鐵路客運(yùn)專線襯砌臺(tái)車門(mén)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 宏

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

鐵路客運(yùn)專線襯砌臺(tái)車門(mén)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 宏

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

為進(jìn)一步增強(qiáng)隧道襯砌臺(tái)車相關(guān)方經(jīng)濟(jì)用材意識(shí)，節(jié)約鋼材用量，間接減少煉鋼污染排放，為控制霧霾改善環(huán)境做出間接貢獻(xiàn)，針對(duì)銀西鐵路賈塬隧道客運(yùn)專線臺(tái)車的門(mén)架結(jié)構(gòu)所用2種型材組合方式，采用ANSYS有限元計(jì)算方法，把門(mén)架的立柱、橫梁和立柱大斜撐擬合為梁?jiǎn)卧狟eam4，其余桿件擬合為桿單元Link8，仿真門(mén)架工況施以相同邊界條件分別予以檢算并做出比較分析，結(jié)果表明： 僅單榀門(mén)架優(yōu)化后省材2 t多，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證均能滿足質(zhì)量要求，證實(shí)臺(tái)車節(jié)材降耗挖潛增效仍有空間。

鐵路客運(yùn)專線隧道； 襯砌臺(tái)車； 門(mén)架結(jié)構(gòu)； 優(yōu)化

0 引言

我國(guó)高鐵建設(shè)經(jīng)過(guò)十幾年的快速發(fā)展，已居世界領(lǐng)先水平，目前營(yíng)運(yùn)里程突破2萬(wàn)km，依據(jù)規(guī)劃,到2025年?duì)I運(yùn)里程將突破3.8萬(wàn) km。就銀西客專來(lái)說(shuō)，隧道占比23.28%，而隧道襯砌臺(tái)車是隧道施工過(guò)程二次襯砌中必須使用的以鋼結(jié)構(gòu)件為主體的非標(biāo)專用設(shè)備，用于對(duì)隧道內(nèi)壁的混凝土襯砌施工，具有施工效率高、表面成型質(zhì)量好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在鐵路、公路和水利水電工程中被大量使用。僅在鐵路施工中，臺(tái)車1年的使用量達(dá)到5 000多臺(tái)套，用鋼量達(dá)到60多萬(wàn)t,成本約計(jì)40億元。目前客運(yùn)專線隧道斷面形式基本定型，但與之施工配套的臺(tái)車設(shè)計(jì)加工制造沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，普通臺(tái)車技術(shù)含量低，易于測(cè)繪仿制，加工制造門(mén)檻低，基本由小企業(yè)和個(gè)體戶承擔(dān)制作，而系統(tǒng)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化、合理選材做得不夠，致使結(jié)構(gòu)形式五花八門(mén)；臺(tái)車結(jié)算大多以過(guò)磅噸位為準(zhǔn)，在一個(gè)項(xiàng)目上完成成本攤銷，供方賺取微薄的制造費(fèi)，需方項(xiàng)目竣工后以廢舊物資處理獲取收益，供需方主要側(cè)重安全考慮，對(duì)臺(tái)車經(jīng)濟(jì)用材缺乏足夠的重視。韓銀紅[1]針對(duì)普通單線臺(tái)車做了有限元分析，指出單線隧道臺(tái)車結(jié)構(gòu)與客運(yùn)專線雙線臺(tái)車結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的不同；徐愛(ài)英[2]、趙增耀[3]沒(méi)有指明臺(tái)車的種類用途，用改變結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行了通過(guò)性檢算。張柯[4]針對(duì)某超大斷面市政隧道臺(tái)車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；李社斌等[5]針對(duì)某臺(tái)車的模板面板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，沒(méi)有指明是針對(duì)哪一種類型的隧道臺(tái)車；程偉等[6]針對(duì)某小斷面門(mén)洞臺(tái)車進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；王云[7]嘗試基于ANSYS對(duì)隧道襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化，理論性強(qiáng)，且沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)便交互式軟件，不宜推廣應(yīng)用。

