截面外拱的箱型钢结构城市地下综合管廊的制作方法

本实用新型涉及一种地下综合管廊，尤其涉及一种截面外拱的箱型钢结构城市地下综合管廊。

背景技术：

现在的城市地下综合管廊，大部分是采用钢筋混凝土结构，由于混凝土结构是刚性结构(自身刚度大，抵抗变形能力强)，变形量很少，廊体过宽或者过高，不会导致廊体内管架及管线变形及损害，同时，这些管廊的截面形状可以为矩形，主要原因是要利用两侧的侧壁布设竖直的支架，并在竖直的支架上布设各类水电管线，这些竖直的支架容易加工，容纳管线量大，管线易布设安装。虽然刚度大、不易变形是刚性结构管廊的优点，但是管廊地下工程回填土后都会都会有2～3个月的沉降期，回填土密实度难以保证一致，沉降期期间就会造成不均匀沉降，刚性结构管廊在遇到不均匀沉降后局部应力集中明显，整体结构受力不佳，从而也使得钢筋混凝土管廊存在壁厚要求大，造价成本高、运输安装困难等问题。如图1-2所示，如果管廊截面是圆形椭圆的，则支架也得做成圆弧形，与管廊截面一致，但是弧形支架加工困难，承载能力低，且布设水电管线时空间容纳能力差，施工繁琐困难。另外，如果是圆形截面的管廊，其内部通行净空空间利用率低，在满足同样的净空空间要求时，高度就会增加，开挖深度增大。同样，针对普通的钢波纹管式的地下管廊，除了存在上述同样的问题外，在目前管廊通用尺寸大小的情况下，如果卷圆成直径3～4米的管廊，只能使用小波高、小惯性矩、小强度的波形参数，如波高50mm、55mm或100mm，难以使用波高达140mm以及140mm以上大惯性矩的波形参数，这样在管廊埋地后变形就会很大，其中包括设置支架的两个侧壁的变形。

本申请人在先申请了一系列钢结构地下综合管廊，这里的钢结构是钢质材料组成的结构，不同于上述混凝土刚性结构，但是这些钢结构管廊在实际应用中的变形量较大，一方面管廊利用管土共同受力原理，也就是管土协同变形原理，钢结构与回填土的协同变形作用，变形量自然就很大；同时，钢结构构件在工程中允许的变形量要比钢筋混凝土构件大得多。故此，钢结构的综合管廊廊体的变形就会引起管廊内部管架及管线的变形及损害。

因此，亟待解决上述技术难题。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型提供了一种在管廊内易设置支架、能容纳更多的水电管线、管体结构稳定不易变形、可利用管土共同受力原理快速实现管廊拼接的截面外拱的箱型钢结构城市地下综合管廊。

技术方案：本实用新型所述的地下综合管廊，包括由分别位于上下面和两侧面的单元板片沿周向拼装形成单元管节，该单元管节沿轴向拼装形成管廊，所述单元板片为向管廊外侧起拱的弧形钢波纹板，其波纹纹路与管廊轴心线垂直，两侧单元板片的内侧半径大于0.5倍管廊对角线的长度，管廊的宽度大于其高度的0.5倍并小于其高度的2倍；其中，所述管廊对角线的长度以相邻单元板片的周向连接点为测量点。

优选地，所述两侧单元板片的内侧半径大于0.75倍管廊对角线的长度，管廊的宽度大于其高度的0.75倍并小于其高度的1.5倍。

相邻所述单元板片的周向连接处形成角度，例如可以形成钝角结构，或者为圆弧过度。

相邻所述单元板片的周向连接端部各设纵向法兰，且相邻的连接法兰形成拼接连接面。其中，纵向法兰为平直状法兰、角钢法兰、异型角钢法兰、槽钢或异型槽钢。

靠近所述管廊的内侧壁处布置竖向支架立杆，和/或靠近所述管廊的顶部或底部内表面处布置横向支架横杆，所述竖向支架和/或横向支架的端部连接在相邻单元板片的纵向法兰处。

本实用新型中，位于上下面和两侧面的所述单元板片的弧度相同或不同。或者同一单元板片的弧度不同。单元板片由金属板构成，该金属板自身弯折形成凸起；或由金属板弯折形成凸起，再用板材或管材与该凸起组合形成空心腔体结构；或由金属板和金属管拼接而成；或由C型钢、槽钢、工字钢、弧形钢、角钢或波纹板与金属板扣合形成带有空心腔体的结构。进一步地，所述空心腔体内填充混凝土，或者在所述空心腔体内布置钢筋并填充混凝土。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下显著优点：

