地下综合管廊作为城市地下空间可持续发展的重要组成部分, 越来越被城市建设规划所重视。在管廊的建设使用过程中因为不同埋深、不同地质、不同地面荷载等因素所引起的结构变形以及内力重分布^[1]会影响管廊的正常使用和极限承载力, 其中管廊的变形缝及接头设计发挥着重要的作用, 合理的变形缝及接头形式对地下综合管廊安全性和防水性等方面有重要影响。本文参照益阳市在建地下综合管廊项目, 以现浇承插式变形缝接口为例, 在考虑土体与结构之间的相互作用、结构自身约束条件以及益阳市土壤地质条件的基础上, 借助ABAQUS有限元分析软件, 建立土-地下综合管廊结构数值模型, 对现浇地下综合管廊接头处受力性能及其位移变化规律进行研究分析。

益阳市白马山路地下综合管廊设计范围西起益沅公路 (马良北路) 交叉口东南侧K0+065处, 东至资阳大道交叉口西北侧K2+824处, 总长2 760m。地下管廊内收纳的市政管线有:电力电缆、电信电缆、给水管道。管廊采用矩形箱涵的结构形式, 内部尺寸3.2m×3.2m, 外部尺寸3.9m×3.9m, 管廊正常段按照覆土2.5m设计。管廊截面如图1所示。

益阳市地下管廊项目场地土壤条件较复杂, 据现场钻探揭露, 场地地层结构自上而下依次为:杂填土, 须清除;中细砂, 级配较差;淤泥质土, 干强度及韧性中等;细中砂, 级配较差;淤泥质土, 干强度及韧性中等;粉质黏土, 干强度及韧性中等。

GB50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》规定:现浇混凝土管廊结构变形缝的最大间距不超过30m。因此沿着管廊的纵向, 最多每隔30m必须设置1处变形缝接头。益阳市地下综合管廊采用的是每隔20m设计1处变形缝的方式, 由于平接变形缝抵抗变形的效果较差, 容易造成橡胶止水带破坏漏水, 所以该工程项目对变形缝接头处的做法进行了改良, 将管廊变形缝接头部位设置成承口、插口的结构形式, 从而更好地适应管廊错位时引起的变形^[2]。管廊承插式接头如图2所示。

工程实践表明:只要不均匀沉降没有达到承插口的破坏程度, 则接头处错位将受到很大限制, 而且承插口对相邻管廊段在接头处产生折曲的限制是比较宽松的, 一般不会因地基沉降引起接头折曲破坏, 对沉降有较好的适应能力。管廊承插型变形缝-顶板接头如图3所示。

本文利用非线性有限元软件ABAQUS对管廊变形缝处受力情况进行数值模拟分析, 为了保证模拟计算结果的准确性, 根据管廊结构类型及连接方式, 现做如下模型简化处理。

运用ABAQUS进行数值模拟, 建立整体计算模型。整个土-地下综合管廊结构模型长40m, 宽25m, 高30m, 管廊埋深2.5m。划分网格时, 对综合管廊主体结构、管底垫层及管背填土进行加密处理。整体结构模型如图4所示。

在ABAQUS有限元软件中, 两个结构之间必须建立一定的关联才能进行计算。因此, 本文通过定义非线性弹簧来实现管廊变形缝接口的相互作用, 虚拟的非线性弹簧使得两个管廊结构之间不会造成相互交叉, 又不至于脱开较大的距离^[3]。该工程只是纵向有接头情况, 因此, 结构仅有轴向运动, 只需定义1组轴向非线性弹簧单元。管廊接头如图5所示。

对益阳市地下管廊工程项目的土层分布及现场地质勘查报告进行综合分析, 得出模型计算参数如表1所示。

地下综合管廊所受到的荷载可以分为上覆土体荷载、路面荷载及土体侧压力等永久荷载, 车辆荷载等可变荷载及地震荷载等偶然荷载。综合管廊属于浅埋地下管道, 所以需考虑上部外荷载作用。针对益阳市管廊项目, 将管廊上部荷载进行简化替代, 同时本文不考虑地震荷载等偶然荷载。根据文献[4]所述, 将路面荷载等效为1.5m厚的路堤填土等效荷载, 将车辆荷载等效为10k Pa的面荷载作用于路基顶部。管廊周边采用节点弹性支撑模拟土弹簧, 弹簧刚度取k=10 000k N/m^[5]。上部荷载作用下的模型截面如图6所示。

根据现场地质条件及表1的计算参数数据, 通过有限元分析软件ABAQUS对所建的结构模型进行数值模拟计算, 得到管廊结构模型在荷载作用下的变形和应力分布, 并重点对变形缝接口的位移和受力情况进行分析对比研究。

借助有限元软件ABAQUS将顶板变形缝接口横截面从右到左等距分成8个单元, 每个单元两端设置节点, 共9个结点, 同时在距离变形缝1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10m处的顶板横截面相同位置设置9个节点。提取11处顶板横截面节点的竖向位移, 画出荷载作用下顶板的竖向位移曲线, 如图7所示 (图中负号表示顶板向下凹) 。

