基于Midas软件的预制拼装管廊变形规律研究

摘要：

通过Midas Gen有限元模拟软件对地震荷载、车辆荷载、不均匀沉降及单侧开挖等不同工况下的预制拼装管廊进行了模拟研究,以期揭示预制拼装管廊在不同工况下的结构受荷变形规律。研究表明,地震作用下管廊的X向位移主要发生在管廊的顶板处,Z向位移主要发生在左舱道。不均匀地质条件及水土压力,车辆荷载对管廊的竖向位移影响不大。双舱预制拼装管廊的的最大位移点位于左舱的中部顶板处。在管廊单侧开挖工况下,受力侧侧墙底部节点最容易发生破坏,但结构位移值较小,说明单侧开挖工况下对于双舱预制拼装管廊的刚度要求较低。

关键词：

预制拼装管廊; 有限元模拟; 地震荷载; 车辆荷载; 不均匀沉降; 单侧开挖;

刘俊伟(1983—),男,副教授,博士,主要从事岩土工程研究。E-mail:zjuljw@126.com;

基金：

国家自然科学基金(41502304,41772318); 中国博士后科学基金(2015M581940);

山东省重点研发计划(2018CiSF121002,2017GSF20107);

大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金项目(LP1712);

青岛市应用基础研究项目(16-5-1-34-jch);

住房和城乡建设部科学技术计划项目(2014-K3-026);

泰山学者工程专项(鲁政办字[2015]212 );

引用：

刘俊伟，韩金朋，于秀霞，等． 基于 Midas 软件的预制拼装管廊变形规律研究［J］. 水利水电技术，2020，51(2): 122-127.

LIU Junwei，HAN Jinpeng，YU Xiuxia，et al． prefabricated and assembled tube gallery［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51(2): 122-127.

0 引 言

城市地下综合管廊是城市市政地下管廊综合体,可以对电力、水利、热力、通信等市政系统进行保护,为城市“生命线”的可靠运行提供了全面的技术保障手段,是我国城市可持续发展的必然选择。地下综合管廊大多都是现浇结构,而伴随着装配化建筑浪潮的来袭,预制装配式和智慧型管廊建设才是我国综合管廊建设领域技术进步的发展趋势。目前国内存在的双舱预制管廊多为整体预制或上下分体预制管廊,管廊构件单件的重量基本都会超过30 t,这与2016年出台的《超限运输车辆运输管理规定》相冲突,因此,研制出一种更符合规定且性价比更高的预制管廊是大势所趋。所研发的叠合式双舱预制拼装管廊已实现工厂化流水线生产,质量可靠,生产速度快,且克服了国内预制管廊模具依赖进口的困难,实现了模具的模数化,模具更为自由,适用于不同断面要求。双舱管廊由5块构件板现场拼装而成,减少单块构件重量的同时也解决了限高的问题。另外,管廊的使用寿命可达50～100 a,服役期间将遇到各种不利工况,这些工况均会对影响管廊的正常运维。因此,针对预制拼装管廊服役工况的研究对综合管廊的发展具有重要意义。

国内外诸多学者对综合管廊的运维及服役研究开展了一些工作。MARSHALL从管廊埋深、土体刚度、传力方法等因素对地下管廊与土体的相互作用,进行了理论推导与分析。JULIAN等认为,综合管廊的生命运作和维护将面临很大的问题,并提出运维问题是综合管廊的发展命脉。程泽海等通过ABAQUS有限元模拟软件对几种不同断面形式的管廊进行了分析计算,得到了管廊断面和埋深之间的关系。王鹏宇等通过ABAQUS有限元软件建立土-地下管廊结构数值模拟模型,为解决接头处防水和不均匀沉降问题提供了理论参考。王恒栋对我国地下管廊的技术进展进行了总结,提出了综合管廊要继续发展需要进一步关注管廊的工程安全与保障。全勇通过对车辆荷载作用下老城区支线现浇地下管廊的响应分析,认为管廊的埋深宜大于7 m,管廊至车辆荷载的距离宜大于4 m。黄懿通过现场实体试验及有限元数值模拟对重载汽车作用下的动力特性进行了分析与研究,揭示了重载车辆作用下现浇综合管廊结构的应力峰值与加速度幅值的变化规律。施有志等通过PLAXIS有限元软件对不同边界条件及Rayleigh波和地震底部剪切波作用下的管廊进行了系统的研究,为地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计提供了参考。贺磊通过Midas有限元软件,对预制和现浇的单舱管廊进行多个工况下的对比分析,认为在车载作用下,均匀地基上的现浇管廊和预制管廊内力大小相差较小。蔡亮等通过Midas有限元软件采用反应位移法对管廊进行了横向抗震计算,阐述了用反应位移法介绍综合管廊横向地震作用过程的的基本原理。魏奇科等开展了10个叠合装配及整体现浇综合管廊结构边节点和中节点的抗震性能试验,并对试件的破坏形态、弯矩-位移滞回曲线等进行了分析。

