元、共3 741个节点。结构整体模型如图3所示。

2.2 荷载作用

本管廊工程的竖向荷载包括结构自重、顶板覆土荷载、地面活荷载、水浮力及管廊恒荷载，水平向荷载包括水土侧向荷载(水土分算)和由地面超载引起的侧墙土压力，以及顶板临时施工堆载，收缩徐变，温度荷载[3]。

侧向压力按水土分算考虑，根据侧向土压力按静止土压力理论计算，水压力直接根据静水压力计算；分有水和无水两种情况进行水土分算。

其中，γ为土的自然密度；γ′为土的浮容重，γ′=γsat-γw;γw为水的重度；h1,h2分别为地下水位至地表和基地距离。

管廊可变荷载需要考虑地面活荷载、吊装孔吊车荷载标准值、水+电信舱顶板吊钩荷载标准值，并考虑其动力系数。

结构按甲类6级的人防荷载进行结构强度验算，并做到各个部分抗力协调。计算温度应力的影响。人防等效静荷载取值：顶板取60 kN/m2，底板取60 kN/m2，侧墙取30 kN/m2。

综合管廊的结构设计应符合现行GB 50009—2012建筑结构荷载规范中的作用及其组合、GB 50010—2010混凝土结构设计规范中的承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

组合主要考虑在永久荷载+可变荷载作用下，进行强度、裂缝及变形验算；在永久荷载作用下进行抗浮验算；在永久荷载+可变荷载作用下进行地基承载力验算。

其中，强度验算是在结构承载能力极限状态下按基本组合计算荷载组合的效应设计值；裂缝及变形验算是在结构正常使用极限状态下按标准组合、准永久组合计算荷载组合的效应设计值；抗浮验算时采用短期效应组合，不计车辆荷载，其抗浮安全系数不得小于1.05；地基承载力验算按照标准组合进行[4]，计算荷载组合分项系数按表1取值。

表1 荷载组合分项系数表

3 分析计算结果

3.1 抗弯计算

通过板单元精细化模型分析，底板和侧墙的内力均为有水条件下控制，从内力图中可以看出正负弯矩的最不利位置。整体结构受到两个上凸形的结构的影响，凸形结构的顶板以及水信舱的侧板双向板受力效应明显，双向板的跨中和支座的弯矩均较大，需要针对三维模型的计算结果，对双向板进行结构设计(见图4～图10)。对于其他位置的顶板及侧板非主力方向的弯矩较小，可以按照单向板进行结构设计，保证结构的经济性。

根据上述计算结果，管廊结构按照下列原则进行结构设计：

1)以下内力计算结果为所有荷载组合包络后的数值，本处仅给出荷载作用下结构内力云图及内力主要断面图。计算表格中数值按内力云图及断面图中控制点摘取。

2)管廊结构的顶板、底板和侧墙可按偏心受压构件设计、配筋，其中顶板和底板可按受弯构件设计、配筋(不计轴向力的影响)，二者取最不利工况控制设计。

3)管廊结构的顶板、底板和侧板应进行承载能力极限状态的承载能力(正截面强度和斜截面强度)和正常使用极限状态下的裂缝宽度的验算。

通过以上分析得到各部位配筋验算结果，其中配筋按每延米计算(见表2)。由表2可以看出，结构裂缝均小于0.2 mm，结构内力在抗弯承载力范围之内，均满足规范要求。

表2 各部位控制内力和配筋计算表

3.2 抗剪计算

通过计算分析，管廊底板和侧墙的剪力变化相对较小(见图11)，在保证构件安全的前提下，尽量统一布置吊筋，这样可以大大降低施工的难度，具有明显的经济效益。

本结构采用的吊筋间距400 mm×400 mm，中墙厚度为250 mm，其对应抗剪能力为236 kN，在中墙处最大剪力23 kN，满足抗剪承载力要求；其他位置最大剪力235 kN，厚度均为300 mm，相应的抗剪能力为299 kN，满足要求。

3.3 位移计算

通过板单元精细化模型分析，底板和侧墙的变形为有水条件下控制，最大变形为0.8 mm，出现在水信电力舱外墙的板中位置。本管廊采用混凝土闭合框架结构，结构刚度较大，构件变形挠度远小于限值，满足规范要求(如图12所示)。

4 结语

通过建立全结构板单元模型进行空间分析，考虑多种荷载条件工况，以矩形断面的管廊分支节点为研究对象，分析结构的内力与变形。在复杂的荷载工况下，针对综合管廊不同位置分别进行的受力分析，根据不同位置板的受力状态分别进行包络配筋计算。在确保地下结构的安全的前提下，通过精细化分析，降低结构的板厚，保证结构的安全性。