由图7顶板横截面竖向位移曲线可以看出, 管廊顶板在荷载作用下的变形近似抛物线, 横截面中间竖向变形最大、两侧变形逐渐减小。在顶板变形缝的中间位置变形量达到最大为0.024 7m, 符合变形缝处的设计要求。距变形缝越远, 顶板截面竖向变形量越小, 其中截面中间位置竖向变形量最大相差0.011 2m, 说明顶板变形缝部位在竖向荷载的作用下变形较其他位置敏感, 所以在处理管廊防水和不均匀沉降安全性问题时需对变形缝部位进行重点考虑研究。

对侧壁板变形缝处的分析采用同样的方法, 将侧壁板变形缝处从上至下分成8个单元, 每个单元两端设置节点, 共9个结点, 同时在距离变形缝1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10m处的侧壁板截面相同位置设置9个节点。提取每个截面节点的横向位移, 画出侧壁板横向位移变化曲线, 如图8所示 (图中正号表示向外侧发生横向位移, 负号表示向内侧发生横向位移) 。

由图7和图8可知, 在荷载标准组合作用下, 廊体顶部变形比侧壁板大。从图8可以看出, 现浇管廊侧壁板变形近似波浪形, 由上至下, 先向内凹再向外凸, 然后再一次向内凹, 当到达侧壁板下端时恢复正常, 其中, 侧壁板上端凸出部分的变形量最大。同时在距离变形缝不同位置的侧壁板截面处, 各凹凸部分变形都近似波浪形, 变形量相差很小, 最大不超过0.000 05m, 说明侧壁板变形缝接口位置受到的侧向土压力作用与侧壁板其他位置一样, 这也吻合薛伟辰等^[6]通过实体试验得出的结果。

由图9管廊变形缝处应力云图可以看出, 在荷载标准组合的作用下, 管廊变形缝接口的应力分布集中区域出现在顶板中部、4个角部, 并且应力变化较其他地方有很大差别 (接口处的最大应力与廊体其他位置相比最大相差21.32N/mm²) , 所以在相同荷载作用下变形缝接口处的应力集中区域相比廊体更容易发生破坏。

将模型单元格进行更细划分, 顶板变形缝接口处出现3个应力集中区域, 如图10所示, 以拉应力为主的A区域和C区域, 以压应力为主的B区域。随着荷载作用的增大, 顶板变形缝A区域和C区域出现开裂现象, B区域出现挤压现象。其中A区域和C区域混凝土开裂严重将出现地下水渗透现象。侧壁板变形缝处混凝土出现两个应力集中区域:D区域和E区域。以拉应力为主的D区域和以压应力主的E区域, 随着荷载作用的增大, 侧壁板变形缝接口处D区域混凝土容易发生向外凸的横向位移, 导致混凝土出现开裂, 使D区开裂处容易发生地下水渗透, 所以对管廊变形缝处A区域, C区域和D区域的渗水现象需要重点防护;对B区域的混凝土强度要求需要进一步研究。

本文以湖南益阳市在建管廊项目为例, 采用ABAQUS有限元分析软件对现浇管廊承插式变形缝接口进行变形和受力分析, 通过研究分析可以得出以下结论:

1) 通过模拟计算得到承插式管廊接头处的变形特点和应力集中区域, 为益阳在建管廊项目提供理论依据与参考。

2) 在共同荷载作用下, 廊体顶部变形量比侧壁板变形量大。

3) 现浇管廊顶板在荷载作用下的变形近似抛物线, 顶板变形缝中间位置发生最大竖向变形, 说明顶板变形缝部位的变形较其他位置更敏感, 所以该区域混凝土强度要求较高, 建议进一步优化配筋方法或采用高强度材料。

4) 现浇管廊侧壁板在荷载作用下发生近似波浪形变形, 其中侧壁板变形缝处变形量和其他位置相近。

5) 现浇管廊承插式变形缝接口在荷载作用下的应力分布集中区域出现在变形缝顶板中部和4个角部。

6) 现浇管廊承插式变形缝接口在荷载作用下的应力变化较其他位置有很大差别 (接口处的最大应力与廊体其他位置相比最大相差20.32N/mm²) , 所以在相同荷载作用下变形缝接口处的应力集中区域相比廊体更容易发生破坏。

7) 现浇管廊在荷载作用下顶板出现3个应力集中区域, 以拉应力为主的A区域与C区域, 以压应力为主的B区域。侧壁板出现2个应力集中区域, 以拉应力为主的D区域和以压应力为主的E区域。对管廊变形缝处A区域, C区域和D区域的防水需要作重点防护处理, 设计时可采用自密实混凝土或者布置适量钢纤维等防裂措施, 从而提高该区域的抗渗防水性能。