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大直径盾构始发反力架受力分析与斜杆优化

2021-03-31曹军军王新强陆志明

四川建筑 2021年1期
关键词:立柱云图盾构

曹军军,王新强,陆志明

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031; 2. 中铁建大桥工程集团有限公司, 天津 300300)

盾构法施工隧道相对于明挖法、暗挖法、矿山法等施工方法,具有自动化程度高、施工速度快、安全性能好、对周围环境影响小等优点,是目前城市轨道交通建设施工的主流方法[1-3]。反力架是盾构始发提供反力的重要结构,一般在盾尾安装完成后安装。关于盾构始发反力架的研究,国内学者已取得较多成果。赵宝虎[4]等基于武汉长江隧道,结合数值模拟与现场试验对盾构始发过程反力架应力监测与安全进行了评价,取得较好效果。祝全兵[5]利用ABAQUS大型有限元分析软件,根据反力架的应力和位移对大直径盾构始发反力架受力安全性能进行了分析。刘荣华[6]基于实际工程总结了盾构始反力架的设计与施工要点。王凯[7]以反力架质量最小为优化目标,基于PSO算法对反力架设计进行优化,效果明显。高洪吉[8]采用ABAQUS对9.15 m大直径盾构始发阶段推力及反力架受力进行分析,确定了反力架受力薄弱点,对实际施工意义重大。李涛[9]采用FLAC3D分别对两个不同工程进行模拟,并分析了负环管片位移与拼装管片环数之间的关系,研究反力架受力特性,确定反力架拆除时机及其影响因素。可见,目前对于盾构始发反力架的研究工作,主要集中在反力架体系受力分析、安全评估、应力监测、安全拆除等方向,但是对反力架细部结构的优化工作较少。

本文以广州地铁18号线沙溪站盾构始发反力架为工程背景,利用MIDAS对8.5 m大直径盾构始发反力架进行三维实体精细化建模,分析得出反力架系统的受力薄弱点;针对反力架斜杆的作用部位与角度,对斜杆进行优化设计,可为今后类似工程设计提供参考与借鉴。

1 工程概况

广州地铁18号线路全长61.2 km,均为地下线,设站9座,其中换乘站8座。沙溪站为4条盾构区间的始发站,车站加左右区间总长度为8.4 km。车站总长度为465 m,岛式站台有效长度为186 m,车站地板埋深为21 m。区间隧道设计为圆形断面,管片内径为7.7 m,外径8.5 m,幅宽1.6 m;每环管片采用4+2+1分块方案错缝拼装,设计时速160 km/h;隧道横断面如图1所示。

图1 隧道横断面示意(单位:mm)

始发反力架为拼装式全圆钢架+门式框架结构,以确保足够刚性,后靠支撑系统采用钢框架及后部φ609 mm厚20 mm钢管支撑组成,支撑钢管末端均固定在混凝土墙上。钢框架分为4部分,分别为左、右立柱和上、下横梁,均采用强度Q235厚3 cm钢板定型加工,立柱和横梁尺寸为1 000 mm×800 mm。钢管支撑分为水平支撑和斜撑,上下横梁均采用3根水平钢支撑,右侧立柱采用2根水平钢支撑和3根斜支撑,左侧立柱采用3根水平钢支撑。反力架结构如图2所示。

图2 反力架结构(单位:mm)

2 反力架数值建模及分析

利用MIDAS-GTS有限元分析软件对工程实际反力架系统精细化建模,根据各部件之间的关系以及几何形状建立三维实体模型。反力架材料参数为:E=210GPa,ν=0.3,屈服极限为235 MPa。根据盾构始发的设计荷载,最大推力取20 000 kN,均布作用在基准环上。两根立柱底部以及所用的钢管支撑末端均设置固定约束。有限元模型、荷载、约束情况如图3所示。

图3 三维计算模型

图4 反力架位移云图

图5 反力架Mises应力云图

虽然整个反力架体系是安全可靠的,但结合反力架Mises应力云图和反力架位移云图不难发现,3根斜杆由下至上,应力不断减小,位移反而越大。因为长杆的稳定性较差,使得其强度利用率非常低。基于以上情况,下面根据斜杆与竖直方向的角度对其进行优化分析。

3 反力架优化设计

为了分析斜杆与竖直方向的角度对反力架受力的影响,采用单根斜杆作用在立柱中点位置,设置了44°、48°、52°、56°、60°、64°、68°七种工况,每种工况分别提取了特征点的总位移和Mises应力,并对其进行对比分析,每种工况下特征点位置如图6所示(位移特征点为基准圆环最右侧中点,Mises应力特征点为斜杆中点)。

图6 工况以及特征点位置

图7为七种不同工况下测点的位移和Mises应力曲线,测点位移随角度的增加,先减小再增大,且减小和增大的速度较快。在斜杆为68°时达到位移最大值4.5 mm,在60°时位移最小为4.0 mm,因此,使斜杆位移最小的角度在60°左右。Mises应力随角度的增加,先增大再减小,最大Mises应力值99.4 MPa在52°,增大和减小的速度明显。结合位移与应力曲线,斜杆角度为60°,整个反力架体系的受力是最优的。为了进一步确定优化效果,采用2根θ=60 °时的斜杆的计算结果Mises应力与位移云图,其作用部位为基准环、斜梁与立柱搭接处。与图4、图5优化前的工况相比,优化后的反力架最大应力为171 MPa,减小了12.3 %;最大位移为2.9 mm,较小20.7 %。可见,反力架斜杆的作用部位与角度对反力架的受力影响较大,当θ=60 °时,不仅可以大大减少结构的最大Mises应力与位移,而且减少了1根长斜杆的使用,减少了反力架使用空间,便于施工(表1、图8)。

图7 不同角度下Mises应力和位移变化曲线

表1 不同工况数据对比

图8 优化后的反力架计算结果云图

4 结论

(1)在工程现场所应用的反力架虽然受力验算是安全可靠的,但受一侧斜杆的影响,使结构受力均匀性较差,具有明显的应力集中以及大位移区域,在环境复杂的施工现场,对其进行优化是非常必要的。

(2)根据工程经验,斜杆的最优作用部位集中在基准环、斜梁与立柱搭接处。

(3)对于斜杆与立柱的夹角,根据对比分析得出在60°左右时,反力架体系的受力是最优的。

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