綜合管廊人員出入口結構設計計算方法

王嘉偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

綜合管廊，是建于城市地下容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施[1]。它從根本上解決了由于敷設或維修管線而導致的道路重復開挖問題，為城市的發展預留了寶貴的地下空間。近年來，伴隨著綜合管廊的大面積建設，國內學者對于綜合管廊的開展了大量研究，在結構計算方面，主要集中在其抗震計算[2]、預制裝配式構件的性能參數[3-4]以及荷載計算方法[5]等，且大都針對管廊的標準段，較少涉及特殊節點的討論[6]。

由于管廊標準段的縱向長度較長，其壁板可按單向板進行考慮，設計過程一般采用閉合框架法進行簡化計算[1]。然而，部分特殊節點（如人員出入口、管線分支口等）由于廊內空間不足，平面內局部需外擴，且有大開孔，此時基于閉合框架法的二維計算模型的安全性和經濟性有待商榷。以某綜合管廊的人員出入口為例，本文采用Autodesk平臺下的有限元專業分析軟件Robot2016，通過對比二維簡化模型和三維精細化模型的計算結果，對以此為代表的特殊節點的結構設計計算方法進行探討。

1 工程概況

根據擬建區域的管線規劃、各類管線的入廊需求及綜合管廊的建設成本，本工程綜合管廊設計為單艙斷面形式，斷面尺寸及布置形式見圖1，斷面總尺寸為3.8 m（寬）×3.7 m（高）。管廊埋設于綠化帶下方，埋深為3 m。

圖1 綜合管廊標準斷面示意圖（單位：mm）

人員出入口為外部人員進出管廊的主要通道，可獨立設置，亦可與其他特殊節點合并設置。本工程人員出入口的總長度為15 m，總寬度為6.75 m（其中兩側挑板各0.6 m），總高度為7.39 m（其中地面以上1.04m），底板底埋深為6.35m，底板、中板厚550mm，頂板厚350mm，壁板厚500mm。頂板上翻部分為該節點凸出地面的主體結構，頂板和中板均設大開洞（6.32 m×1.0 m）以安裝鋼筋混凝土樓梯，節點見圖2。

圖2 人員出入口節點詳圖（單位：mm）

2 荷載取值方法

本管廊工程的豎向荷載包括結構自重、覆土荷載、地面超載、水浮力及管廊內活荷載，水平向荷載包括水土側向荷載和由地面超載引起的側向荷載。根據施工階段的不同，荷載組合工況有所差別。對比各種荷載組合工況，最終選擇所有荷載均考慮的工況為計算工況。各類荷載的計算過程如下：

（1）結構自重q1，主要為管廊主體結構的重量，混凝土重度按25 kN/m3由程序自動計算；

（2）覆土荷載q2，包括管廊頂板及底板挑出部分的覆土：

式中：γt為覆土重度，取為 18 kN/m3；ht為覆土厚度，視管廊埋深而定。

（3）地面超載q3，根據管廊在道路下方的位置不同，分別對應于地面汽車荷載（管廊位于道路下方）、地面綠化帶或景觀建設帶來的荷載（管廊位于綠化帶下方）、人行荷載（管廊位于人行道或非機動車道下方）等。盡管本工程管廊位于綠化帶下方，但是考慮到綜合管廊為百年工程，使用過程中可能出現意外超載，故q3取20 kPa。

（4）水浮力：

式中：γw為水重度，取為 10 kN/m3；hw為水深，本工程設計水位取為地面標高。

（5）管廊內活載q5，主要為管廊內支架及管線重量，考慮到本單體內設鋼筋混凝土樓梯，且可能出現較多人員出入的情況，q5取10 kPa。

（6）水土側向荷載q6，根據管廊擬建區域的土質情況，采用水土分算進行計算，其簡化算法為：

式中：γs可取為 13 kN/m3；hs為管廊埋深。

（7）由地面超載引起的側向荷載q7：

式中：βr為折算系數，可取為0.7。

3 結構設計計算

3.1 二維簡化模型

截取單位長度的人員出入口外擴段建立二維節段模型，采用二維梁單元模擬節點的壁板、底板、中板和頂板，結構與地基的相互作用采用桿-彈性基礎模擬，設置為單向彈簧，只提供向上的反力，地基土基床系數取為20 000 kPa，計算模型見圖3。此處并未考慮中板和頂板大開洞的影響，是由于洞口附近會設置框架梁（暗梁）補強，建模時可不考慮開洞對于板件強度的影響開洞兩側區域的板件建議根據其長寬比按單向板或雙向板單獨進行設計計算。

圖3 二維計算模型簡圖

3.2 三維精細化模型

以變形縫為界，建立整個人員出入口主體結構部分的三維精細化模型。采用三維板單元進行建模，設定最小網格尺寸為0.25 m，由程序自動生成四邊形網格，并進行網格平滑處理，以滿足工程設計要求。邊界條件的設置與二維簡化模型類似，計算模型見圖4。

圖4 三維計算模型簡圖

3.3 計算結果對比

綜合管廊為地下結構，結構主體直接與土壤和地下水接觸，且有一定的防水、抗滲要求，因此，規范中明確指出結構構件的最大裂縫寬度限值應小于或等于0.2 mm，且不得貫通[7]。大量工程實踐也表明，以正常使用極限狀態下的裂縫寬度作為控制指標，能滿足大部分項目的耐久性和安全性要求。因此，本文以截面彎矩作為主要研究指標，對人員出入口的受力特征進行分析探討。

圖5為本節點二維計算模型的彎矩計算結果。結構的傳力體系比較明確，底板和下半部分壁板為主要受力構件，頂板在地面堆載和側向水平荷載的協同作用下亦出現了較大的支座彎矩。

圖5 二維計算模型彎矩計算結果

圖6為本節點三位計算模型各板件主受力方向的彎矩云圖。對比圖5，可以得出以下論點：

（1）二維模型的計算結果能較好地反映出整個壁板、底板以及中、頂板支座區域的受力最不利部分（節段模型中部區域）在主要受力方向上的彎矩變化趨勢；

（2）中板和頂板大開洞附近區域存在較大彎矩，應進行結構加固，采用二維模型計算時，對該區域的板件，應根據其長寬比及洞口附近加固情況，進行單獨設計計算；

圖6 三維計算模型各板件主受力方向彎矩云圖

（3）由云圖可以看出，底板和右側壁板大部分為單向板，而剩余板件則有較大部分為雙向板，若根據二維模型按單向板設計，對此類區域可進行設計優化以降低造價。

進一步分析三維精細化模型的計算結果，可以發現，在中板的挑出部分和頂板縱向的角隅部分，均存在較大的非主受力方向的彎矩，見表1。前者是由懸挑板上的覆土重量引起的，而后者則是地面堆載和側面荷載協同作用下的產物。

表1 不同計算模型彎矩極值對比

4 結論

基于有限元分析法，本文分別建立了某綜合管廊工程人員出入口的二維平面框架模型和三維空間結構模型，對兩者在相同荷載條件下的力學分布特征進行了分析，得到以下結論：

（1）二維模型能較好地反映結構主受力方向的彎矩極值及變化趨勢，但是大開洞區域附近需做加強，且板件需根據支承情況獨立計算；

（2）底板和非外擴的壁板可整個作為單向板考慮，其余板件雙向受力的區域較大，可進行設計優化；

（3）中板挑出部分和頂板縱向角隅部分存在較大的非受力方向的彎矩，需進行加強。

地下綜合管廊，作為城市的“地下血管”，在結構設計計算方面應保留足夠的安全裕度，力爭打造“百年工程”。