城市主干道车辆振动荷载对超浅埋叠合式管廊结构变形及振动控制研究

城市主干道车辆振动荷载对超浅埋叠合式管廊结构变形及振动控制研究

顾鹤洋1，李凯1，柯昌喜1

1. 深圳市宝安区建筑工务署，广东 深圳 518100

摘要：市政工程中，采用明挖法施工的综合管廊埋深小浅且多位于重要主干道路面以下，其中预制叠合式管廊接头多、整体性差，在车辆振动荷载的长期影响下，将导致结构出现变形或开裂。据此研究车辆振动荷载对浅埋叠合式管廊结构受力及变形规律，结果表明：车辆距离管廊中心位置越远，对管廊的影响越小；车辆速度越小，对管廊的影响越大；管廊的承托和腋角处的有明显的应力集中现象。

关键词：超浅埋；叠合式管廊；车辆荷载；变形；应力集中

Abstract: In municipal engineering, the buried depth of the comprehensive pipe gallery using open excavation method is small and most of them are located below the road surface of important main roads. Among them, the prefabricated composite pipe gallery has many joints and poor integrity. Under the long-term influence of vehicle vibration load, the structure will be deformed or cracked. Based on this, the stress and deformation law of shallow buried superimposed pipe gallery structure under vehicle vibration load is studied. The results show that the farther the vehicle is from the center of the pipe gallery, the less influence it has on the pipe gallery. The smaller the vehicle speed, the greater the influence on the pipe gallery; There are obvious stress concentration phenomenon in the supporting and axillary corners of the pipe gallery.

Key words: ultra-shallow burial; Superimposed pipe gallery; Vehicle load; Deformation; The stress concentration

1 引言

    综合管廊有利于统筹各类管线的敷设，对实现城市发展方式的转变具有重大意义。综合管廊多铺设在城市主干道下，受车辆长期振动荷载影响，对结构产生不利影响。

文献[2]分析了综合管廊结构设计的特点，给出了汽车轮压等效均布活荷载的一般规律；文献[3-4]将汽车荷载等效为均布静荷载分析管廊的受力变形特征；文献[5-9]将汽车荷载等效为波动荷载进行动力分析，研究了车速、车重、埋深、车辆荷载作用位置等因素下管廊的力学性状；文献[10-11]基于波动荷载模型，进一步分析了地下管廊的疲劳特征。

随着综合管廊的建设，出现了管廊与地铁同期共建的案例，这将极大地提高综合效益[12-14]。在地铁盾构区间上方明挖法修建综合管廊，要施作钻孔灌注桩等基坑围护结构。管廊运营后，围护结构存在时车辆荷载长期影响下的管廊受力和变形特征还少有研究。因此本文结合实际工程，研究在车辆荷载作用下路面-围护结构-管廊-土体的相互作用。

2 工程概况

深圳地铁12号线上流区间管廊地铁同期共建工程，采用明挖预制法施工，管廊围护结构采用“灌注桩+旋喷桩+内支撑”支护形式，最小埋深0.5m。主体采用三仓叠合式L型预制管廊，结构本身分段长4.0m，宽10.1m，高4.5m，管节间用0.5m宽混凝土现浇，预制段采用C40P8防水混凝土，现浇段采用C40P8微膨胀防水混凝土。区间位于深圳东南部沿海地区，本线路为剥蚀残丘及其间沟谷地貌。

3 有限元模型的建立

3.1 基本假定

考虑土体的分层，同一土层为各向同性的连续弹塑性体[15]；不考虑地下水作用；不考虑管廊内部管线的自重；将围护结构简化为地连墙；围护结构的变形总与周围土体相协调。

3.2模型参数

沥青混凝土路面由沥青面层、基层、底基层组成，为线弹性材料[7]；土体采用修正摩尔库伦弹塑性本构模型；路面、土体、管廊和围护结构的主要物理力学参数如表1、2所示。

表1 土层参数表  无竖向线条边框

表2 结构参数表  无竖向线条边框

3.3 模型尺寸及边界条件

模型宽度方向两侧各取管廊大于3倍的宽度，深度方向取管廊大于3倍的高度，模型总体尺寸为长45m×宽112m×高25m，围护结构与管廊采用实体单元模拟，网格划分共计138002个单元，76585个节点。

模型上表面为自由面，采用软件的自动约束功能分别施加侧面法向约束和底面固定约束。

图1 模型图

3.4 车辆荷载模型

一般来说，路面是不平整的，当车辆会发生颠簸上下震动，而波动荷载模型将这种不平整影响转化为车辆经过规则的波形路面，轮压随时间规律性变化。波动荷载采用脉冲荷载函数的半波正弦函数的近似表达式：

