某综合管廊交叉口节点结构有限元分析

某综合管廊交叉口节点结构有限元分析

崔建鑫

（中铁第五勘察设计院集团有限公司天津300110）

摘要：地下综合管廊节点布置复杂，采用传统的分解构件模式或“闭合框架模型”平面计算与结构实际受力偏差较大。本文运用midasgen软件，建立综合管廊交叉口节点三维模型，计算结构在不同荷载组合的工况下的结构自身的强度，刚度以及地基的承载力、稳定和变形，为结构设计提供可靠依据。

关键词：综合管廊交叉口；荷载组合；有限元计算

一、概述

地下综合管廊，是将电力、通讯、燃气、供水排水、热力等各种管线集于一体，在城市道路的地下空间建造的一个集约化的隧道，并按规定设有出入口、逃生口、吊装口、通风口、交叉口等，是一种城镇综合管线工程。行业内统称这些“口”为节点，以区别于管廊标准段设计。考虑到内部空间的有效利用率，项目主要采用矩形截面形式。

标准段为平面应变模型，可以采用常规静力计算手册，或者计算软件如理正等，建立二维受力模型来分析计算。而节点为三维受力模型，简化为二维模型计算将与实际误差较大，此时可采用有限元软件整体建模分析，找出结构在最不利工况下的控制内力，指导设计。

二、工程概况

本工程位于江西省新余市，综合管廊为三舱结构，分别为污水舱、综合舱、燃气舱。设计断面尺寸10.5m×3.4m，覆土厚度不小于3m，敷设于祥云东路北侧绿化带下，标准横断面如图1所示。拟建交叉口位于祥云东路与规划张合路交口，张和路管廊规划断面尺寸5.9m×3.4m，交叉口处，张和路管廊位于祥云东路管廊下方，且考虑后期管线引出功能，底层设置管线引出舱室，交叉口底层平面尺寸为19.0m×11.0m，净高2.6m，二层平面尺寸为19.0m×17.6m，净高2.6m，上下两层管廊垂直相交布置，交叉口平剖面布置如图2所示。

根据地勘报告，本工程所在场地土层从上至下依次为：①杂填土，平均厚度约1.78m；②1层粉质黏土，厚度约0.8-14.3m，fak=150KPa，Es=4.25Mpa；③1层粉质黏土，厚度约4.6-13.60m，fak=200KPa，Es=8.35Mpa等。本工程基础以③1层粉质黏土为持力层，基础埋深9.6m。

图1管廊标准横断面

管廊主体结构采用C35防水混凝土，抗渗等级P6。主受力钢筋采用HRB400级钢筋，强度设计值fy=360N/mm2。

本地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅱ类。根据GB50838－2015城市综合管廊工程技术规范，综合管廊的抗震设防类别为乙类，设计使用年限100年，结构安全等级一级。

根据地勘报告建议，地下水位较高，设计抗浮水位取至室外地面以下1m。

图2交叉口平剖面图

三、荷载条件及荷载组合

1、荷载条件：

①永久作用：结构自重、覆土荷载、侧向土压力、侧壁管线荷载、底板管线荷载等。②可变作用：地下水压力、地面堆载、汽车荷载、检修荷载等。③偶然作用：地震荷载。

2、荷载组合：

根据《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）附录C，《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）10.0.2条，按城-A车辆荷载，四个轮压（单排）扩散到3m深度的竖向轮压标准值为9.27KN/m2，小于地面堆载标准值（10.0KN/m2），荷载组合时二者取大，取10.0KN/m2。

不同文献的荷载基本组合的分项系数及组合值系数分列如下：

由上表对比可知，同样几种主要的荷载种类，文献3的荷载基本组合最为不利，为结构计算的控制内力组合。

另，考虑侧壁管线荷载6KN/m2，底板管线荷载5KN/m2，检修荷载5KN/m2。

管廊的地震作用效应与其它荷载效应的组合近似按《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB50032-2003）要求计算。

验算基础抗浮稳定时，采用承载力极限状态下的基本组合，但其分项系数均为1.0；验算地基承载力时，采用正常使用极限状态下的标准组合；验算结构承载力时，采用承载力极限状态下的基本组合.

四、节点的有限元建模计算

本文采用midasgen中板单元模拟该节点的隔墙及底板、顶板，网格尺寸按照0.8m×0.8m自动划分。按上一节荷载种类施加荷载，其中地基土的侧向土压力系数取0.5。地基土对结构的约束，以基床系数的方式施加：竖向基床系数按20000KN/m3。建立的有限元模型如图3所示。

图3有限元模型

1、抗浮验算

根据《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）第8.1.9条，抗浮稳定安全系数为1.05。抗浮计算分析结果如图4所示，在模型抗浮荷载组合下，单节点竖向土压力最大为-5.26KPa＜0，抗浮满足要求。

图3抗浮组合土压力

图4标准组合土压力

2、地基承载力验算

标准组合下验算结构的地基承载力，土压力等值线图如图５所示。从图中图例可看到，地基反力不均匀分布，反力最大为-74.7KPa，发生在底层管廊与标准段相接处；反力最小为-6.79KPa。以上反力均小于fa，满足规范要求。

3、结构内力计算

经比较，相比其他荷载组合，《现浇混凝土综合管廊》17G201中所列的荷载基本组合最为不利，为结构计算的控制内力组合。顶、底板及侧壁两方向的设计弯矩如图5所示。

图5基本组合下Mxx（控制内力）

图6基本组合下Myy（控制内力）

地下管廊有周围土体和围岩的约束，一般地震作用效应参与的基本组合都不起控制作用。本工程地震作用效应参与的基本组合，小于持久状况下的基本组合，非控制内力组合。依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011-2010），本工程按抗震等级三级采取抗震构造措施。后期设计中，按照上述控制内力，并考虑裂缝宽度限值的要求（0.20mm）进行配筋设计。

五、结论

本文找出综合管廊设计的一般性控制内力，并采用midasgen软件对综合管廊节点进行完整的结构计算分析，可供广大技术人员参考。

参考文献：

[1]GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，2015

[2]17GL201现浇混凝土综合管廊.[S]中国计划出版社，2017

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2016

[4]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011

[5]CJJ11-2011城市桥梁设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011

[6]GB50332-2002给水排水工程管道结构设计规范[S]．

[7]GB50032-2003室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范[S]．

[8]给水排水工程结构设计手册（第二版）［K］．中国建筑工业出版社，2011

[9]荣哲，孙玉品．工业建筑［J］．2013，43（增刊）：230-232

[10]雷苏文，贾东林．某综合管廊通风口节点结构空间整体分析［J］．2017，34（5）：17-21