重載路下綜合管溝

重載路下綜合管溝-箱梁結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)的分析隧道網(wǎng)(2010-4-14)來(lái)源：上海市第七建筑有限公司摘要：隨著地下空間的迅速發(fā)展，地下工程與市政道路工程、管線工程的相互疊加交叉的情況越來(lái)越多。該文以2010年上海世博會(huì)世博園區(qū)世博軸與北環(huán)路的交線工程為例，提出了重載路下綜合管溝-箱梁集成化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了市政工程與地下大空間建筑工程集成的范例，并采用數(shù)值計(jì)算的方法，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力。關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu)；綜合管溝-箱梁集成化結(jié)構(gòu)；三維有限元數(shù)值分析；上海0前言區(qū)域性城市地下建筑的尺度較大，必然與市政設(shè)施的道路工程和管線工程相互交錯(cuò)疊加，具有如下顯著特征：(1)地下建筑結(jié)構(gòu)跨度大；(2)建筑上方有大量的市政管道穿越；(3)地表為通行量較大的重載城市道路。由此帶來(lái)的建設(shè)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)地下大空間建筑與市政工程系統(tǒng)化和集成化的設(shè)計(jì)與施工。針對(duì)與這類工程特點(diǎn)密切相關(guān)的設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵問(wèn)題，本文系統(tǒng)地開(kāi)展了路面下重荷載箱梁-綜合管溝一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，利用箱梁結(jié)構(gòu)整體剛度大以有效承載道路荷重、箱梁內(nèi)腔作為空箱以減小自重以利于跨越下部大尺度地下建筑空間且內(nèi)部空間可以用作市政綜合管溝通道，實(shí)現(xiàn)了市政工程與地下大空間建筑工程集成的范例，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1工程概況世博軸及地下綜合體工程是上海2010年上海世博會(huì)世博園區(qū)浦東核心區(qū)的主體項(xiàng)目，被浦明路、北環(huán)路、南環(huán)路、雪野路分為五個(gè)區(qū)段(見(jiàn)圖1)。世博軸及地下綜合體工程在穿越四條路段的部位，有煤氣、水、電等市政管線通過(guò)，要求謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，確保管線安全，穿越路段的地下結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)還須在世博軸及地下綜合體工程與北環(huán)路穿越區(qū)段，縱向長(zhǎng)110m，橫向長(zhǎng)26.9m,高度為6.74m,采用了綜合管溝-箱梁集成化結(jié)構(gòu)的技術(shù)。箱梁內(nèi)設(shè)置了4個(gè)空腔，其中3個(gè)為空箱，1個(gè)作為共同溝，在保證剛度的情況下減輕自重，并方便電信光纜等市政管線通過(guò)；箱梁設(shè)置一嵌槽，以便大型管道的通過(guò)；嵌槽內(nèi)及空箱上方進(jìn)行覆土，土內(nèi)可埋入其他市政管線，覆土上方澆注道路路面(見(jiàn)圖2)。萬(wàn)慝埔初空何圖2世博軸北環(huán)路過(guò)路段綜合管溝-箱梁集成化結(jié)構(gòu)示意圖三維有限元數(shù)值模擬分析本文采用MIDAS軟件進(jìn)行三維數(shù)值分析，綜合考慮覆土荷載、車輛荷載因素，計(jì)算得到箱梁結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)變形。計(jì)算模型的確定由于世博軸北環(huán)路箱涵結(jié)構(gòu)以世博軸軸線中心對(duì)稱，所以取半結(jié)構(gòu)建立模型。模型模擬的箱涵結(jié)構(gòu)沿北環(huán)路方向從世博軸側(cè)向邊緣到對(duì)稱中心為55m,箱涵結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾葹?6.9m。模型上表面取為北環(huán)路路面，下表面為世博軸T.08m板。抽象出的三維模型總尺寸為55mX26.9mX6.74m。整體模型如圖3所示。圖3模型整體示意圖模型相關(guān)參數(shù)選取由于覆土成分單一，僅起到傳遞路面荷載作用，為便于進(jìn)行數(shù)值分析，假定土是均勻、連續(xù)、各向同性的，視為理想彈性體，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也按照各向同性彈性材料考慮，鋼筋混凝土和土體都采用六面體實(shí)體等參單元計(jì)算。其物理參數(shù)如表l所列。胖號(hào)名稱E^FnF1填土■（事真后）21560DJ21A.2KQOO0.153卻泅OF表1土體、混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)物理參數(shù)表模型采用的施工步驟在計(jì)算分析中，考慮了覆土施工、路面施工、車輛通行等工況，并且把覆土施工分為4個(gè)階段，模型施工階段共模擬了6個(gè)施工工況，如下：工況1：箱梁結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力計(jì)算；工況2~5：覆土施工的4個(gè)階段；工況6：混凝土路面形成。在計(jì)算中，分析過(guò)程采用的是累加模型，即每個(gè)施工階段都繼承了上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化都會(huì)影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。3.4.邊界條件和荷載情況模型的支承邊界條件，均考慮為位移邊界條件。地表為自由邊界條件，不設(shè)置任何方向的約束；模型在建筑的邊界、中心對(duì)稱邊界處將水平位移限制為零，豎向自由；模型在北環(huán)路兩個(gè)側(cè)面，世博軸-1.08m板位置施加固定約束，將位移限制為零；模型底部在下層柱子的位置設(shè)置了約束，將位移限制為零。初始應(yīng)力的計(jì)算主要考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力，由程序直接求解。覆土施工過(guò)程中，考慮土體自重；路面板形成后，在受力最大的箱梁跨附近布置2種情況的車輛活荷載（見(jiàn)圖4），活荷載取值為20kPa。

