建筑技术丨现浇管廊变形缝接头力学性能数值模拟研究

1 工程概况

鄂州东站片区交通配套项目吴都大道管廊工程，西起葛山大道，东至体育东路。拟建场地地势起伏较大，其中吴都大道沿线现状地面标高为21.910~49.940 m，文塘路沿线现状地面标高为26.570~41.040 m。根据现场踏勘及地质调查，场地沿线多处露有中风化花岗岩露头，表层有植被、树木覆盖，沿线不均匀地层工况较多。管廊整体与道路平行布置，实际总长约4.6 km，其中顶管施工部分长190 m。

管廊设计为综合舱、高压电力舱两舱，全线标准段采用矩形断面净空尺寸为宽×高=（2.7+2.5）m×2.7 m，标准断面尺寸如图1所示。

图1 管廊标准断面示意

管廊顶板和两侧侧墙厚度为350 mm，底板厚450 mm，中隔墙厚300 mm。管廊接缝之间装有嵌缝板，除此之外，接缝间自下而上采用背贴式止水带、中埋式橡胶止水带进行止水，接头连接上方装有不锈钢接水盒，接水盒下方布设有聚氨酯密封胶进行隔水止水。现浇管廊两段之间底部采用300 mm厚的枕梁及两层垫层进行加固支撑。接缝部位构造及尺寸如图2所示。

图2 管廊变形缝接头构造及尺寸示意

变形缝是现浇管廊着重管理的重要环节。管廊变形缝接头部位的应力及变形分布规律是现浇管廊的重要关注点，较大的应力和变形不仅会引起该特殊部位渗漏水，甚至会引起管廊破坏。因此，有必要对现浇管廊变形缝的位移分布规律和力学性能进行研究。

2 数值模型构建

2.1 数值模型建立

根据管廊标准断面结构形式，采用有限元软件midas GTS NX进行建模和计算分析。模型长×宽×高为40 m×20 m×15 m。

由于重点分析现浇管廊变形缝接头部位的受力及位移，对两段管廊中间进行精细化建模，枕梁、垫层、嵌缝板等构造按照施工图进行建模。模型前、后、左、右采用法向约束，模型顶面采用自由面，模型地面采用固定边界。

2.2 模型参数选取

为了简化计算，土体采用均质化土体，地面可变荷载等效为10 kN/m²的均布荷载。根据地勘资料简化土体成层状土，采用莫尔–库伦线弹塑性模型，土体参数见表1。混凝土及垫梁强度等级为C 40，素混凝土垫层强度等级为C 20。

表1 相关材料参数取值

3 计算结果分析

3.1 管廊变形缝接头处变形分析

通过对综合管廊建模分析，分别对管廊变形缝接头左右侧管廊的顶底板及左右侧墙位移进行分析，如图3、图4所示。

（a）

（b）

图3 变形缝接头左侧管廊位移

（a）管廊顶底板位移；（b）管廊左右侧墙位移

（a）

（b）

图4 变形缝接头右侧管廊位移

（a）管廊顶底板位移；（b）管廊左右侧墙位移

由图3（a）可知，接缝左侧管廊顶板变形较大处位于左右舱室的中间位置，最大变形达3 mm；管廊中间位置及左右侧墙区域由于中隔墙及侧墙的存在，变形均相对较小。管廊底板侧最大变形位移位于左右侧墙下角处，达到3.05 mm，管廊中间区域变形位移较小。

由图3（b）可知，变形缝接头左侧管廊左右侧墙呈现上部向管廊内凹、墙体下部向管廊外凸的变形；最大内凹变形处位于管廊侧墙中间区域，最大处外凸变形位于距底板1/3侧墙处。管廊侧墙横向位移相对于顶底板的竖向位移要小得多，最大变形仅为0.7 mm。

由图4（a）可知，变形缝接头右侧管廊顶底板变形趋势与接缝左侧管廊变形类似，同样是顶板左右舱室跨中区域变形大，中隔墙及两侧侧墙处变形小；底板两侧墙处变形大，中间区域变形小。

