綜合管廊結(jié)構(gòu)出線口預制鋼構(gòu)件補強性能分析

摘" 要：隨著城市用電規(guī)模的增大，裝承電纜的地下綜合管廊普遍需要設(shè)置接駁口將電纜引出。傳統(tǒng)的接駁口施工方法多采用明挖法，具有施工周期長、施工困難的缺點。該研究基于廣州市某地下綜合管廊項目，提出一種新型預制鋼板接駁口構(gòu)件，并探究其在實際工作環(huán)境下的工作性能。研究表明，接駁口在鋼板厚度不超過10 mm、常規(guī)彈性模量的條件下，具有較傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土接駁口結(jié)構(gòu)更優(yōu)秀的工作性能。而相比鋼板本身，連接鋼板與管廊墻體的螺栓對預制鋼板接駁口的性能影響不大。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；接駁口；數(shù)值模擬；構(gòu)件補強；鋼板；螺栓

中圖分類號：TM757" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0126-04

Abstract： With the increase in the scale of urban electricity consumption， the underground comprehensive pipe gallery that carries cables generally needs to set up connecting ports to lead out the cables. The traditional joint construction method mostly adopts the open cut method， which has the disadvantages of long construction period and difficult construction. Based on an underground comprehensive pipe gallery project in Guangzhou， this study proposes a new type of prefabricated steel plate connection member， and explores its working performance in the actual working environment. Studies have shown that the joint has better working performance than the traditional cast-in-place concrete joint structure under the conditions that the thickness of the steel plate does not exceed 10 mm， the conventional elastic modulus， and the height of the steel plate groove is 150 mm. Compared with the steel plate itself， the bolts connecting the steel plate and the wall of the pipe gallery have little effect on the performance of the prefabricated steel plate connection.

Keywords： comprehensive pipe gallery; connection port; numerical simulation; component reinforcement; steel plate; bolt

電力纜線由于使用上的需求，常常要將電纜引出至地面、支線綜合管廊或電力隧道，因此綜合管廊內(nèi)電力纜線出線井的數(shù)量多且間距小。目前城市地下綜合管廊接駁口多由明挖法進行施工，管廊與出線井接駁口的施工多用現(xiàn)澆混凝土進行連接。而在中心城區(qū)采用明挖法施工時，存在施工工期長、施工困難的缺點。且綜合管廊接駁口結(jié)構(gòu)往往存在新舊混凝土澆筑材料與時間不同、工作井與管廊結(jié)構(gòu)尺寸相差較大的問題，這將導致工作井剛度與原有管廊結(jié)構(gòu)剛度的不同。

無論在施工開挖荷載條件下又或者是運營期間動力荷載條件下都會使管廊與出線井接駁口處出現(xiàn)較大的應(yīng)力現(xiàn)象，同時出線井中電力纜線的存在會給出線井井壁帶來一定的荷載，加劇原本就存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這就使得結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫，進而對管廊中的纜線造成破壞[1-3]。

根據(jù)論文中對排管敷設(shè)10 kV三芯電纜回路試驗的設(shè)計，電力纜線出線井的直徑一般小于1 000 mm[4]。因此，本研究根據(jù)現(xiàn)有工程需求，提出并設(shè)計一種適用于管廊接駁口直徑小于1 m的小型預制鋼板接駁口構(gòu)件，借助有限元軟件分析影響該構(gòu)件使用性能的因素。探究構(gòu)件在不同結(jié)構(gòu)形式下的工作性能，驗證不同直徑電力纜線出線井的預制接駁口鋼板構(gòu)件設(shè)計方案用于實際工程上的可靠性。

1" 新型預制鋼板接駁口構(gòu)件設(shè)計方案

1.1" 構(gòu)件設(shè)計方案

為避免現(xiàn)有的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)出現(xiàn)由于應(yīng)力集中導致的破壞，同時也為了節(jié)省現(xiàn)澆混凝土達到該有的強度所消耗的時間，本研究基于廣州某地下綜合管廊工程中直徑1 m的電力纜線出線井的工程背景，設(shè)計一種新型預制接駁口鋼板構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，與之對應(yīng)的墻體接駁口示意圖如圖2所示。

