简述综合管廊结构设计.pdf

1、北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院简述综合管廊结构设计简述综合管廊结构设计北京市市政工程设计研究总院有限公司地下空间设计院王鑫2019年11月北京北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言“相同的内功，不同的招式”不同点：各专业间不同的规范要求及绘图习惯等相同点：基础知识和核心体系（三大力学、结构设计原理，土力学等）北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、

2、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院二、结构特点简介综合管廊通常为多舱闭合框架结构，主要由顶、底板、侧墙、中墙、节点夹层等部分组成。一般情况下结构主要有电力舱、水信舱、热力舱、燃气舱等。结构纵向长度根据需求可以为几十米至几十公里。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院二、结构特点简介综合管廊的体量不同于工民建的地下结构，而更接近于城市地下隧道或地铁区间隧道结构。一般情况下结构覆土35米，结构对地基承载力的要求不高。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院二、结构特点简介由于结构纵

3、向尺寸很大，需设置结构缝，因此对地基的不均匀沉降控制要求比较高。如果地基不均匀沉降过大，结构墙、板容易发生局部弯矩及剪力超限，造成结构破坏。结构缝差异沉降下的变形北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院三、计算体系的选用程序建模Midas Civil&Gen&FEA杆系单元优点：建模简单，计算快捷缺点：只能计算单向受力，难以模拟异形板结构板单元优点：建模比较简单，计算比较快捷缺点：对于墙板相接的结构刚性区域无法实现真实模拟实

4、体单元优点：特别适合计算复杂异形梁、板、柱及刚域等结构缺点：建模复杂，运算时间长，读取数据繁琐北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院三、计算体系的选用对于复杂节点，建立实体模型计算更加准确，但要花费时间更多，工作量更大。因此实体模型计算适合进行局部构件分析，不适合进行大批量计算。存在问题通过研究和比较，弄清板单元和实体单元计算程序的计算结果差异，以板单元模型为主进行计算，节省计算工作量。解题思路北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院三、计算体系的选用建立板单元模型时，所有单元均为无厚度的板，故同一个模型，用板单元建立，其跨径大于实体模型1倍侧墙厚。如图所示框架（墙厚

5、1米），按板单元建模，其计算跨径为10m；按实体单元建模，其计算跨径则为9m。因此初步判断，对于同一模型，板单元计算弯矩应略大于实体单元计算弯矩。板单元模型（断面示意）实体单元模型（断面示意）北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院三、计算体系的选用小框架-板模型小框架-实体模型大框架-板模型大框架-实体模型选取模型进行计算比较。为使计算结果真实可信，该模型按某工程真实情况模拟。取该工程中出现的大、小两种标准框架断面进行分析，荷载为：自重、土压力、水压力、铺装、车辆。荷载大小及方向相同，均用恒荷载加载。在有水工况和无水工况下各选取3个点（顶板支点、顶板跨中、夹腋起点）择取弯矩，对板

6、单元与实体单元模型的这6个数值进行排列比较，结果如下图所示：北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院三、计算体系的选用考虑到数据样本有限，且存在计算误差与取值误差，因此不能依此计算量化各模型的计算差值，但根据对数据结果的比较可看出差值趋势。并由此验证之前的推论：采用板单元建模的计算结果略大于实体单元建模的计算结果，采用该结果设计偏于安全。在设计工作中应以板单元模型为主进行计算，对于个别复杂节点，可建局部实体单元模型进行补充分析。00.20.40.60.811.21.4123456小框架-弯矩比值板实体00.20.40.60.811.2123456大框架-弯矩比值板实体北京市市政工程

7、设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例主要设计依据工程结构可靠性设计统一标准（GB50153-2008）；建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2018）；混凝土结构设计规范（2015年版）（GB50010-2010）；建筑结构荷载规范（GB50009-2012）；城市综合管廊工程技术规范（GB50838-2015）；建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2008）；建筑工程抗震性态设计通则（CECS 160

8、：2004）；室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范（GB50032-2003）；建筑抗震设计规范（2016年版）（GB50011-2010）；城市桥梁设计规范（CJJ11-2011）；给水排水工程混凝土构筑物变形缝技术规范（T/CECS117：2017）建筑地基基础勘计规范（GB50007-2011）；北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例主要设计标准安全等级：一级；结构重要性系数0=1.1；设计使用年限：100年；钢筋混凝土结构构件裂缝宽度0.2mm；防水等级：二级；抗震设防分类：乙类（重点设防类）；人防荷载：甲6级（根据北京市民防局规定）；其余设计标准应根

