综合管廊变形缝抗剪锚筋受力研究*

林雪斌 赵远清 祝年虎

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都610081

引言

综合管廊结构设计使用年限为100年，其主体结构均采用了较高的设计标准以满足使用要求。但综合管廊的变形缝部位，往往成为薄弱部位，由于地基不均匀、不均匀荷载等影响，会在变形缝部位出现沉降差、错动、漏水等情况，使廊内管线产生不可忽视的纵向应力［1］，影响正常使用。为了加强变形缝抵抗错动的能力，赵远清［2，3］等提出了变形缝设置抗剪锚筋的构造措施，经试验［2，3］研究证明该构造措施可以有效约束变形缝错动变形。

实际工程中已有项目［3］按照构造设置了抗剪锚筋，但未考虑抗剪锚筋在不同情况下受力的变化。

为系统研究抗剪锚筋在不同情况下的受力规律，本文选取综合管廊沿线变形缝处可能出现的多种典型情况，以及不同管廊舱数、宽度、覆土厚度、抗震设防烈度条件，分析变形缝处抗剪锚筋的受力的不同，为综合管廊变形缝抗剪锚筋的设计方法研究提供理论依据。

1 基础分析模型

1.1 原型结构

以2016年成都市天府新区某地下综合管廊为原型，设计了常见的单舱管廊基础算例。模型假定为成都地区，设计使用年限为100年，结构构件的重要性系数采用γ0＝1.1，安全等级为一级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，设计特征周期为0.45s，抗震设防类别为乙类，抗震等级为三级。其截面设计见图1。

1.2 模型建立

采用通用有限元软件Midas Gen建立计算模型，其中管廊各壁板及顶底板采用板单元建立，两节管廊变形缝间通过模拟抗剪锚筋的梁单元连接，一侧梁单元与管廊主体间采用释放梁端纵向约束模拟边界条件。所建立有限元模型见图2。

图2 有限元模型Fig.2 FE model

2 典型情况下的锚筋竖向受力分析

2.1 工况设置

按《城市综合管廊工程技术规范》［4］，综合管廊应在结构纵向刚度突变、上部覆土变化或下卧土层突变处设置变形缝，为了分析综合管廊沿线在典型情况下抗剪锚筋在变形缝处的受力情况，设定了5种工况。各工况下管廊标准段上部覆土厚度均为4m，地下水位均为地面下0.5m。

工况LC-1假定变形缝两侧地质条件发生变化，一侧为中风化岩石地基（模型中基床系数取值为220MPa），一侧为可塑粘土地基（模型中基床系数取值20MPa）。

工况LC-2假定变形缝一侧地基沉陷后出现局部脱空情况，模型中变形缝一侧5m长度范围内基床系数为0。

工况LC-3假定变形缝两侧纵向刚度突变，模型中变形缝两侧分别为单舱管廊及双舱管廊。

工况LC-4假定变形缝两侧纵向刚度突变，模型中变形缝两侧分别为管廊标准段及交叉口。

LC-5假定变形缝两侧上部覆土突变，模型中变形缝两侧分别为管廊标准段及带上部节点。

各工况设置见图3。

图3 工况设置Fig.3 Load cases

2.2 分析结果

按照5种工况分别进行建模分析计算，分析结果表明，侧壁各锚筋剪力大致相当，说明侧壁各抗剪锚筋协同作用抵抗竖向错动，而底板锚筋剪力明显大于顶板锚筋剪力，越靠近侧壁处剪力越大且均小于侧壁锚筋剪力，说明侧壁锚筋在抵抗竖向错动中作用更为明显。

统计各工况下侧壁和顶底板处抗剪锚筋最大竖向剪力及有无抗剪锚筋情况下变形缝间最大沉降差见表1。

表1 典型情况下抗剪锚筋最大竖向剪力及最大缝间沉降差Tab.1 Maximum vertical shear force and differential settlement of shear steel bar in different cases

抗剪锚筋抗剪承载力设计值为160kN，由表1可以看出：

（1）各工况下抗剪锚筋最大剪力均小于其抗剪承载力设计值，相较于无锚筋情况，有锚筋的各工况下变形缝间最大沉降差均明显减小，说明在各工况下该种抗剪锚筋设置方式均能有效抵抗管廊在变形缝处的竖向错动。

（2）除局部脱空工况外，其余工况下抗剪锚筋最大剪力均出现在侧壁位置，说明侧壁锚筋能更有效地抵抗管廊在变形缝处的竖向错动。

（3）5个工况代表了综合管廊通常设置变形缝的典型情况，其中工况LC-1中侧壁锚筋竖向剪力最大，选取工况LC-1进行进一步的参数分析。

3 不同设计参数下的锚筋竖向受力分析

3.1 参数组设置

为进一步研究设计参数下抗剪锚筋的受力情况，在原型算例的LC-1工况基础上分别设置了不同舱数、宽度、覆土厚度的比较算例，其中舱数变化组为单舱至四舱，宽度变化组为3.5m至6.5m，覆土厚度变化组为4m至8m。

3.2 分析结果

1.舱数变化

对以上各算例分别进行建模分析计算，不同舱数下各算例侧壁和顶底板处抗剪锚筋最大竖向剪力见表2。

表2 不同舱数抗剪锚筋最大竖向剪力（单位：kN）Tab.2 Maximum vertical shear force of Shear Steel Bar in different number of cabins（unit：kN）

