公路隧道综合管沟结构形式和应力应变特征分析_李震.pdf

建筑结构建 筑 技 术 开 发18 Building StructureBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月公路隧道综合管沟结构形式和应力 应变特征分析李 震1，张春成1，陈家欣1，李 通1，马伸康1，张金生2（1.中铁三局集团第四工程有限公司，北京 100000；2.吉林大学建设工程学院，长春 130000）摘要 桓集高速大路2号隧道为国内首个采用综合管沟的公路隧道工程，本文依托该工程，开展综合管沟的结构形式及其应力应变特征研究，在确定综合管沟的结构形式和断面形状的基础上，利用数值模拟软件对综合管沟应力应变进行分析。经过对数值模拟结果的分析，发现综合管沟盖板和侧壁顶端变形较大，侧壁处于受力的不利位置。管沟各部位强度均满足要求。关键词 综合管沟；结构形式；数值模拟 中图分类号U 449 文献标志码A 文章编号1001-523X(2023)02-0018-03ANALYSIS OF STRUCTURAL FORM AND STRESS-STRAIN CHARACTERISTICS OF UTILITY TUNNELLi Zhen，Zhang Chun-cheng，Chen Jia-xin，Li Tong，Ma Shen-kang，Zhang Jin-sheng AbstractThe No.2 Tunnel of Huanji Expressway is the first highway tunnel project in China to adopt a utility tunnel,based on the project,carry out research on the structural form and stress-strain characteristics of the utility tunnel,on the basis of determining the structural form and section shape of the utility tunnel,the stress and strain of utility tunnel are analyzed by numerical simulation software.After analyzing the numerical simulation results,it is found that the top plate and the top of the side wall of the utility tunnel are deformed greatly,and the side wall of the utility tunnel is in an unfavorable position under force,the strength of each part of the utility tunnel meets the requirements.Keywordsutility tunnel;structural style;numerical simulation1 工程概况本工程为桓仁至集安高速公路，路线起点为吉辽省界挂牌岭，起点桩号K200+006，路线终点在山城村与集双高速相连，终点桩号K258+067。全长57.81 km。工程所在位置处于寒冷地区，隧道内各种管线布置较多，预留的各种小型管道较多，交叉干扰大，维护不便，尤其是消防管线冬季防冻，是亟待解决的问题，桓集分部建议隧道仿照城市管沟，采用综合管沟设计。考虑国内公路隧道综合管沟尚无先例，本次实施综合管沟具有试验性的特点，兼顾各隧道实际情况，建设单位仅选择大路2号隧道实施综合管沟。大路2号隧道左幅起讫桩号LK209+460、LK211+525，长度为2 065 m，右幅起讫桩号为K209+402、K211+529，长度为2 127 m。隧道综合管沟方便各类管线运营维护，另一方面对于解决寒冷地区公路隧道消防管道的防冻问题具有积极意义。2 综合管沟结构形式综合管沟常见的结构形式可分为两类：现浇混凝土综合管沟结构和预制拼装综合管沟结构。现浇混凝土综合管沟是采用现场整体浇筑混凝土的综合管沟，其整体性能和防水性能优越，但施工量大，施工工期长，施工成本高。预制拼装综合管沟是先制作综合管沟构件，随后在施工场地完成管沟拼装。其施工作业量少，施工工期短，施工效率高，但其整体性能较差，运输成本高等缺点也很明显。在本项目中若采用现浇工艺将减慢施工进度，而采用预制安装工艺则吊装重量较大，每延米达4.3 t，施工较不方便，综合比较后决定对管沟沟身采用现浇工艺，对管沟盖板采用预制安装工艺。综合管沟矩形断面适合于明挖现浇施工，因为矩形断面方便开挖，并且能够提高内部空间的使用效率。在本项目中所采用施工方法主要是综合管沟沟身的现浇施工，因此综合管沟断面形状选择矩形断面。由于综合管沟兼做中心排水沟，在底板两侧设置宽度为0.25 m的排水槽，同时根据消防、电力、通信收稿日期：20230105作者简介：李震（1982），男，河南南阳人，高级工程师，主要研究方向为建筑施工。建筑结构建 筑 技 术 开 发 19Building StructureBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月等管线的布设，最终确定管沟内部净高1.9 m，净宽1.5 m。综合管沟截面构造如图1所示。隧道中心线路面结构预制盖板3030150消防管道20mm泄水孔土工织物仰拱回填仰拱回填横向排水管仰拱258030341901001%1%251001611.5图1 综合管沟截面构造示意3 数值建模与分析3.1 数值模型荷载取值为获得更符合工程实际的结果，采用三维建模的方式，利用数值模拟软件对结构进行分析。