9、据结构性能要求及所在场区水文地质环境等因素确定。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例边界条件对于明挖施工管廊，地基反力按文克尔(Winkler)假定计算（把地基看成许多互不联系竖向布置的弹簧，弹簧的刚度即为基床系数），根据持力层综合考虑基床系数，通常取1000020000 kN/m。计算简图（断面）如下：地基土弹簧北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例结构整体计算主要荷载 主要是结构本体自重及铺装自重。管廊内大部分管线及设备自重较小，且通常布置于底板上，计算时可不计。自重 侧向土压力按静土压力计算。土压力 应验算满水工况，按抗浮

10、水位考虑。荷载按静水压力计算，各个方向均考虑。水压力 应考虑地面堆载或车辆轮压作用。活载 整体温升温降可不考虑。如结构有热力舱，应考虑舱室结构壁面温差，即温度梯度。温度力北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例结构整体计算主要荷载 分为结构自重惯性力、侧墙动土压力增大值、覆土对顶板的水平摩擦力。地震荷载 根据人防部门相关规定，按甲6级人防荷载考虑。按等效静荷载加载。人防荷载北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例需要进行单独核算的内容 应验算管线支吊架对结构侧墙作用。重点核算压力管线固定支墩对结构底板的作用。管线支吊架作用 地面风亭、

11、逃生口、吊装口等附属构筑物，对应的风荷载、雪荷载、活动盖板所受土荷载等作用。出地面构筑物核算 根据抗浮水位，应对结构整体单独进行抗浮验算。抗浮验算北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例1、建立板单元模型，划分网格。建议节段长30m，缝宽30mm。标准断面建模可取1m长标准段建模。考虑温度梯度时，建议取不小于10m的标准段建模。自动网格划分自动网格划分北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例2、赋予单元材料、厚度、边界条件。竖向约束按节点弹性支承（只受压弹簧）加载。结构特性及结构特性及边界条件边界条件北京市市政工程设计研究总院北京市市

12、政工程设计研究总院四、计算要点及算例3、对结构各位置施加静力荷载。注意荷载施加方向与单元坐标轴方向。静力荷载静力荷载北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例4、计算并读取结果。先查位移是否合理，以确认模型是否正确。查看位移查看位移北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例5、读取各板、墙的弯矩、轴力、剪力。5.1 设计截面的选择抗弯设计截面抗剪设计截面北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例5、读取各板、墙的弯矩、轴力、剪力。5.2 注意：查询板单元计算结果时，不应采用极值；若板厚无突变，可采用节点平均值计

13、算配筋，若板厚有突变（遇梁）时，可采用单元中心值计算配筋，但此时单元划分应有足够精度，一般划分宽度不应大于较小板厚的1/2。节点平均值节点平均值单元中心值单元中心值北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例5、读取各板、墙的弯矩、轴力、剪力。5.3 结果数据的弯矩方向：Mxx为x方向受弯的弯矩，不是绕x轴转动方向的弯矩。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例6、验算结构的强度、裂缝。强度包括抗弯承载力及抗剪承载力。通常情况下抗弯配筋由裂缝验算控制。抗剪主要靠结构自身的厚度以及拉结筋的布置。根据计算经验，配筋设计大多由静力荷载控制。地震

14、荷载及人防荷载多为复核使用。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例7、抗浮验算结构自重G顶板上覆土重G1顶板上水自重G2底板水浮托力F抗浮稳定安全系数：K=（G+G1+G2）/F1.05（不计地层摩阻力）标准断面可取单延米计算。对于有大尺寸空舱的节点，建议进行整个节段的抗浮验算。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例8、地基承载力验算建筑地基基础设计规范GB 50007-2011最大地基反力,max平均地基反力经宽深修正后的地基承载力,max/1.2=+3+0 1.5北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点

15、及算例9、纵向抗震计算室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范（GB 50032-2003）北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院四、计算要点及算例9、纵向抗震计算20211241,0232411221()1()2sgppHgkTptTTpl ktTkLV TLnllK gTUKKu kEAEIKLKLBUL=+=+剪切波波长：半个视波长内的变形缝数量：，截取整数部分，为变形缝间距剪切波行进时土体最大水平位移标准值：土体弹性抗力：管廊、土体间的位移传递系数：拉伸，弯曲半个视波长内的管廊纵向位移标准值：每道变形缝的最大位移,010.64aEHPpl kaunu=标准值：止水带的几何可