1 预制拼装管廊荷载模拟

所研发的双舱管廊分为综合舱和电力舱,两仓的跨度分别为4 500 mm和2 300 mm,管廊的净空高度为3 200 mm,底板厚度为500 mm,侧板处设置200 mm掖脚以提高节点处抗弯刚度。管廊纵横向拼缝处均设置抗渗防水构造,外墙板及顶板厚度为400 mm,中墙板厚度为300 mm(见图1)。采用Midas Gen有限元软件对预制拼装管廊的板单元进行建模(见图2),建模所用构件的材料属性均采用实测值。考虑到周围土体对拼装拼装管廊的影响,采用“弹性连接”来模拟土弹簧的作用,并根据不同的土体类型取值相应的基床基数,特性均为“只受压”,因该模型为预制拼装式结构,因此,释放板与板拼接处的板端约束,模型边界条件如图3所示。

图1 预制拼装管廊现场示意

图2 管廊结构分析模型

图3 边界条件三维示意

1.1 恒活荷载

本模型考虑的恒荷载主要包括:结构自重、底板荷载及水土压力荷载,底板荷载包括了所布置管线施加的荷载,水土压力荷载包括了管廊的顶板荷载及侧壁荷载,水土压力示意图如图4所示。本模型考虑的活荷载主要包括:人群荷载、车辆荷载、地面超载(根据实际情况,地面超载与车辆荷载两者中取较大值)及侧壁荷载。车辆荷载的取值参考《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ11—2011),车辆荷载受荷示意图如图5所示。

图4 水土压力荷载示意

图5 车辆荷载示意

1.2 地震荷载

所研究预制拼装管廊依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)进行抗震设计,地震的抗震设防烈度按照青岛新机场工程预制拼装管廊的实际情况进行取值,在本模型中管廊的地震设防烈度取6度。采用反应位移法对地震作用进行分析与计算,并将土体的相对位移、结构惯性力及结构周围剪力作用考虑在内,模型中所涉及的土体相对位移、结构惯性力及结构周围剪力作用的计算公式如下

式中,u′(z)为深度z处相对于结构底部的自由土层相对位移;u(z)为深度z处自由土层地震反应位移;u(zB)为结构底部深度zB处的自由土层地震反应位移;H为设计地震作用基准面的深度;z为顶板、底板埋深;u(zU)为顶板处土层的水平位移;u(zB)为底板处土层的水平位移;fi为结构i单元上作用的惯性力;mi为结构i单元的质;u??iu??i为地下结构顶底板位置处自由土层发生最大相对位移时刻,自由土层对应于结构i单元位置处的加速度;Gd为地层动剪切模量;τU为顶板处的剪力;τB为底板处的剪力。

地震作用下的预制综合管廊所受荷载如图6所示。

图6 地震作用下荷载示意

1.3 荷载组合

模型在进行构件强度计算的荷载组合分项系数分别取如下数值:结构自重取1.2,水土压力取1.4,车辆荷载取1.8,地面超载取1.3,人群荷载取1.4,地震作用取1.3。模拟地震作用下预制拼装管廊的X向及Z向位移图如图7和图8所示。