综合管沟所受荷载主要包括路面上覆荷载、车辆荷载、综合管沟自重荷载。将3种荷载的共同作用称作最不利 荷载。考虑盖板和沟身的施工方法不同，除了将其作为一个整体进行分析，还应对两部分分别进行分析。将盖板和沟壁分开考虑时，二者接触处荷载文中称为传递荷载，按面荷载考虑。数值模拟计算荷载见表1。表1 数值模拟荷载取值表荷载种类上覆荷载/（kNm-2）传递荷载/（kNm-2）车辆荷载/（kNm-2）分布方式均布荷载均布荷载均布荷载荷载取值8.16219.8747.463.2 数值模型建立本项目中综合管沟采用C30钢筋混凝土，钢筋混凝土材料参数见表2。表2 数值模拟模型参数取值表材料参数弹性模量E/MPa容重/（kgm-3）泊松比vC30钢筋混凝土30 0002 5000.203.3 综合管沟数值模拟与分析3.3.1 综合管沟整体数值模拟与分析数值模拟软件建模图如图2所示。图2 综合管沟数值模型最不利荷载作用下综合管沟的变形图如图3所示，由图可知综合管沟盖板中心变形较大，最大变形值为0.031 mm。综合管沟受到的外部荷载通过盖板向下传递，导致盖板中心向下挠曲变形。管沟沟身受到回填混凝土及仰拱的约束作用而变形较小。（a）（b）图3 最不利荷载下综合管沟变形图（a）变形示意1；（b）变形示意2通过对综合管沟在最不利荷载作用下的应力云图分析，发现由于综合管沟所承受的荷载主要为作用在盖板上的竖向荷载，顶板在荷载作用下产生变形，受“二阶效应”影响，盖板中部应力值较大，最大值为0.465 MPa，管沟沟身处应力值较小。同时由于竖向荷载直接作用在盖板上，盖板两侧又受到沟壁的反力作用，导致盖板两侧顶角处y、z方向剪应力最大，最大值为0.053 MPa。由于最大剪切应力远低于C30混凝土抗剪强度2.09 MPa，因此盖板不会出现剪切破坏。3.3.2 管沟盖板和沟身部位数值模拟与分析分别对综合管沟盖板和沟身两个部位进行数值模拟，在最不利荷载作用下两处的变形图如图4所示。建筑结构建 筑 技 术 开 发20 Building StructureBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月图4 最不利荷载下综合管沟盖板和沟身变形图由图4可知盖板部分变形最大位置为盖板中心，变形最大值为0.032 5 mm。盖板在上部竖向荷载作用及两侧侧壁的反力作用下，中心处向下挠曲变形，盖板两侧在侧壁及回填混凝土的约束作用下变形较小。沟身部分管沟侧壁偏上部位变形较大，最大变形值为0.243 mm。沟身所受荷载主要为盖板传递下来的传递荷载，由于盖板和侧壁接触面积较小，传递荷载值很大，同时侧壁还受到回填混凝土的约束作用，导致侧壁上侧位置产生变形值比下侧大，而底板在仰拱的约束作用下变形较小。通过对综合管沟盖板和沟身二者在最不利荷载作用下的应力云图分析，可知盖板中心及两侧应力值较大，x、z方向剪应力最大值出现于盖板顶角处。沟身部分在沟壁顶端处应力值较大，x、z方向剪应力最大值出现于沟壁顶端角部。表3为综合管沟盖板和沟身的应力最值。盖板在上部荷载作用下向下挠曲变形，两侧又受到回填混凝土的约束作用，存在“二阶效应”现象，导致两侧应力值较大。同时盖板又受到侧壁较大的竖向反力作用，且顶角处出现应力集中现象，导致盖板两侧剪应力值较大。表3 最不利荷载下综合管沟各部位应力最值表位置应力最大值/MPa最小值/MPa盖板正应力0.7410.0剪应力0.1430.143沟身正应力3.9250.008剪应力1.0351.035管沟沟身受到的外力荷载主要为盖板与沟身接触处的竖向传递荷载，因此沟壁上侧应力较大，根据剪切应力图可知综合管沟盖板与沟壁接触处出现应力集中现象，角部剪切应力值较大。在判断回填混凝土稳定性时取盖板、沟身二者在接触部位剪切应力的大值即1.035 MPa，小于C15混凝土的抗剪强度1.26 MPa，因此沟壁两侧混凝土能保持稳定工作状态。4 结束语依托桓集高速大路2号隧道综合管沟项目，对综合管沟的施工方法以及管沟的断面形式进行分析，同时利用数值模拟软件对综合管沟的受力和变形情况进行研究。得到结论如下。（1）综合管沟盖板采用预制安装工艺，沟身采用现浇工艺。综合管沟断面形状为矩形。（2）综合管沟的变形和应力分布以管沟盖板中线为轴大体呈对称分布。（3）综合管沟的盖板中心及沟壁顶端处变形较大，最大变形值为0.243 mm，沟身承受应力值较大，最大应力值为3.925 MPa。（4）综合管沟沟壁混凝土强度可满足结构的要求。参考文献1 王明智，张义龙.BIM技术在铁路综合管廊设计中的应用J.工程技术研究，2022，7（2）：6264.2 王灵仙，崔锡虎，王新玲.基于ABAQUS的某地下综合管廊主体结构受力性能分析J.结构工程师，2017，33（5）：2835.3 韩江，曹晨.综合管廊节点处侧壁板受力分析J.四川水泥，2017（11）：274275.4 城市综合管廊工程技术规范：GB 508382015S.5 王鹏飞.综合管廊设计技术要点分析J.四川水泥，2016（11）：55.6 公路涵洞设计规范：JTG/T 3365022020S.新版建设工程质量检测管理办法发布为了加强对建设工程质量检测的管理，根据中华人民共和国建筑法建设工程质量管理条例建设工程抗震管理条例等法律、行政法规，住房和城乡建设部制定了建设工程质量检测管理办法并于近日发布，自2023年3月1日起施行。2005年9月28日原建设部公布的建设工程质量检测管理办法（建设部令第141号）同时废止。新修订出台的管理办法，从调整建设工程质量检测范围、强化资质动态管理、规范建设工程质量检测活动、完善建设工程质量检测责任体系、提高数字化应用水平、加强政府监督管理、加大违法违规行为处罚力度等多个方面进一步强化建设工程质量检测管理，维护建设工程质量检测市场秩序，规范建设工程质量检测行为，促进建设工程质量检测行业健康发展，保障建设工程质量。