16、伸展长度：L北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例1 相交节点上下通道交错布置顶板左上视角底板右下视角存在问题：1、交错处通道如剪刀，剪力极大且方向交错，结构有空间受扭趋势。2、结构底面凹凸不平，给基坑操作带来极大困难。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例1 相交节点上下通道交错布置底板右下视角解决方案：通过补充底板及侧墙，以结构空舱的形式补充结构外轮廓，使结构平

17、整流畅，受力均匀合理。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例2 悬空墙局部视角简支T梁存在问题：1、通常墙体为受压构件，或面内受弯构件。而此类悬空墙承受着上部传下来的荷载，结构面外受弯，受力形式类似于简支T梁的梁肋。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例2 悬空墙解决方案：该墙作为顶板和中层板的分跨支承构件，必须满足强度和裂缝要求。先根据跨高比判断是否深梁。如按普通梁设计，可认为受荷面积为梁长范围内顶板两侧各1/2跨度。中性轴以上的钢筋不考虑参与受力，可在梁肋下部加密钢筋。算法如下：上部荷载 q=（覆土重+上板重+梁自重）

18、/L梁底弯矩 M=qL/8（可按简支计算，偏于保守）根据所求得弯矩，按纯弯构件计算并配筋。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例3 跨度过大的板顶板俯视存在问题：1、节点顶层为无柱开敞参观大厅，尺寸约为20 x16m。顶部设置3个异形采光天窗。2、结构尺寸大，顶板承受覆土荷载，板底正弯矩大，侧墙顶负弯矩大。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例3 跨度过大的板顶板俯视解决方案：1、顶板设置井字梁，通过强大的抗弯钢筋抵抗结构弯矩。必要时梁内可张拉钢束。2、侧墙对应各顶板梁处设置暗柱，以承担由顶板梁传下来的弯矩。北京市市政工程

19、设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例4 结构有突变（或上部荷载有突变）顶板（内侧仰视）存在问题：1、结构中墙端头处顶板受力集中，负弯矩非常大。2、结构跨度不均匀，板各处跨中正弯矩相差很大。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例4 跨度有突变（或上部荷载有突变）顶板（外侧俯视）解决方案：1、中墙端头处局部加厚顶板，做成扩头形式，以承受相应的弯矩和冲切效应。2、采用不等厚顶板，在跨度较小的舱室减薄板厚，以降低自重、节省材料。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑案例5 软弱地基管廊存在问题：1、管廊所在地基

20、为软弱土，承载能力很差。需采取相应措施以加强结构承载能力。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特殊节点的考虑基础采用钻孔灌注桩加固案例5 软弱地基管廊基础采用PHC管桩加固解决方案：1、基底采用柔性桩（水泥搅拌桩、素混凝土桩、旋喷桩）或半刚性桩（CFG桩）复合地基进行加固。模型边界依然按文克尔假定地基土弹簧考虑。2、基底采用刚性桩（PHC管桩、钻孔灌注桩）复合地基加固，利用桩体摩擦力提高结构承载力。此体系下桩基作为支点，管廊结构受力类似于箱梁，需考虑跨中处底板正弯矩和支点处顶板负弯矩，此外还需考虑底板局部抗弯和抗剪。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院五、特

21、殊节点的考虑案例6 超长节点规范规定现浇混凝土管廊结构变形缝最大间距30m。而实际工程中，由于某些功能性空间需求，常出现大于30m的超长节点。根据以往工程经验，当变形缝间距超过30m时，应采取措施。通常处理如下：节段（两端变形缝之间）采用补偿收缩砼；结构设置后浇带，通常布置于结构中受力较小处，后浇带于两侧混凝土浇注后42d浇注；后浇带浇注前，两侧混凝土支架不得拆除。结构与后浇带内添加高性能混凝土抗裂剂。后浇带后浇带北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院特别提示：使用Midas软件进行有限元计算，应特别注意结构体系的选取、节点的连接方式、边界条件的设置、单元坐标轴及荷载的方向等问题

22、。计算后先看看结构位移是否合理。大部分的计算错误是由于模型设置不当，不要轻易怀疑程序。五、特殊节点的考虑北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造1、防水根据地下工程防水技术规范（GB 50108-2008）规定，结构主体常用材料分类如下：防水混凝土卷材防水层涂料防水层水泥砂浆防水层塑料防水板防水层金属防水层膨润土防水材料防水层地下工程种植顶板防水北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造1、