以上研究成果缺少臺(tái)車適用場(chǎng)所和種類用途闡述，沒(méi)有進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)量化和優(yōu)化后社會(huì)效應(yīng)的表述。本文在借鑒臺(tái)車技術(shù)參數(shù)和邊界條件的選用方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)高速鐵路客專雙線隧道襯砌臺(tái)車的工程常見(jiàn)門(mén)架結(jié)構(gòu)，基于2種型材組合，運(yùn)用ANSYS計(jì)算工具作出對(duì)比分析，以期為促進(jìn)供需方進(jìn)一步優(yōu)化臺(tái)車結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材消耗量、減少煉鋼污染排放以及減少霧霾改善環(huán)境做出間接貢獻(xiàn)，同時(shí)，也希望為競(jìng)爭(zhēng)激烈的建筑業(yè)拓展盈利空間提供一種途徑。

1 臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成

鐵路客運(yùn)專線12 m隧道模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，實(shí)物圖片見(jiàn)圖2。臺(tái)車由模板總成、門(mén)架總成、支撐總成、行走總成、油壓與電氣系統(tǒng)等組成。

(a) 臺(tái)車輪廓圖

(b) 剖面圖

圖2 隧道模板臺(tái)車實(shí)物

2 臺(tái)車受力分析

客運(yùn)專線雙線隧道多為馬蹄形和圓形斷面[8]。臺(tái)車模板分為頂部模板和左右側(cè)模板2部分。頂部模板與側(cè)模板是用銷軸聯(lián)接的，側(cè)模板可以繞銷軸旋轉(zhuǎn)[1]。

頂部模板的載荷主要是混凝土自重。側(cè)部模板左右對(duì)稱布置，結(jié)構(gòu)及受力相同，承受混凝土自重較小，主要考慮澆筑混凝土?xí)r的側(cè)向壓力。臺(tái)車在混凝土澆筑過(guò)程中，模板所受混凝土的自重、澆筑及振搗附加力、混凝土側(cè)壓力經(jīng)兩側(cè)對(duì)稱徑向分布的支撐絲杠和頂部支撐構(gòu)件傳遞到門(mén)架上；根據(jù)臺(tái)車應(yīng)用實(shí)踐，臺(tái)車門(mén)架的剛度、強(qiáng)度是保證混凝土面質(zhì)量和斷面侵限的關(guān)鍵所在；控制二次襯砌拱腳內(nèi)收超差是支護(hù)的關(guān)鍵；經(jīng)過(guò)受力分析計(jì)算與應(yīng)用實(shí)踐得知拱腳內(nèi)收主要是由臺(tái)車在澆筑時(shí)產(chǎn)生的側(cè)壓力造成的。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,只針對(duì)其中的單榀門(mén)架分析,即可確保結(jié)構(gòu)的安全[3]。

3 門(mén)架受力圖

門(mén)架主要由立柱、上橫梁、下橫梁、斜撐和豎撐組成[4]，受力如圖3所示。門(mén)架是一個(gè)空間的整體桁架結(jié)構(gòu)，臺(tái)車水平及垂直方向的載荷主要由門(mén)架承受。門(mén)架整體桁架結(jié)構(gòu)的受力有2種載荷： 門(mén)架受水平作用載荷,是經(jīng)支撐絲杠傳遞的側(cè)壓力；受垂直作用載荷，是經(jīng)頂模支撐傳遞混凝土自重與臺(tái)車自重。

圖3 門(mén)架結(jié)構(gòu)受力圖

4 計(jì)算(基于同一種工況下的受力)

4.1 銀西鐵路賈塬隧道臺(tái)車主要參數(shù)

1)臺(tái)車軌距8 500 mm；

2)模板半徑6 700 mm，圓心距內(nèi)軌頂面2 430 mm；

3)臺(tái)車門(mén)架榀數(shù)為7；

4)1個(gè)工作循環(huán)襯砌長(zhǎng)度為12 m；

5)作用于臺(tái)車門(mén)架的模板及其結(jié)構(gòu)附件豎向重力為273.4 kN；

6)混凝土體積質(zhì)量取值為2.45 t/m3[7]；

7)混凝土澆筑影響載荷為46.06 kPa，取自日本岐埠工業(yè)公司12 m液壓臺(tái)車的計(jì)算值[7]；

8)理論襯砌厚度為350～550 mm，考慮超挖最大襯砌厚度計(jì)算按經(jīng)驗(yàn)值800 mm；

9)頂部新澆筑混凝土重力G=19.6 kN/m2。

4.2 計(jì)算參數(shù)[9-10]