預制接頭鋼板形狀為管嘴型，從俯視圖上看形狀為圓環(huán)，從斷面圖上看形狀為對稱的雙L形。鋼板中心有直徑與墻體接駁口相等的圓柱管嘴形型鋼，高度超出管廊墻體厚度20 cm。并以中間接駁口圓形孔中心為圓心，分別在離圓心70 cm與105 cm處壓扎出2個環(huán)形凸槽，同時在2層環(huán)形凸槽的中心軸線上開挖多個螺栓孔洞。螺栓孔洞呈環(huán)狀均勻排列，2層環(huán)形凸槽中的螺栓孔洞數(shù)量相同。螺栓與鋼板之間用三元乙丙橡膠彈性密封圈與金屬墊片填充縫隙[5-6]。

預制接頭鋼板安裝前需要在管廊內(nèi)部墻體計劃開接駁口的位置鉆通圓形孔洞，并以中間接駁口圓形孔中心為圓心，分別在與預制接頭鋼板相對應(yīng)的墻體圓周處壓扎出2個環(huán)形凹槽，同時在2層環(huán)形凹槽的中心軸線上開挖多個螺栓孔洞，螺栓孔洞呈環(huán)狀均勻排列，2層環(huán)形凹槽中的螺栓孔洞數(shù)量相同。連接完成后的接駁洞口具體結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

1.2" 三維精細化模型的建立

基于預制接頭鋼板構(gòu)件與管廊墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，采用有限元軟件進行三維精細化建模。為分析影響預制鋼板加固性能的因素，需對螺栓、預制鋼板凹凸槽等細部構(gòu)造進行精細化建模。土體和管廊整體模型在X、Y、Z方向長度分別為30、2.4、30 m，中間的管廊模型在X、Y、Z方向長度分別為10、2.4、4.4 m。土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)，管廊墻體結(jié)構(gòu)與預制接頭鋼板結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)；土體、管廊墻體結(jié)構(gòu)與螺栓采用三維實體單元模擬，接頭鋼板結(jié)構(gòu)采用二維板殼單元模擬，三維計算模型如圖4所示。模型邊界條件設(shè)定為：頂面為自由面，側(cè)面約束水平位移，底面約束水平位移與豎向位移。在管廊結(jié)構(gòu)模型中，混凝土材料采用C40混凝土。此外通過界面接觸單元來模擬上下管廊間接頭的相互作用，其中接觸面剪切剛度模量為13.5×106 kN/m3，法向剛度模量為32.5×106 kN/m3[7]。

2" 不同鋼板厚度與剛度影響分析

本研究只探討接頭鋼板的施加對原本管廊接駁口結(jié)構(gòu)的影響，因此將忽略初始地應(yīng)力及出線井的開挖對模型的影響，將施工步驟的結(jié)果分3個階段進行分析[8]。a階段表示管廊結(jié)構(gòu)接駁口拆除部分管片并安置接頭鋼板時模型受力或位移的變化量；b階段表示施加出線井荷載時模型受力或位移的變化量；c階段為a、b 2階段增量之和，表示模型總受力或總位移的變化量。

2.1" 鋼板厚度參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響

鋼板厚度的不同會改變鋼板本身的強度，進而影響鋼板對管廊接駁口結(jié)構(gòu)的加固效果。為了探究不同鋼板厚度對管廊結(jié)構(gòu)接駁口與接頭鋼板整體結(jié)構(gòu)的影響，考慮到鋼板在實際工程上的制作規(guī)格，建立厚度分別3、5、10、15和20 mm的預制鋼板接駁口構(gòu)件三維模型進行分析計算。計算結(jié)果如圖5所示。

1）3個階段下管廊接駁口處應(yīng)力都隨著鋼板厚度的增加而減小，以c階段為例，厚度5 mm、厚度10 mm、厚度15 mm和厚度20 mm的鋼板相比于厚度3 mm的鋼板管廊接駁口處應(yīng)力分別減少了6.86%、20.39%、28.91%和34.86%。