23、防水卷材防水层北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造1、防水卷材防水层北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造1、防水涂料防水层涂料防水层无机涂料掺外加剂、掺合料的水泥基防水涂料水泥基渗透结晶性防水涂料有机涂料反应型水乳型聚合物水泥北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造1、防水涂料防水层北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造预埋钢套筒（带止水环）预埋钢套管（带止水钢板）1、防水细部构造防水北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造钢边橡胶止水带止水螺杆1、防水细部构造防水

24、北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造2、接头平口管廊常用的接口形式主要有平口、承插口、企口等方式。平口构造简单、施工方便，但抵抗不均匀沉降性能较差。承插口结构密实，抵抗不均匀沉降性能好，但施工稍复杂。企口外侧平顺，又具有承插口的抗不均匀沉降特性，很适用于预制管廊节段。企口承插口北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造3、支架及锚栓后锚固支架（立柱+锚栓）立柱支架预埋支架（预埋槽）北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造4、防火措施防火墙防火模块连接缝防火胶北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造

25、人员出入口与风井5、出地面构筑物北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造带钢盖板的人孔和栏杆排风机和防火阀6、其它风井百叶北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造活动爬梯钢梯及栏杆6、其它预埋吊钩北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造6、其它活动支墩固定支墩北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院六、附属构造6、其它集水坑及钢格板消防及监控措施北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院一、前言二、结构特点简介提 纲四、计算要点及算例三、计算体系的选用五、特殊节点的考虑七、施工工法六、附属构造北京市市

26、政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法1、分类根据基坑开挖方式，可分为明挖、暗挖、盾构、顶管等。根据结构加工方式，可分为现浇、预制等。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案明挖 明挖方案具有造价优势，工艺简单成熟，在大部分情况下是首选方案。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案暗挖 如果结构所处河道断流困难，但土层条件较好、地下水位不高，则暗挖也是成熟可行的方案。该方案已经广泛应用于地铁工程，在管廊工程中也有应用。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计

27、研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案随桥敷设 廊内管线在过河处随桥敷设，造价优势明显、施工简单、养护方便，并且有效地避免了水中施工的高风险，但该方案限制条件较多，满足要求方可采用。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案管线桥 管廊桥架设工艺成熟、施工简便、造价不高，特别适用于对景观无特殊要求的区域。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案圆形顶管 在水量大、水流急或断流困难的河道中施工，顶管方案能有效避免河道导改与水中施工，也具有相当的优势。北京市市政工程设计

28、研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案矩形顶管 矩形顶管近年来发展很快，技术已经比较成熟，其制约因素主要是造价较高。但如果管廊断面与盾构机头尺寸吻合，且顶进长度具备一定规模，则可有效摊薄设备及模具费用，使其造价接近普通圆形顶管。在造价接近的情况下，矩形顶管工法应用于管廊，在廊内缆线布置、断面转换等方面具有很大的优势。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法2、开挖工法选择案例1管廊过河方案盾构 由于综合管廊平面布置复杂，断面、节点种类较多，不如地铁线路简单、断面稳定，因此盾构的应用在造价及施工方法上具有一定的局限性。但该方案在老

29、城区施工的优势突出。随着机械设备技术的发展，将来有可能解决现有的难题，使得该技术能大规模的应用于实际工程中。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法3、加工工法选择案例2管廊预制方案全预制拼装叠合式预制装配拼板式预制装配拼块式预制装配北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法钢筋加工装橡胶圈涂刷黄油首件吊装构件运输底板防水构件养生拆除模板二段吊装准备回填防水施工倒链拉紧全预制拼装+传统吊装施工北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院七、施工工法3、加工工法选择案例2管廊预制方案U型盾构施工 U型盾构施工技术是近年来发展出的新技术，特点是

30、盾构机开挖的同时安装预制管节，无需单独支护。适用开挖深度10m，开挖宽度15m，线路曲线半径500m，纵坡3%。该方案比较适用于预制管廊施工。北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院BIMBIM技术的应用技术的应用北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院感谢大家百忙之中的观看！感谢感谢大家百忙之中的观看！感谢MidasMidas公司提供公司提供的展示平台，以及长久以来的支持和陪伴。本人水的展示平台，以及长久以来的支持和陪伴。本人水平有限，希望大家多多批评指正，相互交流提高。平有限，希望大家多多批评指正，相互交流提高。北京市市政工程设计研究总院有限公司地下空间设计院王鑫个人邮箱2019年11月北京