现浇混凝土管廊变形缝变形对内部管线影响研究*

谢欣 王建 王恒栋

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

综合管廊也称为共同沟，是一种能够将电力、输水、通信、燃气等市政管线汇集在一起的重要城市基础设施。相较于传统的直埋式管线，综合管廊能够方便地进行管线维护，减少管线维修保养对道路的影响［1－3］。鉴于以上优势，城市地下综合管廊近年来在我国许多城市都得到了应用和推广，综合管廊的安全运营也越来越受到人们的关注。

地下综合管廊在结构形式上与隧道相似，出于成本的考虑综合管廊多采用明挖法施工，上覆土厚度相对较浅。这也使得管廊容易受到地表超载、周边施工活动、地层变异等因素的影响，引起管廊和其内部管线的不均匀沉降［4－7］。同时，由于管廊变形缝的存在，使得现浇混凝土管廊沿纵向沉降曲线是非连续的。局部接头可能会出现较大的变形，从而对管线的受力造成很大程度的影响。可见，建立管廊接头变形与内部管道受力之间的关系对于保障管廊安全运营非常重要。然而目前针对这方面问题的研究不够深入，本文针对现浇混凝土管廊及其内部管线，运用有限元计算方法模拟了管廊纵向接头张开和错台两种变形模式，分析了球墨铸铁管受力随接头变形的变化规律，并比较了不同支墩间距下管道的受力变形特征。

1 综合管廊纵向变形分析要点

管廊的纵向接头（变形缝）通常采用橡胶止水带以及填缝板构造，接头处填缝板和止水带的弹性模量要明显小于现浇混凝土，因此往往成为管廊结构的薄弱环节［8，9］。由于接头刚度小于混凝土刚度，当管廊纵向出现不均匀沉降时变形缝往往会出现局部的大变形，如张开、错台、扭转等［10，11］。其中，以接头张开和错台这两种接头变形模式对管廊内部管线的影响最为严重。

当综合管廊接头处沉降量大于两侧管节的沉降量时，往往会出现底部变形缝张开的现象。同时，一些刚性管道通常会敷设于管廊底板，底板变形缝的张开会使管道出现拉伸，同时由于两侧管廊发生了相对转动，使得管道在两侧支墩处受到方向相反的两组弯矩作用，支墩间的管道整体上呈现拉弯状态，如图1a所示。根据结构力学可知，两侧支座处转角为α时，则底部接头出现固定的张开量w。根据几何关系可知，管道纵向受力要受到支墩间距δ的影响，管廊底部接头张开量w相同时，支墩间距越小，其线刚度越大，管道所受弯矩越大。

接头两侧管节沉降不一致时，接头处会发生错台，错台量为h，如图1b所示。理想状态下，将管线看作是两端受到弯曲约束的梁，其错台量h与支墩差异沉降Δs相等，其最大弯矩应和错台量h呈正比，并与支墩间距δ呈反比。然而在实际工程中，考虑到管廊和支墩并不是完全刚体，并且支墩和管道的连接也不是完全刚性的，因此要与理想状态有一定的出入。同时管道结构与杆件在实际受力上存在明显不同，通过结构力学计算得到的弯矩值和实际弯矩值会有一定的差异。

图1 管廊变形模式Fig.1 Deformation of the utility tunnel

2 有限元计算模型

为了定量分析接头张开与错台两种变形对管道受力的影响，利用ABAQUS建立了双舱综合管廊与管线的有限元计算模型。考虑了支墩间距对管道变形的影响，构建了4组不同支墩距离δ的计算模型（2m，4m，6m，8m），不考虑管内液体对管道受力与变形的影响。

2.1 几何模型与材料参数

管廊结构由四段独立的管节构成，每段管节均采用实体单元构建，其尺寸与实际管廊尺寸相同，具体尺寸如图2a所示。管廊为混凝土结构，材料参数根据C30混凝土选取，即：混凝土密度为2400kg／m3，弹性模量30GPa，泊松比为0.2。变形缝位置的中埋式止水带和填缝板相对于混凝土弹性模量较小，其对接头刚度的影响可以忽略不计。因此管节与管节之间可以简化为硬接触，接触面摩擦系数取0.6。

管廊内部管线建模参考DN800球墨铸铁管线，外径842mm，壁厚11.7m，不考虑管线接头。管材密度为7050kg／m3，弹性模量取169GPa，泊松比0.275。球墨铸铁管道通过混凝土支墩安装于管廊底板上，混凝土支座高0.3m，宽0.6m，材料参数与管廊结构相同。支墩在管廊接头两侧对称布置，间距为δ，支墩与管廊和管道之间协调变形，不考虑其间的错动和滑移，如图2b所示。

图2 管廊与管道有限元计算模型Fig.2 Finite element model of the untility tunnel and the internal piplines