(1)本实用新型的箱型钢结构地下综合管廊，对两侧壁单元板片的内侧半径作了限定，使得侧壁板片的半径大、曲率小，能保证竖向支架的高度，提高支架的水电管线的容纳量，同时竖向支架能尽量靠近管廊的侧壁，让出中间空间，提高了管廊内部净空利用率。

(2)本实用新型的箱型钢结构地下综合管廊，对管廊横截面的高宽比作了要求，能保证管廊的高度，提高侧壁管架容纳管线的能力，也能控制管廊的变形量，使之符合钢结构规范变形量的要求。

(3)该管廊截面为外拱的箱型管廊，廊体净空利用率高，且单元板片采用弧形结构，利用管土共同受力原理，整体结构的强度与承受力最大化，解决了纯粹矩形截面的管廊埋地时不能利用管土共同受力原理，结构受力差、造价成本高等问题。

(4)该箱型管廊周向可以采用平直状法兰、角钢法兰或异型槽钢等法兰连接，每节长度可以做至10米以上，整体施工进度加快，尤其采用角钢或槽钢法兰连接时，角部应力集中区的受力情况得到了极大地改善，避免纵向法兰与单元板片单一焊接连接的形式在动载工况下焊缝开裂而造成管体结构破坏等现象。

(5)在保障相同净空利用率及荷载条件下，该管廊的钢材厚度及截面弧长均可减少，节约成本，更有利于加快施工现场的施工进度，带来巨大的经济效益及社会效益。

附图说明

图1为现有技术圆形管廊的内部净空的结构示意图；

图2为现有技术椭圆形管廊的内部净空的结构示意图；

图3-7分别为本实用新型地下综合管廊的横截面图；

图8-10分别为三种管廊的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

本实用新型的箱型管廊1，包括由分别位于上、下和两侧面的单元板片2沿周向拼装形成单元管节，该单元管节沿轴向拼装形成箱型管廊；单元板片2为向箱型管廊外侧起拱的弧形钢波纹板，其波纹纹路与箱型管廊轴心线相垂直；其中，两侧单元板片的内侧半径大于0.5倍管廊对角线的长度，管廊的宽度大于其高度的0.5倍并小于其高度的2 倍，管廊对角线的长度以相邻单元板片的周向连接点为测量点。

本实用新型对钢结构综合管廊的外部尺寸(两侧单元板片的内侧半径及管廊的宽高比)进行限定，经过理论计算及三维模拟试验得出结论：单舱钢结构管廊的宽高比范围控制在0.6-1.8倍，进一步优选为0.75-1.5倍，更优选的，宽与高尽量接近才能有较好的受力效果。同时，两侧单元板片的内侧半径大于0.5倍管廊对角线的长度，可以得到形状无限接近矩形/方拱的管廊，该结构的管廊变形量小且受力均匀，优选的，两侧单元板片的内侧半径大于0.56倍管廊对角线的长度，更优的，两侧单元板片的内侧半径大于 0.75倍管廊对角线的长度。

其中，相邻单元板片之间可以形成周向连接的角度，如图3和图6所示，也可以是圆弧过渡，如图4、5、7所示。其中，所述单元板片沿周向拼接时，相邻单元板片的接触端部设有纵向法兰3，且相邻纵向法兰3为拼接连接面，其中纵向法兰3为平直状法兰、角钢法兰、异型角钢法兰、槽钢或异型槽钢，可以通过螺栓实现快速连接，安装便捷，极大提升施工进度。