1)泵送混凝土產(chǎn)生的載荷標(biāo)準(zhǔn)值為2 kN/m2；

2)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷標(biāo)準(zhǔn)值為2 kN/m2；

3)頂部模板擠壓面載荷p=47 kN/m2；

4)新澆混凝土動(dòng)力系數(shù)取1.2；

5)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載系數(shù)取1.4；

6)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載系數(shù)取1.4；

7)Q235鋼,彈性模量2.1×105N/mm2,泊松比0.3；

8)支撐系統(tǒng)累計(jì)變形值≤4 mm;

9)結(jié)構(gòu)計(jì)算安全系數(shù)1.15。

4.3 計(jì)算載荷設(shè)計(jì)值

1)新澆筑混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力設(shè)計(jì)值

F設(shè)=46.67×1.2=56 kN/m2;

2)頂部新澆筑混凝土重力設(shè)計(jì)值

G設(shè)=19.2×1.2=23.52 kN/m2;

3)泵送混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷設(shè)計(jì)值

Q1設(shè)=2×1.4=2.8 kN/m2;

4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷設(shè)計(jì)值

Q2設(shè)=2×1.4=2.8 kN/m2。

4.4 載荷組合

1)邊模板傳遞壓力S1=56+2.8=58.8 kN/m2;

2)來(lái)自頂部模板壓力S2=23.52+2.8+47=73.32 kN/m2;

3)臺(tái)車模板部分及其附件質(zhì)量豎向作用于單榀門(mén)的壓力設(shè)計(jì)值G1=273.4/6=45.57 kN;

4)載荷組合經(jīng)支撐絲桿傳遞到門(mén)架上的集中作用力見(jiàn)表1。

表1 門(mén)架受力力值

4.5 有限元分析

為便于說(shuō)明問(wèn)題，化繁為簡(jiǎn),文中僅就工程實(shí)踐中常用臺(tái)車門(mén)架的一種結(jié)構(gòu)型式2種用材情況，采用ANSYS有限元計(jì)算方法對(duì)門(mén)架的強(qiáng)度、位移進(jìn)行分析。上橫梁、下橫梁、立柱和大斜撐為梁?jiǎn)卧狟eam4，小斜撐、豎撐和橫撐為桿單元Link8[11]。

4.5.1 第1種型材有限元計(jì)算

按門(mén)架受力不利情況考慮，F(xiàn)8按垂直載荷加載，F(xiàn)3按水平載荷加載。依據(jù)ANSYS分析需要賦予材料屬性，如表2所示。

表2 第1種型材屬性

建模定義材料屬性劃分網(wǎng)格，加載施加約束見(jiàn)圖4，求解后的位移云圖見(jiàn)圖5，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

圖4 門(mén)架加載施加約束圖

圖5 組合型材1門(mén)架位移云圖(單位: mm)

Fig. 5 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: mm)

圖6 組合型材1門(mén)架應(yīng)力云圖(單位: MPa)

Fig. 6 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: MPa)

4.5.2 第2種型材有限元計(jì)算

下橫梁、立柱和上橫梁用同一型號(hào)規(guī)格材料H400×300×12×14，其余材料不變。第2種型材應(yīng)力和位移云圖計(jì)算結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 組合型材2門(mén)架位移云圖(單位： mm)

Fig. 7 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 2 (unit: mm)

圖8 組合型材2門(mén)架應(yīng)力云圖(單位： MPa)

Fig. 8 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 2(unit: MPa)

門(mén)架所用材料Q235鋼屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，取安全系數(shù)1.15，則其許用應(yīng)力[σ]=235/1.15=205 MPa。2種用材通過(guò)ANSYS計(jì)算對(duì)比得知，第1種選材最大應(yīng)力為75.36 MPa，第2種選材最大應(yīng)力為144.771 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，符合強(qiáng)度要求；位移情況，門(mén)架底腳為最大值，2種用材分別是2.108 mm和2.706 mm，對(duì)臺(tái)車門(mén)架來(lái)說(shuō)可以忽略這種微小的差異，小于規(guī)定4 mm的要求，滿足施工要求。顯然第2種用材更為經(jīng)濟(jì)合理。