2）3個階段下預制接頭鋼板應(yīng)力都隨著鋼板厚度的增加而減小，以c階段為例，厚度5 mm、厚度10 mm、厚度15 mm和厚度20 mm的鋼板相比于厚度3 mm的鋼板預制接頭鋼板應(yīng)力分別減少了11.90%、39.14%、48.59%和56.68%。

3）3個階段下螺栓最大應(yīng)力都隨著鋼板厚度的增加而先增加再減小。20 mm厚度的鋼板相較于10 mm厚度的鋼板，螺栓最大應(yīng)力略微下降。

通過上述分析，在考慮了管廊接駁口應(yīng)力、鋼板軸力及最大螺栓應(yīng)力等條件的前提下，應(yīng)選擇鋼板厚度大的鋼板構(gòu)件。但在實際工程運用上，鋼板厚度的增加會使得鋼板構(gòu)件的重量急劇增大，影響后續(xù)安裝的便利性，變相增加了工程的成本，因此在綜合考慮各方面前提下實際構(gòu)件設(shè)計方案可以選擇鋼板厚度不超過10 mm的預制鋼板構(gòu)件。

2.2" 鋼板彈性模量參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響

鋼板彈性模量的不同會改變鋼板本身的強度，進而影響鋼板對管廊接駁口結(jié)構(gòu)的加固效果。為了探究不同鋼板彈性模量對管廊結(jié)構(gòu)接駁口與接頭鋼板整體結(jié)構(gòu)的影響，考慮到鋼板在實際工程上的制作規(guī)格，分別建立彈性模量205、210、215、220和225 GPa的預制接頭鋼板三維模型進行分析計算，計算結(jié)果如圖6所示。

3個階段下，管廊接駁口處應(yīng)力都隨著鋼板彈性模量的增加而略微減小；預制接頭鋼板應(yīng)力都隨著鋼板彈性模量的增加而增加；預制接頭鋼板軸力都隨著鋼板厚度的增加而增大；鋼板彈性模量的變化對3個階段下管廊接駁口位移與螺栓最大應(yīng)力影響很小。

預制接頭鋼板軸力與應(yīng)力隨著鋼材彈性模量的增加而增加，一方面說明鋼材強度的增加會使得鋼板承擔更多的荷載，但另一方面管廊接駁口處應(yīng)力降低的幅度不大，即彈性模量的改變對管廊接駁口處應(yīng)力影響很小，只會影響預制接頭鋼板本身的應(yīng)力。因此在實際構(gòu)件的設(shè)計中并不需要考慮彈性模量的影響，使用常規(guī)鋼材即可。

3" 結(jié)論

本研究根據(jù)實際工程需要，針對綜合管廊在后續(xù)運營時要進行出線豎井施工的情況，提出一種新型預制接頭鋼板加固構(gòu)件設(shè)計方案，并基于該設(shè)計方案建立三維預制接頭鋼板與管廊接駁口結(jié)構(gòu)精細化有限元模型，分析預制接頭鋼板加固體系中鋼板與螺栓參數(shù)對加固效果的影響規(guī)律。主要得到的結(jié)論如下。

1）將接頭鋼板形狀設(shè)計為管嘴型，可以降低施工時將鋼板安裝入管廊接駁口位置的難度；凸槽的設(shè)計與螺栓的存在均可以使接頭鋼板與管廊接駁口緊密連接，在受到荷載時產(chǎn)生共同變形，讓預制接頭鋼板可以分擔管廊接駁口承受的荷載。

2）鋼板厚度與鋼板彈性模量的增加均可以使得鋼板自身抗彎強度得到增強，更好地起到分擔管廊接駁口處應(yīng)力的作用，因此可以顯著降低管廊接駁口處的應(yīng)力。而且鋼板厚度的改變對加固效果的影響遠大于鋼板彈性模量，因此在綜合考慮計算結(jié)果與造價成本等各方面前提下，實際構(gòu)件設(shè)計方案可以選擇厚度不超過10 mm與常規(guī)彈性模量的鋼板。鋼板凸槽深度的改變會影響管廊接駁口處墻體應(yīng)力的分布，鋼板凸槽深度的增加會一方面降低開口內(nèi)環(huán)所受應(yīng)力，但另一方面也會增大開口外環(huán)所受應(yīng)力。

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