本实用新型中，分别位于上、下和两侧面的单元板片具有至少一种弧度，每片单元板片以该片板上半径最大的弧度为基准半径，每块板片的弧度可以不同，四块单元板片可为同一弧度的板片，亦可以为两种、三种或四种不同弧度的板片构成。其中，单元板片由金属板构成，该金属板自身弯折形成凸起；或金属板弯折形成凸起形状，用板材或管材与该凸起组合形成空心腔体结构；或由金属板和金属管拼接而成；或者由C型钢、槽钢、工字钢、弧形钢、角钢或波纹板与金属板扣合形成带有空心腔体结构。本实用新型可在上述空心腔体内充填混凝土，或者在所述空心腔体内布置钢筋并充填混凝土。本实用新型管廊单元板片的波纹高度值及截面惯性矩可以很高，避免了管廊直径较小或圆弧过渡段的半径较小时，难以弯曲成所要求弧度的难题，从而也使得板片的弧度不再受管廊口径和跨度的限制，为生产制造提供了了便利。

本实用新型管廊的角度连接形式中各板片受力方向也为板片环向方向，侧部回填土对顶板的挤压，使得连接角部处的侧板对顶板有较大的向上托举的分力，减轻顶部板片所受上部荷载压力。同样顶部板片的竖向压力，使得顶板在连接角部对侧板有较大侧向推力，减轻侧部板片所受侧部荷载压力，可见侧板荷载与顶部荷载在此种连接结构形式下，可相互抵消部分荷载，从而使得整体结构更趋于合理。

本实用新型管廊截面为近似矩形的箱形，管廊的强度高、造价低，其管廊净空利用率高，两侧壁支架易设置，支架容纳水电线量大，如图3-7中虚线部分所示，靠近管廊的内侧壁处布置竖向支架立杆4，也可以在靠近所述管廊的顶部或底部内表面处布置横向支架横杆5，竖向支架4和/或横向支架5的端部连接在相邻单元板片的纵向法兰处，同时还可以在竖向支架立杆4、横向支架横杆5上布设短支架6。其中单元板片采用圆弧形结构的拱状波纹板，在廊体土体回填后，周围回填土对廊体能形成很好的包裹作用，在整体结构受力上，周围土体与管廊结构构成一个整体，因为板片在周向是圆弧形，利用管土共同受力原理，整体结构的强度与承受力最大化。

实施例1

受力分析实验：管廊两侧单元板片的内侧半径尺寸限定

(1)当内侧半径等于0.5倍的对角线时，管廊截面形状为圆形；(2)当内侧半径大于0.5倍对角线时，管廊截面形状无限接近于矩形；(3)当内侧半径小于0.5倍对角线时，管廊截面形状无限接近于梅花形；

众所周知，圆形的受力性能是最好的，但是由于地下综合管廊需要必须的净高和净宽要求，并且圆形截面支架无法布设(专利文件中有详细比较)。这里就不对圆形截面进行受力分析。以下就各个土压力作用下对矩形(图8)、梅花形(图9)和方拱形(图 10，本专利申请形状)这三种钢结构管廊进行三维受力计算分析，结果参见表1。

表1矩形、梅花形和方拱形钢结构管廊受力分析

注：矩形与方拱形的最大位移位于跨中，梅花形的最大位移位于纵向接缝处。最大应力均位于接缝位置。

结论：通过三维有限元分析后，在矩形、梅花形和方拱形三种结构中，方拱形的变形量最小且受力均匀；同时，当两侧单元板片的内侧半径大于0.5-0.75倍管廊对角线的长度时，方拱形结构的变形量逐渐减小且受力均匀性提高，超过0.75倍后拱形结构的变形量的逐渐减小趋势趋于平缓，其受力均匀性也趋于稳定。

实施例2

受力分析实验：管廊的宽高比尺寸限定

实验方法：采用方拱形钢结构管廊，在圆弧半径与对角线的关系一定的前提下，控制廊体截面的宽高比，计算分析三维受力情况，结果参见表2。

表2

注：最大位移位于跨中位置；最大应力均位于接缝位置；位移单位为cm，应力单位为MPa。

结论：在圆弧半径与对角线的关系一定的前提下，方拱形廊体截面的宽高比从0.5-1 变化时，最大位移位和最大应力逐渐减小；等于1时，其结构最大位移位和最大应力均最小；当宽高比大于1时其相应的最大位移和最大应力也变大，当宽高比超过2后，在100MPa荷载下其变形量已经超过2cm，对廊体内部支吊架造成的摆动，已严重影响其自身结构受力性能和后续管线的布设；所以方拱形箱型管廊的截面宽高应控制在0.5-2，优选为0.75-1.5，进一步优选为1，此时，管廊的受力性能逐渐加强直至最佳。