由表2可以看出：

（1）各工况下侧壁抗剪锚筋最大剪力均小于其抗剪承载力设计值，说明在不同舱数条件下设置的抗剪锚筋均能有效抵抗管廊在变形缝处的竖向错动。

（2）两舱及以上时，顶底板抗剪锚筋在侧壁附近集中受力，竖向剪力明显大于顶底板其余位置锚筋竖向剪力且超过锚筋抗剪承载力，设计中应对侧壁附近的抗剪锚筋进行加强。

（3）不同舱数变化下侧壁抗剪锚筋承受最大剪力变化不大，说明不同舱数条件下侧壁抗剪锚筋可按照单舱条件下的受力情况进行设计。

2.宽度变化

不同宽度条件下各算例侧壁和顶底板处抗剪锚筋最大竖向剪力见表3。

表3 不同宽度抗剪锚筋最大竖向剪力（单位：kN）Tab.3 Maximum vertical shear force of Shear Steel Bar in different width（unit：kN）

由表3可以看出：

（1）各宽度下侧壁及顶底板抗剪锚筋的最大剪力均小于抗剪锚筋的抗剪承载力设计值。

（2）侧壁及顶底板抗剪锚筋的最大剪力随着宽度的增加而增大且基本呈线性变化关系，应考虑管廊最大舱室宽度进行锚筋设计。

3.覆土厚度变化

不同覆土厚度下各算例侧壁和顶底板处抗剪锚筋最大竖向剪力见表4。

表4 不同覆土厚度抗剪锚筋最大竖向剪力（单位：kN）Tab.4 Maximum vertical shear force of Shear Steel Bar in different covering depth（unit：kN）

由表4可以看出：

（1）各覆土厚度下侧壁及顶底板抗剪锚筋的最大剪力均小于抗剪锚筋的抗剪承载力设计值。

（2）侧壁及顶底板抗剪锚筋的最大剪力随着覆土厚度的增加而增大且基本呈线性变化关系，应考虑覆土厚度的变化进行锚筋设计。

4 地震工况下锚筋水平受力分析

为进一步考察锚筋在管廊变形缝处水平错动时的受力情况，采用纵向反应位移法分析管廊在6度（0.05g）设防至9度（0.40g）设防E2地震作用下锚筋水平剪力的变化。纵向反应位移法采用《城市轨道交通结构抗震设计规范》［5］6.8节中计算方法，其中竖向基床系数均采用50MPa，水平基床系数均采用5MPa，土层位移分布按照规范附录E取值，其中各设防烈度下地震动峰值位移见表5。

表5 不同设防烈度下地震动峰值位移（单位：mm）Tab.5 Maximum displacement under different seismic precautionary intensity（unit：mm）

分别对不同舱数管廊进行5个设防烈度下的纵向反应位移法计算，计算结果表明水平剪力主要由顶板及底板内锚筋承担，侧壁锚筋水平剪力均远小于顶底板锚筋水平剪力可忽略。各设防烈度下不同舱数管廊顶底板锚筋最大水平剪力见表6。

表6 不同设防烈度下锚筋最大水平剪力（单位：kN）Tab.6 Maximum horizontal shear force of Shear Steel Bar under different seismic precautionary intensity（unit：kN）

由表6可以看出：

（1）顶底板内锚筋最大水平剪力均出现在侧壁附近的锚筋，各侧壁附近锚筋水平剪力大致相当，其余锚筋水平剪力大致相当约为侧壁附近锚筋1/3，设计中侧壁附近锚筋直径宜大于其余普通锚筋。

（2）锚筋水平最大剪力随抗震设防烈度的增大而增大，其中侧壁附近锚筋抗震设防烈度大于8度（0.20g时）超过锚筋抗剪承载力，而其他位置锚筋在各抗震设防烈度下均小于抗剪承载力，说明按此方案设置的锚筋在抗震设防烈度大于8度（0.20g）时应加大。

（3）在相同抗震设防烈度下，锚筋水平剪力最大值随舱室的增大而减小，设计中可按最少舱数段进行水平抗剪锚筋的设计。

5 结论

1.综合管廊变形缝处设置抗剪锚筋能有效抵抗变形缝处的竖向错动，其中侧壁处设置的抗剪锚筋承担更大的剪力，对抵抗竖向错动的作用最明显。

2.综合管廊沿线变形缝处可能出现的地质条件变化及结构形式变化情况下抗剪锚筋受力差距不大，可参照地质条件变化工况进行设计。

3.侧壁抗剪锚筋承担的剪力在不同舱数下变化不大，但随管廊宽度、覆土厚度的增大而增大，但多舱管廊顶底板锚筋在侧壁附近剪力较大，在设计时应对侧壁附近顶底板锚筋进行加强。

4.不同设防烈度下主要由顶底板内锚筋抵抗水平错动，其中靠近侧壁处锚筋受力较大，各锚筋水平剪力随设防烈度的增大而增大，随舱数的增加而减小。抗震设防烈度较大时顶底板内侧壁附近锚筋剪力较大，为了廊内管线的安全，在设计时应对侧壁附近顶底板锚筋进行加强。