腋高尺寸對雙倉管廊受力性能的影響分析

劉 芳 唐華春

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

0 引言

城市地下管線綜合管廊是城市建設現代化、科技化、集約化的標志之一，也是城市地下空間充分利用的象征，更是城市公用管線敷設綜合化、廊道化的發展新趨勢[1]。

歐洲19世紀就在一些相對發達的城市建造城市綜合管廊，而我國的管廊建設起步較晚，對管廊建設的研究主要集中在政策和管理上，對管廊合理的結構設計研究不多。管廊的結構形式有現澆式和預制式，按空間劃分有單倉管廊和多倉管廊。本文針對某地一個預制雙倉綜合管廊，研究了不同的角點腋高對管廊的受力、變形的影響。

1 地下綜合管廊有限元模型的建立

1.1 工程概況

本文分析的管廊為某地地下綜合管廊，主體結構為預制雙倉管廊，剖面圖以及結構尺寸如圖1所示。C1,C3,C7,C8,Y1,Y2,Y3,Y4為混凝土應力測點；P1,P2,P4以及位于管廊左上角頂部的P9為位移測點；R2鋼筋應力測點在Y4頂板上層鋼筋處，R4鋼筋應力測點為中部下層鋼筋處，R7位于隔板與頂板節點上部鋼筋處，R9位于中部下層鋼筋處。

1.2 本構模型的選擇

混凝土的本構關系是混凝土材料受荷之后的應力應變關系，ABAQUS中混凝土本構模型有彌散裂縫模型，脆性破裂模型和塑性損傷模型。本文選用混凝土塑性損傷模型CDP(Concrete Damaged Plasticity)，混凝土損傷塑性模型可以較好地預測鋼筋混凝土構件的抗彎和抗剪性能及其破壞特征[2]。混凝土應力應變曲線如圖2所示。采用混凝土塑性損傷模型進行有限元分析時需要設定5個材料參數，綜合考慮分析結果的收斂和分析過程的效率[3]，其取值如表1所示。

表1 CDP模型參數取值

管廊主體結構中的鋼筋采用ABAQUS中內置的彈塑性模型(CDP)，鋼材的本構關系為雙折線模型[4]。

1.3 建立計算模型

模型構件的沿縱向拉伸1.2 m，與土體接觸面的鋼筋保護層厚度取50 mm，角點腋高分為三組，第一組為150 mm×150 mm，第二組為200 mm×200 mm，第三組為250 mm×250 mm。頂板荷載為90 MPa，兩側壁簡化施加等效均布荷載64 MPa，地基反力163 MPa；混凝土的單元類型采用C3D8R，鋼筋的單元類型采用T3D2；對底板與兩側板、中間隔板節點處的底面進行固結約束[5]；管廊底板和頂板采用楔形掃掠劃分網格，鋼筋采用自由網格劃分網格，其余部分采用六面體結構劃分網格，模擬在相同的荷載下，不同的腋高對相應觀測點的影響程度。

2 計算結果分析

2.1 管廊主體結構變形分析

圖3為不同角點腋尺寸管廊主體變形圖，不同腋高尺寸的變形極值見表2。

表2 變形極值mm

腋高尺寸150×150200×200250×250Umax2.282.161.95

從管廊主體變形云圖可以看出，廊體左側發生的變形大于右側廊體發生的變形。撓度最大處在左側底板的中部，其次是左側板和頂板，分別產生了向左和向下的撓度。隔板處產生了向右的撓度，并且隨著角點腋高尺寸的增加，發生變形的區域有所增加。由于荷載呈對稱分布，角點腋高的改變對P1,P2,P4,P9的影響很小，P1和P4的位移有減小的趨勢，P2和P9無明顯變化趨勢。在荷載相同的情況下，隨著角點腋高尺寸的增大，左跨底板中部的位移有減小，最大值為2.28 mm。根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范中表3.4.3 受彎構件的撓度限值[6]，當l0<7 m時，撓度限值介于l0/250和l0/200,4 800/250=19.2 mm。即在正常使用的情況下，管廊產生的撓度小于規范限值。

2.2 綜合管廊結構混凝土應力分析

圖4為混凝土應力圖，各腋高尺寸的混凝土應力極值見表3。

表3 混凝土應力極值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax10.328.7558.4

從混凝土的應力云圖可以看出，左側廊體角點的受力比較復雜，尤其在隔板與頂板和底板相交處，存在應力集中，最大應力達到了10 MPa，其產生的原因是因為底部施加的固端約束。在C3處的混凝土拉應力在2.5 MPa左右，超過了混凝土的軸心抗拉強度標準值。由于頂板和底板左側所受的載荷比右側大，在隔板的右側產生了負彎矩，使得板面的混凝土產生了拉應力。另外，由于隔板兩側的彎矩不同，使得隔板左側受壓，右側受拉。

2.3 主體結構鋼筋應力分析

圖5為鋼筋的應力云圖,各腋高尺寸的鋼筋應力極值如表4所示。

表4 鋼筋應力極值MPa

腋高尺寸150×150200×200250×250Smax251.0230.5218.5

從鋼筋的應力云圖可以看出，管廊左側的鋼筋應力大于右側鋼筋應力，在廊體和隔板左下角點都出現了較大的鋼筋應力值。而在廊體右側，由于跨度較小，鋼筋的應力分布均勻，沒有出現較大的應力，由于有負彎矩的影響，右側頂板的底部鋼筋出現了壓應力，各角點的加腋鋼筋也處于受壓狀態。隨著角點腋高尺寸的增加，左下角點的鋼筋應力最大值從251 MPa下降到了218 MPa。其余觀測點的數據見表5。

表5 其余觀測點應力數據 MPa

3 結語

本文對某綜合管廊結構設計方案結合有限元分析軟件ABAQUS進行精細化建模，把不同的角點腋高尺寸作為變量，分析在相同的載荷情況下其對管廊的結構變形、混凝土和鋼筋的應力進行了分析，得出的結論如下：

1)在正常情況使用下，管廊的最大變形小于規范的限定值。

2)廊體有多處混凝土的拉應力接近及超過軸心抗拉強度標準值，說明在極限荷載作用下已經開裂，廊體混凝土的壓應力沒有超過抗壓強度標準值，滿足設計要求。

3)本項目設計采用HRB400鋼筋，各截面的鋼筋應力小于設計值，滿足設計要求。

4)建議角腋從隔頂板和底板的反彎點開始布置，能夠進一步改善角點處的混凝土受力。

5)由于雙倉管廊空間利用的限制，建議隔板采用高一標號的混凝土，增強其抗壓和抗彎性能。