综合管廊是指将两种以上的城市管线集中设置于同一地下空间中, 所形成的一种现代化、集约化的城市基础设施^[1]。预制拼装综合管廊是指采用预制拼装工艺施工建造的综合管廊^[2]。与现浇混凝土综合管廊相比, 预制拼装综合管廊具有构件质量好、现场施工效率高、对周围环境影响小、大幅节省现场模板和支撑、节约人工等优点, 综合经济与社会效益显著。

综合管廊本质上属于长线形隧道结构。因纵向地基土层一般无法保证在综合管廊整个纵向长度范围内均为匀质土层, 而纵向地基土层不均匀将导致综合管廊出现纵向附加内力, 从而威胁结构安全。因此, 对综合管廊在软弱土层中受力性能开展系统的有限元参数分析, 对于进一步了解综合管廊结构的受力特点、明确其结构安全性具有重要意义。

目前, 国内外有关综合管廊在土压力作用下的受力性能有限元分析成果较少, 而对预制拼装综合管廊的相关研究则几乎为空白。但针对混凝土地下箱涵结构, 有学者开展了一些探索性研究。段旻罡^[3]基于ANSYS软件采用Drucker-Prager准则进行了箱涵裂缝分析, 结果表明:随着箱涵内水压力由0加载至0.1MPa, 箱涵的受力状态由三轴受压变为三轴受拉, 最终破坏形态为垂直于倒角面的混凝土拉裂。刘蒙娜^[4]运用ANSYS软件对箱涵结构在土压力和内水压力作用下的应力状态进行了分析, 结果表明:采用梁单元模型和三维实体模型的有限元分析结果相近, 三维实体模型因考虑了结构和填土的共同作用, 计算结果更加合理。上述研究表明, 由于地下箱涵结构等长线形地下隧道结构的受力性能与其周围覆土的厚度、土层性质、是否扰动等都直接相关, 现有试验手段难以准确模拟且难以考虑土-结构共同工作的影响, 而采用非线性有限元分析是解决上述问题的有效途径之一。

鉴于此, 本文采用大型非线性有限元软件ANSYS, 考虑预制拼缝界面特性以及土-结构共同工作, 对预制拼装混凝土综合管廊在软弱土层下的受力性能进行系统分析, 从而为预制拼装综合管廊的推广应用及相关技术标准的编制提供参考。

本文建立的非线性有限元分析模型以上海市某综合管廊工程为背景。采用如图1所示整舱预制拼装方案, 纵向预制节段之间通过螺栓进行连接。

由于综合管廊结构外形对称, 为提高计算效率, 基于对称约束, 本文仅建立综合管廊的半结构模型进行分析。综合管廊结构的混凝土底板、侧壁及土体均采用八节点四面体实体单元solid65, 钢筋采用线单元link8, 连接螺栓采用link10单元。本文建立的基于ANSYS软件的有限元模型如图2所示。

预制拼装综合管廊分析模型中, 混凝土强度等级为C40, 钢筋强度等级为HRB335。为研究软弱土层弹性模量对预制拼装综合管廊结构受力性能的影响, 本文选择了5种典型软弱土层的弹性模量, 非软弱土层地基弹性模量取30MPa。

有限元模型中, 混凝土的受压应力-应变本构采用曲线加直线形式, 当混凝土应变ε_c≤ε₀ (最大应力时的混凝土压应变) 时, 应力-应变曲线关系为:

当应变ε₀<ε_c<ε_cu时, σ_c=f⁰_c。ε_c为0.002με, ε_cu为0.003 3με, 因此取极限压应变值0.003 3με。

土的本构模型采用Drucker-Prager准则, 考虑了静水压力对屈服的影响。根据上海市土质情况, 本文取内摩擦角为27.9°, 黏聚力为24.4k Pa。

根据周围土层特点及地下结构有限元分析的常用处理方式, 本文将计算土层底面设置为竖向固定约束, 两侧设置为水平固定约束, 对称面则设置为ANSYS系统给定的对称边界条件。本文通过整体受力并协调变形的结构模型来模拟管廊和土体的共同作用, 即不考虑土与结构之间的相互滑动和错开。该方法是目前地下结构分析中普遍采用的方法, 能够保证足够的计算精度^[5]。

各预制分块之间的接触界面采用ANSYS中的面-面接触单元来模拟, 其中一个面为“目标面”, 另一个面为“接触面”, 分别用targe170和conta173来做接触分析。

为验证本文建模方法的合理性, 基于文献[6]中溪洛渡电站4号路隧道 (见图3) 的施工监测和计算分析结果, 对本文建模方法进行了验证。表1和表2为本文建模方法建立的有限元模型计算结果与文献[6]中基于MAC软件的计算结果以及现场监测结果的对比。