 （1）

式中：为车辆静载（MPa），取规范[16]中标准轴载BZZ-100，路面轮压为0.7 Mpa,根据网格划分等效为0.1664 MPa；为车辆附加荷载幅值（MPa），与车辆动载系数有关，取0.2；为车辆附加荷载作用周期（）；为车辆轮胎接触半径，取0.15m；为车辆行驶速度（）。

4 车辆位置的影响

管廊铺设的位置一般在道路、绿化带和人行道下方，车辆荷载作用位置也随之改变，在40km/h的车辆速度下，通过改变管廊中心位置与车轴中心线的距离x来研究管廊的动力力学响应，车辆轮距为1.8m，如图2所示。

图2 车辆荷载位置图（单位：mm）

图3 管廊顶板竖向位移

图3为管廊顶板随车辆荷载作用位置变化的竖向位移曲线，可以看出：当车辆荷载位于管廊中心处，管廊竖向位移沿中心线基本呈对称分布，两者中心线相距4m时，车辆荷载施加在管廊边界，此时管廊表现为倾斜变形，偏向车辆荷载一侧，有最大沉降值10.14 mm，随着车辆荷载的进一步偏移，管廊沉降最大值减小。

5 行车速度的影响

由公式（1）可以看出，通过路面上某一点时，车速越快，荷载作用时间越短。凌建明等[17]通过现场实测及计算给出了车速与加载时间的关系表达式：

（2）

根据公式（2），车辆荷载模型选取速度为40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h时，对应的加载时间即车辆附加荷载作用周期T为0.70s、0.60s、0.51s、0.44s、0.37s。将车辆荷载施加在管廊中心线位置，即x=0处。

图4 管廊顶板竖向位移

图4为管廊顶板随车辆荷载速度变化的竖向位移曲线，可以看出：车辆荷载位于管廊中心处，管廊竖向位移沿中心线基本呈对称分布，车速40km/h时，管廊沉降值最大为5.70mm，随着车速的增大，最大沉降值逐渐减小，车速80km/h时，管廊沉降值最大为5.29mm，这是因为同一车辆模型下，轴载相同，车速越大，车辆荷载作用时间越短，因而沉降值有所减小。

6 围护结构的影响

本工程中盾构隧道先行施工综合管廊后行施工，因此明挖法修建管廊需要用围护结构抑制下卧新建隧道的隆起以及保证基坑的安全开挖，管廊施工完成后，覆土回填，围护结构永久保留。钻孔灌注桩通过阻断基坑四周土的传递路径达到保护目的，因此管廊运营后也会对车辆荷载的土中传递起到一定的抑制作用。通过有无围护结构来比较不同车辆位置下管廊的受力和变形特征。

图5管廊顶板竖向位移

图6管廊顶板竖向位移

图5为无围护结构时不同车辆位置处管廊顶板的竖向位移，对比图3可以看出各位置下，有无围护结构时，管廊顶板沉降趋势一致，但无围护结构时，管廊顶板沉降值增大。

图6为无围护结构时不同车辆速度下管廊顶板的竖向位移，对比图4可以看出无围护结构时，各速度下管廊顶板沉降值均增大，车速40km/h时，无围护结构下管廊沉降值最大为7.44mm，较有围护结构工况下增加31%，车速80km/h时，无围护结构下管廊沉降值最大为6.89mm，较有围护结构工况下增加30%。同时可以看出，无围护结构下管廊顶板中心发生最大沉降的范围增大。

图7为车速40km/h、车辆荷载作用在管廊中心线位置时的实体Mises应力云图，其中（1）为有围护结构工况，（2）为无围护结构工况。车辆荷载的振动，引起土和管廊附加应力的增加，附加应力从荷载中心位置向四周扩散。围护结构阻碍了附加应力传递路径，使得管廊四周有明显的应力集中现象，最大应力3.15MPa，无围护结构时仅为1.91MPa，同时围护结构抑制了管廊下方土体的变形，使得管廊沉降值减小。

（1）                                （2）

图7 Mises应力云图

7 结论

（1）车辆距离管廊中心位置越远，对管廊的影响越小；车辆加载时间越长，对管廊的影响越大；

（2）围护结构阻碍了由车辆振动引起的土中附加应力的传递，造成管廊大面积的应力集中，同时抑制了下方土体的变形，使管廊沉降值减小；

（3）在对管廊进行设计时，要着重关注管廊承托和腋角处的应力集中现象。

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