管壁厚度对双圆型地下综合管廊受力性能影响研究

阎磊 李宏伟

前言

本文结合《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2014）[1]和《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）[2]的要求，设计出了三横隔板-单竖板双圆地铁车站综合体结构构型。在满足规范的前 提下调整横隔板的位置，以便更加灵活、高效的对综合体的内部空间进行利用[3]。使用有限元软件ABAQUS进行建模，对应力云图、位移矢量图、最大正弯矩、最大负弯矩、最大轴力和最大相对位移的数据进行分析比对，分析不同管壁厚度参数变化对双圆形地下综合管廊管片的受力性能有怎样的影响，从而调整出受力性能最为合理，最能节约资源的结构构型。双圆型地下综合管廊将多项基础设施结合到一起，既减少资源的浪费，又提高地下空间的利用效率，切实有效的缓解城市的道路堵塞问题[4]。

1 双圆形地下综合管廊设计

为满足实际需要，所建模型的双圆形管片外径R=7m，内径r=6m，单环管片宽为3m，双圆中间隔板厚为1m，内部隔板均设计为厚0.3m，假定管片埋深为10m。分别取管壁厚度值为0.5m，0.6m，0.7m，0.8m，0.9m和1m，通过改变综合体管壁的厚度参数，分析该种结构构型在不同厚度参数下，其受力性能会受到怎样的影响；随着管片管壁厚度的缩小，管片的受力性能是否仍然能够满足要求。

2 模型建立

模型采用修正惯用法，忽略接头和错缝拼接的影响，假定管片为均质圆环进行建模。修正惯用法的基本思路是将整个片环的刚度视为不变的，引入了抗弯刚度有效率η（η<1，一般取0.6～0.8）和弯矩增减率ζ。在土木学会及日本下水道协会《盾构工程用标准管片（1990年版）》中，对平板形管以η=1，ζ=0为主进行处理，η=0.8，ζ=0.3供参考[5]。本文所取土壤参数和水文资料源自沈阳市地下综合管廊南运河段实测土壤参数.

论文中土侧压力值采用沈阳市综合管廊南运河段实测的土侧压力系数。侧向土压力的值是竖向土压力与侧向土压力系数的乘积。参照土壤参数利用太沙基（Terzaghi）公式计算出管片的荷载，见表1。

表1 土荷载Table 1 Soil load

荷载名称 顶部荷载（kPa） 底部反力荷载（kPa） 侧向荷载（kPa）

荷载大小 141.22 208.35 70.61

为了简化计算过程，把水压力分解为垂直方向水压力和水平方向土压力，叠加到同方向土压力上进行计算分析。

3有限元模拟结果

3.1对应力云图进行分析

在有限元软件ABAQUS中分别建立模型并对模型分别进行计算后，得到各个模型在相同荷载条件下的应力云图1如下：

对应力云图进行比较和分析可以看出，随着地下综合管廊管壁厚度的由1m逐渐减小到0.5m，当地下综合管廊受到的荷载不变，管片上受到的应力越来越大。应力主要集中在上下两个鸥翼处。

3.3 对最大正弯矩和最大负弯矩的分析

最大正弯矩和最大负弯矩出现位置并不随地下综合管廊管壁厚度的降低而改变。最大正弯矩出现的位置在地下综合管廊下鸥翼处，最大负弯矩出现在管片中部。并且在结构的相同或相近位置不会同时出现最大正弯矩和最大负弯矩。同时应对最大负弯矩出现的管片中间部位进行重视，防止其局部出现过大弯矩导致管片损壞进而引发整个结构的破坏造成损失。结果如表2所示：

对比壁厚为1.0m、0.9m、0.8m和0.7m时管片上的最大正弯矩和最大负弯矩，可以看出随着管壁厚度的降低，管片上的最大正弯矩和最大负弯矩都逐渐增大。

对比壁厚为0.6m和0.5m的综合体管片上的最大正弯矩和最大负弯矩可以看出随着管壁厚度的降低，管片上的最大正弯矩和最大负弯矩不再继续增大，而是基本不变或略有降低。

最大正弯矩增大趋势和最大负弯矩增大趋势相比，在相同的荷载下，最大正弯矩增大更多。相同条件下，管片上的最大负弯矩大于最大正弯矩。

3.4 对最大轴力进行分析

最大轴力值见表2，并绘制综合体管片最大轴力的变化图如2：

对比壁厚为1.0m、0.9m、0.8m、0.7m和0.6m时管片上的最大轴力，可以看出随着管壁厚度的降低，管片上的最大轴力逐渐降低；

对比壁厚为0.6m和0.5m的综合体管片上的最大轴力可以看出随着管壁厚度的降低，管片上的最大轴力不再继续降低，而是基本不变或略有降低；表示随着管壁厚度的减少，地下综合管廊管片在拼接后，每一环受到土壤等荷载时，在轴向对相邻片环的压力逐渐减小。

3.5 对变形量进行分析

从ABAQUS中调取地下综合管廊在不同管壁厚度时管片上中央隔墙下方的相对位移数据，绘制图3进行比较分析。

从图3可以看出，随着管壁厚度的减少，管片上受到的土荷载不发生变化，相应受到的应力不变。由于只改变了管壁的厚度，中央隔墙的厚度不变，在荷载不变时，中央隔墙下方的变形量不变；随着管壁厚度的减少，管壁的变形量逐渐增大，提取出的中央隔墙下方的相对位移逐渐增大。在埋深为10m的相应土荷载下管壁厚度0.5m的地下综合管廊变形量仅在1.2×103mm左右，完全能够满足受力需要。

4 结论

（1）相同荷载作用下，随着双圆型地下综合管廊管壁厚度的由1m逐渐减小到0.5m，管片上受到的应力越来越大，应力主要集中在上下两个鸥翼处；管壁的变形量逐渐增大，中央隔墙下方的相对位移逐渐增大。

（2）最大正弯矩和最大负弯矩出现位置并不随地下综合管廊管壁厚度的降低而改变。最大正弯矩出现的位置在地下综合管廊下鸥翼处，最大负弯矩出现在管片中部。随着管壁厚度的从1.0m降低到0.7m时，管片上的最大正弯矩和最大负弯矩都逐渐增大。而壁厚为0.6m和0.5m的管片上的最大正弯矩和最大负弯矩不再继续增大，而是基本不变。

（3）对比壁厚为1.0m、0.9m、0.8m、0.7m和0.6m时管片上的最大轴力，可以看出随着管壁厚度的降低，管片上的最大轴力逐渐降低。壁厚为0.6m和0.5m的最大轴力不再继续降低，而是基本不变。

参考文献

[1]重庆交通科研设计院有限公司.JTG-D70-2014 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.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.

[3]Yao Y，Zhang J，Tao J，et al.Safety Problems in Crowded Underground Space in Beijing[J].Procedia Engineering，2012，45.

[4]Qihu Q.Present state，problems and development trends of urban underground space in China[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research，2016，55.

[5]石少刚.施工荷载下盾构隧道管片力学响应分析[D].哈尔滨工业大学，2014.

（作者单位：沈阳市建设工程质量监督站）