由表1, 2分析可见, 虽然本文模型的计算结果与文献中的实测结果误差较大, 但二者变化趋势接近, 且本文模型的计算结果与文献中的计算结果较为接近。这主要是由于有限元模型一般难以完整地模拟实际情况。总体而言, 本文建模方法建立的有限元分析模型能够较好地反映地下结构考虑土-结构共同工作影响的受力性能变化规律。

以上海市某综合管廊工程为原型 (见图1) , 建立了预制拼装综合管廊非线性有限元分析模型, 如图4所示。为充分反映地基土层的影响, 有限元模型中土层模型的长、宽、高分别为50, 17.3, 20.8m。有限元模型中预制拼装综合管廊结构的上覆土深度为3m, 上部路面的车辆荷载产生大小为40k Pa的面荷载, 均与实际工程一致。

本文拟重点分析软弱土层对预制拼装综合管廊受力性能的影响规律, 因此在有限元模型中部设置了局部软弱土层。有限元分析参数为软弱土层弹性模量。不同软弱土层弹性模量下预制拼装综合管廊受力性能的有限元分析参数如表3所示。

预制拼装综合管廊纵向沉降变形随软弱土层弹性模量变化的关系曲线如图5所示, 预制拼装综合管廊纵向不同位置处沉降变形随软弱土层弹性模量比 (软弱土层弹性模量与周围非软弱土层弹性模量的比值) 的变化关系曲线如图6所示。由图可见:

1) 随着软弱土层弹性模量的减小, 预制拼装综合管廊的不均匀沉降明显加剧。

2) 由图6分析可知, 沿预制拼装综合管廊纵向不同位置处的沉降变形与软弱土层弹性模量的关系函数可近似简化为对数函数y=alnx+b, 其中y为沉降变形量, x为软弱土层弹性模量比, a, b均为计算常数, 与荷载情况及综合管廊结构形式有关。

当存在软弱土层时, 预制拼装综合管廊结构内部将产生纵向弯矩以及横向附加弯矩。不同软弱土层弹性模量下管廊纵向不同位置处横截面方向侧壁底部截面附加弯矩随软弱土层弹性模量变化的关系曲线如图7所示, 管廊不同位置处纵向弯矩随软弱土层弹性模量变化的关系曲线如图8所示。

由图7, 8所示曲线分析可知:

1) 软弱土层对综合管廊横截面方向的弯矩有较大影响。其中, 纵向中间区域所受的影响最大, 使其侧壁底部截面的弯矩最大减小55.1k N·m, 约占无软弱土层下该截面弯矩的31.9%。此外, 在综合管廊纵向20m处, 软弱土层对横截面方向的弯矩也具有较大影响, 使其侧壁底部截面的弯矩最大增加33.8k N·m, 约占无软弱土层下该截面弯矩的19.7%。因此, 在预制拼装综合管廊结构设计时应关注软弱土层对横截面方向结构内力的影响。

2) 软弱土层对预制拼装综合管廊纵向内力有一定影响。影响最大的位置在综合管廊纵向中部, 即软弱土层中部。该位置处的截面纵向弯矩随着软弱土层弹性模量的降低而不断增大。当软弱土层的弹性模量降低为5MPa (约为周围非软弱土层弹性模量的17%) 时, 纵向弯矩最大达3 500k N·m, 约为该截面开裂弯矩的25%。

本文基于ANSYS软件建立了考虑预制拼缝界面和土-结构共同工作的预制拼装综合管廊非线性有限元分析模型, 并通过已有文献的实测值与计算值验证该模型的合理性。在此基础上, 开展软弱土层下预制拼装综合管廊受力性能的有限元参数分析, 重点分析了软弱土层弹性模量的影响规律。

1) 随着软弱土层弹性模量的减小, 预制拼装综合管廊的不均匀沉降明显加剧。预制拼装综合管廊纵向不同位置处的沉降变形与软弱土层弹性模量的关系函数可近似简化为对数函数。

2) 软弱土层对综合管廊横截面方向的弯矩有较大影响。对于纵向中间区域, 侧壁底部截面的弯矩最大可减小31.9%;对于纵向20m处, 侧壁底部截面的弯矩最大可增加19.7%。因此, 在预制拼装综合管廊结构设计时应关注软弱土层对横截面方向结构内力的影响。

3) 软弱土层对预制拼装综合管廊纵向内力有一定影响。对于管廊纵向中部, 当软弱土层的弹性模量降为周围非软弱土层弹性模量的17%时, 纵向弯矩最大可达到该截面开裂弯矩的25%。