主要原因在于，管廊顶板存有覆土及外加荷载，底板存有枕梁、垫层的缘故。变形缝接头右侧管廊左右隔墙的变形位移变化趋势与接缝左侧管廊左右隔墙的位移变化趋势同样类似。在侧墙上部变形呈现向管廊内凹的趋势，下部局部区域向外凸变形；最大向内凹变形处位于墙体中部，外凸变形最大区域位于墙体下部距底板1/3处。

对管廊变形缝接头处左右管廊变形进行对比分析，如图5所示。

（a）

（b）

图5 变形缝接头左右侧管廊位移对比

（a）底板位移；（b）顶板位移

变形缝两侧管廊顶底板变形趋势基本相同，底板最大位移位于左右侧墙处，顶板最大位移位于左右舱室的跨中区域，这表明管廊左右侧墙下角部及顶板的左右舱室跨中区域属于相对薄弱环节，施工时应注意该区域的配筋。

3.2 管廊变形缝接头处应力分析

对比分析变形缝接头左右两侧管廊顶底板应力及隔墙应力，如图6所示。

（a）                    （b）

（c）                    （d）

（e）

图6 变形缝接头左右侧管廊应力对比

（a）顶板应力；（b）底板应力；（c）左隔墙应力；（d）中隔墙应力；（e）右隔墙应力

变形缝左右两侧管廊顶板应力变化趋势类似，在管廊左侧墙、中隔墙、右侧墙处应力最大；在左右舱室跨中，即墙体中间区域顶板所受应力比较小，如图6（a）所示。管廊底板应力在左右侧墙处应力最大，中隔墙处所受应力次之，墙体中间区域（左右舱室跨中位置）底板应力较小，如图6（b）所示。

由管廊顶底板的应力分布曲线可知，管廊顶底板受力较大的区域均位于竖向墙体处，表面管廊左右侧墙及中隔墙承担了大部分荷载应力，结合管廊位移曲线分布分析可知（图5），在管廊变形缝接头附近两侧管廊侧墙的下角部应采取加固措施，该区域容易出现应力集中及破损，应优化该区域的配筋。由管廊应力及枕梁、垫层的应力云图可得，管廊左右舱室的跨中区域应力较小，左右侧墙及中隔墙所受的应力较大。

对比分析左侧墙、中隔墙、右侧墙处应力可知，左右侧墙所受应力相差不多，中隔墙所受的应力相对左右侧墙略大。从分布趋势表面，管廊所受的荷载较为均衡，没有出现偏应力荷载。

同时结合变形缝接头两侧管廊变形图分析可知，在接缝处变形缝左右管廊未出现明显的不均匀沉降，这对管廊的维护是有利的，也表明枕梁+垫层这种方式较适宜现浇管廊接头处理方式。

4 结论

本研究采用通用有限元数值方法，对鄂州东站片区交通配套项目吴都大道中现浇管廊工程进行模拟分析，通过模拟现浇管廊接缝处的现场实体构造，对现浇管廊变形缝接头两侧管廊的变形分布规律及应力变化进行了分析，得出主要结论如下。

（1）变形缝接头两侧管廊顶底板变形规律呈波浪形，顶板在左右舱室的跨中区域变形最大，底板在左右侧墙处变形最大；左右侧墙的横向变形呈上部内凹、下部外凸的变形规律，在墙体中间位置内凹变形最大，下部距底板1/3处外凸变形最大。

（2）变形缝左右管廊顶底板应力最大处均在左侧墙、中隔墙、右侧墙墙体处，底板位移最大处位于左右侧墙处，顶板最大位移位于左右舱室的中跨中区域，因此在左右侧墙下角部易出现应力集中及较大变形，该区域属于现浇管廊的薄弱环节，应对该区域的配筋进行优化处理。

（3）变形缝接头左右管廊的位移及应力变化规律均呈现相似的规律性，表明管廊变形缝左右两侧未出现明显的不均匀沉降，这对管廊的维护是有利的，也表明枕梁+垫层这种方式是较为适宜的现浇管廊接头处理方式。