2.2 加载形式

模型的加载分为两步，分别对应于管廊回填与局部施加荷载。在土体回填过程中，对管廊施加重力、土压力以及土抗力。顶部土压力按照2m覆土选取（34kPa），侧向土压力系数取0.6。管廊周边地层参考软黏土，基床系数按照经验取值取2000kN／m3。其次对模型进行局部加载，通过在不同位置施加均布荷载来模拟管廊接头的张开与错台，具体加载部位如图3a所示。图3a中在接头2两侧各5m范围内施加竖向均布荷载，并采取分级加载形式，每级荷载按照1m土体重量（17kPa），全过程共施加10级荷载。图3b中在管节3上施加均布荷载，同样采用10级加载，每级荷载17kPa。

图3 管廊几何模型Fig.3 Geometric model of the utility tunnel

3 有限元计算结果

利用建立的有限元计算模型，分别对接头张开和错台情况下管道受力变形进行计算。分析不同变形模式下管道的受力变形规律，并对不同支墩间距条件下的计算结果进行对比研究。

3.1 接头张开

管廊在回填过程中，纵向受力较为均匀，底部接头处于闭合阶段，管道纵向拉应力近似为零。从图4可以看出，随着局部荷载的施加管廊底部接头呈张开状态，接头两侧的支墩有明显的下沉和转动。管道上部受压下部受拉，且拉应力远大于其上部拉应力，说明管道在支墩作用下呈现拉弯受力状态。

图5 表示的是w＝7mm时管道下部的纵向应力σ分布规律。图中可以看出，管廊纵向变形引起的管道拉应力主要发生于两侧支墩范围内，应力分布较为均匀，支墩外侧受到影响相对较小，基本上在20MPa以内。同时，从图中可以反映出支墩间距δ对最大拉应力的影响较为显著，当δ从2m增加至8m时，σ可以由160MPa下降至60MPa，从而有效改善管道的受力性能。

图4 底部接头张开状态下管道纵向应力云图（单位：Pa，δ＝6m）Fig.4 Longitudinal stress of the pipelines under the joint opening state of the utility tunnel（unit：Pa，δ＝6m）

图5 管道纵向应力分布（w＝7mm）Fig.5 Longitudinal stress of the pipeline（w＝7mm）

从有限元计算结果中可以得到管道最大拉应力与底部接头张开量之间的对应关系，如图6所示。球墨铸铁管最大拉应力与接头张开量大致呈线性关系。当支墩间距为2m时，接头张开量每增加1mm，管道最大拉应力增大21.36MPa。相较而言，当支墩间距改为8m后，接头张开量每增加1mm，管道最大拉应力增长值为8.74MPa，下降了60%。因此在实际工程中，出于管道受力的考虑管廊接头两侧支墩间距不宜太小。

3.2 接头错台

随着管节上竖向均布荷载的增加，接头错台逐渐增大，接头两侧支墩发生差异沉降。在支墩约束力作用下，管道呈S型变形，在支墩位置出现较大的拉应力和压应力，如图7所示。

通过线性插值得到错缝宽度为19mm时的管道上部的纵向应力分布图，如图8所示。管道纵向拉应力沿管廊方向呈S形分布，变形缝位置为拉压应力的分界点，最大拉应力均发生在与支墩连接处。当支墩间距由2m增加至8m时，最大拉应力由150.48MPa降低至43.95MPa，最大压应力由167.6MPa降低至45.8MPa，使受力性能得到了显著的改善。

图6 管道最大拉应力与张开量的关系Fig.6 Relationship between the maximum tensile stress and the joint opening value

图7 接头错台状态下管道纵向应力云图（单位：Pa，δ＝6m）Fig.7 Longitudinal stress of the pipelines under the joint dislocation state of the utility tunnel（unit：Pa，δ＝6m）

图8 管道拉纵向应力分布（h＝19mm）Fig.8 Longitudinal stress of the pipeline（h＝19mm）

分别将管道最大拉应力和错台量提取出来，得到二者之间的变化规律如图9所示。最大拉应力与错台量之间呈线性关系，当支墩间距为2m时，接头错台每增长1mm，管道纵向最大应力增加7.92MPa。而当支墩间距增加到8m时，接头错台每增长1mm，管道最大应力增加量为2.33MPa。计算结果表明，对于错台变形模式，适当增大接头两侧支墩距离也是有效改善管道受力的可靠方法。

图9 管道最大拉应力与错台量的关系Fig.9 Relationship between the maximum tensile stress and the joint dislocation value

4 结论

1.管廊接头的张开会使管道处于拉弯状态，接头两侧支墩之间的球墨铸铁管纵向应力增加明显。球墨铸铁管的最大应力随着接头张开量的增加而增大，两者之间存在线性关系。

2.管廊接头的错台使两侧支墩出现差异沉降，从而使球墨铸铁管出现S型变形，管道最大拉应力发生于支墩连接处。在错台变形模式下，球墨铸铁管的最大拉应力与接头错台量呈正相关，两者服从线性关系。

3.当管廊发生接头张开或错台变形时，接头两侧的支墩间距对球墨铸铁管的应力变化影响很大。通过调整支墩间距能够有效改善管道在管廊不均匀沉降下的受力状态。

本文研究可以为后续的综合管廊结构运营维护提供指导与参考。