图7 地震作用下X向位移

图8 地震作用下Z向位移

由图7、图8可知,在地震作用下,管廊的X向位移最大值达8.3 mm,主要的X向位移发生在管廊的顶板处,原因主要为预制拼装管廊的侧墙与底板连接处的节点转动刚度较低,当节点刚度不足以抵抗地震荷载时,侧板便会发生转动,使主要位移发生在顶板处;Z向位移的最大值为1.3 mm,主要发生在左舱道,原因为左舱道的宽度较宽,结构形式不如右舱道稳定,因此最大的Z向位移发生在左舱道的左侧板处。

2 预制拼装管廊不均匀沉降影响分析

预制拼装管廊长期服役于地下,随着工作时间的增长,下部土体可能会存在不均匀沉降的情况,对结构产生不利的影响。针对这一工况,通过Midas Gen有限元软件对预制拼装管廊下部土体的基床系数进行修改,以期探究不均匀的地质条件对本预制拼装管廊的结构沉降影响。因此,管廊的一端土体选用土质较好的密实砂土或砾石,基床系数取2.0×104～3.0×104 kN/m3;另一端土体选用土质较弱的软塑黏土,基床系数取1.0×104～2.0×104 kN/m3。预制拼装管廊在不均匀地质、水土压力作用下,将有无车辆荷载作用的模型结构整体位移图进行对比,如图9所示。

图9 结构整体纵向位移

由图9可知,两种不同工况下的管廊竖向位移的最大值为0.7～1.2 mm,可知,短期的车辆荷载对管廊的顶板位移影响不大,双舱预制拼装管廊的最大位移点均位于左舱的中部顶板处,可知该管廊左舱的跨中最易破坏。当地基土体的基床系数存在一定差异时,结构位移差值仍在可控范围内(小于5 mm),结构防水措施不受影响,而土体差异过大或管廊断面跨度较大时,则需要对较软弱的土层采取换填等措施,使土体性质差别不致过大,以减小土体不均匀沉降对结构及防水效果造成的不利影响。

3 预制拼装管廊单侧开挖结构模拟

管廊服役期间,若预制拼装管廊处于单侧开挖的工况下,侧面土体对于地下管廊的土压力将全部由底部节点承担,可能会对预制拼装管廊的节点造成破坏,因此,通过Midas Gen有限元软件对预制拼装管廊的底板进行固定,限制底板的移动及转动,并对右侧壁施加荷载如图10所示,以模拟管廊顶板紧贴地面且管廊上部无重物状态下的预制拼装管廊在单侧开挖情况下的最不利受力情况,模拟所得弯矩及结构位移图如图11、图12所示。

图10 单侧开挖计算模型

图11 管廊结构弯矩

图12 管廊结构位移

由图11、图12可知,弯矩最大值约为115.4 kN·mm,发生于右侧板底部节点处,说明双舱预制拼装管廊在单侧开挖工况下时,受土压力的一侧侧墙底部节点最容易发生破坏。管廊的位移最大值发生于管廊的顶板,约为1.3 mm,结构位移差值较小,说明单侧开挖情况下对于预制拼装式管廊的刚度要求较小。

4 结 论

(1)地震作用下,主要的X向位移发生在管廊的顶板处,原因主要为预制拼装管廊的侧墙与底板连接处的节点转动刚度较低,侧板发生了转动,Z向位移主要发生在左舱道,原因为左舱道的宽度较宽,结构形式不如右舱道稳定。

(2)在不均匀的地质条件、水土压力下,有无车辆荷载作用的的管廊竖向位移相差不大,可知,短期的车辆荷载对管廊的顶板位移影响不大,双舱预制拼装管廊的最大位移点均位于左舱的中部顶板处,因此,该管廊左舱的跨中最易破坏。

(3)在管廊单侧开挖的工况下,受力侧侧墙底部节点最容易发生破坏;管廊的位移最大值发生于管廊的顶板,但结构的位移值较小,说明单侧开挖工况下对于双舱预制拼装式管廊刚度要求较小。

水利水电技术

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