圖4路面車輛兩種活荷載示意圖有限元結(jié)果分析4.1承載力分析用第一主應(yīng)力來(lái)表征拉應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中的分布（見(jiàn)圖5），第一主應(yīng)力的方向就是結(jié)構(gòu)受拉力最大的方向，裂紋往往垂直于這個(gè)方向。從圖5可以看到，在箱涵結(jié)構(gòu)底板柱子位置，第一主應(yīng)力值較大，為2.8MPa；南側(cè)溝內(nèi)中心位置第一主應(yīng)力值最大，達(dá)到了4.1MPa，接近混凝土的最大拉應(yīng)力。通過(guò)第三主應(yīng)力，來(lái)查看結(jié)構(gòu)中壓力分布情況。從第三主應(yīng)力分布圖（見(jiàn)圖6）可知，箱涵結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分布比較均勻，最大值為43MPa。圖5第一主應(yīng)力分布圖

圖6第三主應(yīng)力分布圖4.2變形分析至路面施工完畢，箱涵結(jié)構(gòu)豎向位移如圖7、圖8所示。箱涵結(jié)構(gòu)頂板跨中處有1mm左右的撓度靠近中心處撓度增大至1.6mm；箱涵結(jié)構(gòu)底板撓度與頂板撓度接近；南側(cè)豎向溝跨中處有2mm左右的位移，最大位移發(fā)生在箱涵豎向溝中心處，其撓度為3.83mm。路面板的撓度在兩種車輛活荷載分布情況下，撓度較小且接近相等。I啊>■mfiCTPI啊>■mfiCTP1hwQn|首書(shū)圖7箱涵結(jié)構(gòu)在路面形成后豎向位移分布圖圖8路面板在車輛荷載1和2情況下豎向位移圖結(jié)論采用重荷載箱梁-綜合管溝一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)下方大跨度地下結(jié)構(gòu)的架設(shè)、內(nèi)部大量市政管道的穿越、地表通行量較大的車輛通行。通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算分析可得，在覆土荷載和路面荷載施加過(guò)程中以及兩種活荷載分布情況下，結(jié)構(gòu)承載能力和變形能力符合要求，實(shí)現(xiàn)了市政工程與地下大空間建筑工程集成的范例，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。參考文獻(xiàn)孫鈞，汪炳鑒?地下結(jié)構(gòu)有限單元法解析[M]?上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1986.王勖成?有限單元法[M].北京