地下一体化结构零杆最优理论

2022-03-12王寿生

特种结构 2022年1期

王寿生

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

目前，大量建设的地下建筑物有轨道交通、地下商业、综合管廊、地下隧道等。综合管廊改变传统直埋方式，避免了重复施工、减小环境影响、增加管线安全性等。然而，单独的综合管廊建设存在协调管理难度大、维护成本高、易与各地下建（构）筑物冲突的问题，导致发展受到一定程度影响［1］。

城市地下隧道在城市核心区作为连接各地块的交通动脉，往往需要连接各个地块地下二层，甚至地下三层，导致了隧道整体埋深较大，覆土往往达到6m以上，需要设置空腔减小覆土荷载。文献分析认为利用空腔设置管廊能有效减缓地面沉降及不均匀性［2］。地下空间资源如采用一体化方案，巧妙地将空腔充分加以利用，与综合管廊共同建设，形成枢纽型地下结构，不仅节省了造价，更缩短了开发周期，解决了城市众多基础设施建设期过长的痛点。

在一体化设计方案中，中隔墙根据受力模式，可以分为拉杆、压杆以及零杆三种状态。实际工程中，三者皆有，主要与各个构件之间的刚度比相关，各有优缺点。压杆状态下，顶板与中板共同受力，形成转换体系，能优化顶板厚度但增大中板厚度；拉杆状态下，能优化中板厚度，但中隔墙作为竖向构件主要承受拉力较为不利，在地震作用下容易损坏；零杆则集两者优点，后文详细分析。

目前，国内地下隧道与综合管廊一体化设计进行了初步探索，如珠海市横琴第三通道工程、武汉王家墩商务区核心区环廊工程［3］、南京某地铁区间隧道与综合管廊合建工程［4］，但鲜有对结构优化设计的分析总结，本文以义乌老城区更新区块地下环路工程为实际案例，对一体化结构板厚进行优化分析，提出“零杆最优理论”，探索一体化体经济合理的结构形式。

1 工程概况

义乌老城区更新区块地下环路配套工程主要包含地下环路、综合管廊、地面道路及排水、海绵城市等，地下环路沿市政道路布置，首尾相连形成一闭合环路，单向三车道规模，逆时针交通组织，全长约2.0km，主要布置于地下B2层。地下环路上方设置环路通风道以及管廊，管廊的设备房间在局部节点结合环路的设备房间集中设置，为单孔双层暗埋箱涵结构，平均覆土约3m。结构净宽10.9m，地下一层净高2.5m，地下二层净高4.2m，标准断面如图1所示。结构尺寸如下：顶板800mm，侧墙800mm，底板1000mm，中板500mm，中隔墙300mm。结构设计使用年限100年，结构安全等级一级，采用C35混凝土，底板下为中微风化岩，采用天然基础。

图1 一体化结构典型断面Fig.1 Typical section of co-construct structure

2 结构优化分析

双层箱涵结构根据其荷载形式，主要有三种受力模式。其一，以顶板、侧墙及底板形成的矩形箱涵为主要受力体系，中板及中隔墙作为附属结构依附；其二，以中板、侧墙及底板形成的矩形箱涵为主，顶板可优化缩减至最薄，使得中板完全起转换作用；其三，介于两者之间。受力模式与荷载分布亦相关，本地下结构荷载主要包括：结构自重、吊顶装饰（1.5kPa）、顶板覆土（54kPa）、侧向土压力（51～173kPa）、水浮力（120kPa）、地面超载（20kPa）、管廊活载（5kPa）、侧向活载（10kPa），并根据地勘报告施加侧向弹簧及底部弹簧。因此，如何选择合理的受力体系关系到结构整体工程量。

结合工程经验，对结构进行分析计算，在控制各层板处于最优配筋率、不采用抗剪箍筋的条件下，得出满足给定荷载条件下（3m覆土、顶板考虑20kPa车行荷载）保证结构满足承载力及裂缝要求的板厚，并绘制顶板厚度、中板厚度-中隔墙轴力关系图，如图2所示。

图2 板厚与中隔墙轴力关系Fig.2 Relationship between the thickness of plates and the axial force of middle wall

从图2可以看出，中隔墙轴力在一定范围内，随着中板厚度增大而增大，随着顶板厚度增大而减小；当顶板厚度较大时，顶板厚度的增大对中隔墙轴力影响较小，因为顶板刚度大，此时中隔墙基本处于完全受拉状态。

从图3可以看出，当顶板厚度较小时，结构中板为转换板，尺寸较厚，中隔墙处于受压状态；随着顶板厚度增加，中板受力减小，尺寸也相应减小，在顶板厚度为800mm时，中隔墙处于零杆状态，即轴力接近于0，此时整体断面混凝土量最小；随着顶板厚度进一步增大，中板厚度无法进一步减小，且中隔墙处于受拉状态。就受力而言，应尽量减少混凝土构件轴心受拉情况，就混凝土用量而言，顶板厚度增加导致成本相应上升。从图4可以看出，混凝土量随着中隔墙轴力的增大呈V字趋势，在中隔墙轴力接近0时达到最低。

图3 顶板厚度-混凝土量关系Fig.3 The relationship between the thickness of top plate and the concrete quantity

图4 中隔墙轴力-混凝土量关系Fig.4 Relationship between axial force and concrete quantity

图5 给出了中板的最小厚度同时也是最优厚度，当中板承担起转换板的作用时，混凝土用量不断上升。从图6中可以看出，中板厚度／顶板厚度=0.5时，总混凝土量最低，同时该点也是中隔墙受力为零点，即零杆最优点，该数值为设计提供了初步估计依据，仍需要根据覆土厚度、地面超载情况进行调整。总体而言，通过定量计算分析可以得出，在中隔墙轴力为0kN时，结构总体工程量最低，即零杆最优理论。

图5 中板厚度-混凝土量关系Fig.5 Relationship between thickness of middle plate and concrete quantity

图6 中板厚度／顶板厚度-混凝土量关系Fig.6 Relationship between thickness of middle／top plate and concrete quantity

在零杆最优状态下，中隔墙与侧墙净距离分别为1.7m（单舱最小净宽）、3.0m、4.3m（给水及电力单舱净宽）、5.5m（结构中心位置）时，轴力分别为49kN（拉）、11kN（拉）、-7.5kN（压）、-13.8kN（压），如图7所示。从结果可以看出，除极端最小净宽状态下受力稍大，基本可以认为中隔墙受力变化不大，仍处于零杆状态，故中隔墙可以自由布置，提供了更大的灵活性。