4.6 2種選材門(mén)架質(zhì)量對(duì)比

在2種計(jì)算中，只是對(duì)門(mén)架的立柱和上、下橫梁材料做了調(diào)整，按中心線計(jì)算材料長(zhǎng)度，累計(jì)為8 500+5 250+5 250=19 000 mm，型材□700×500×12×12質(zhì)量為221.6 kg/m，型材H400×300×12×14質(zhì)量為101 kg/m，單榀門(mén)架質(zhì)量差為2 291.4 kg。1臺(tái)12 m長(zhǎng)臺(tái)車一般由7榀門(mén)架組成，單個(gè)臺(tái)車總的質(zhì)量差為7×2 291.4=16 037.7 kg，約計(jì)16 t，也就是說(shuō)，在滿足使用要求的情況下，1臺(tái)臺(tái)車僅就門(mén)架而言節(jié)省16 t 鋼材，按鐵路施工年需用量5 000臺(tái)計(jì)算,可節(jié)約 8萬(wàn)t 鋼材，直接成本約計(jì)4億元。質(zhì)量輕了各項(xiàng)成本也會(huì)隨之有所降低，比如運(yùn)輸費(fèi)用、搬運(yùn)費(fèi)和裝卸費(fèi)等[12]；立柱和橫梁桿件采用同一種型材，便于工序化作業(yè)[13]，制造成本也會(huì)降低，為供需雙方提高盈利能力創(chuàng)造一條途徑；節(jié)約了鋼材，減少了煉鋼的污染排放，間接改善了環(huán)境，對(duì)緩解工業(yè)化帶來(lái)的霧霾大有好處。2010年2月26日《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》中的“再識(shí)1 t鋼”一文指出： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每煉1 t鋼，要消耗0.6～0.8 t標(biāo)準(zhǔn)煤、1.50～1.55 t鐵礦石、80～150 kg廢鋼、3～6 t水。中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗總量占全國(guó)能源消費(fèi)總量的15%左右，占全國(guó)工業(yè)能源消費(fèi)總量的23%；鋼鐵產(chǎn)業(yè)從原料到成品的貨運(yùn)總量占全國(guó)總貨運(yùn)量的22%左右；在全部工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵行業(yè)排放的廢水占10.75%，排在造紙、化工、火力發(fā)電之后，列第4位，排放的廢氣占17%，僅次于火力發(fā)電業(yè)和非金屬礦物制造業(yè)；二氧化硫排放量占5.6%，次于火力發(fā)電業(yè)和非金屬礦物制造業(yè)，與化工行業(yè)并列第3。

5 結(jié)論與討論

1)基于工程實(shí)踐中所用客運(yùn)專線雙線臺(tái)車門(mén)架在相同結(jié)構(gòu)型式下的不同型材組合，運(yùn)用ANSYS有限元建模計(jì)算分析，均能保證隧道二次襯砌質(zhì)量，材料消耗差異較大。

2)從檢索文獻(xiàn)來(lái)看，在臺(tái)車優(yōu)化方面有不少論述，但指向性不明確，沒(méi)有說(shuō)明是針對(duì)哪一種類型和用途的臺(tái)車進(jìn)行的，基本是按廠家提供的圖紙技術(shù)要求進(jìn)行通過(guò)性的檢算，并沒(méi)有進(jìn)行經(jīng)濟(jì)量化分析和對(duì)社會(huì)效益的關(guān)注。針對(duì)以上不足，本文明確了是針對(duì)客運(yùn)專線臺(tái)車門(mén)架部分的優(yōu)化，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益做了闡述。

3)本文旨在引導(dǎo)臺(tái)車相關(guān)方進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理用材，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，達(dá)到省料輕便、節(jié)約資源，能使1部臺(tái)車在多個(gè)項(xiàng)目施工中主要部件能周轉(zhuǎn)循環(huán)使用。對(duì)使用方可減少采購(gòu)成本、提高利潤(rùn)，對(duì)賣方可以促進(jìn)行業(yè)的良性發(fā)展，符合國(guó)家倡導(dǎo)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。更為重要的是，通過(guò)減少鋼材的消耗量，間接地改善環(huán)境，為治霾做出貢獻(xiàn)。

4)我國(guó)高鐵建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)聯(lián)動(dòng)作用將惠及世界，高鐵施工裝備將形成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)全球高鐵時(shí)代的到來(lái)，開(kāi)發(fā)客運(yùn)專線臺(tái)車參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件將助推臺(tái)車的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與制造。

5)本文只是對(duì)客運(yùn)專線臺(tái)車現(xiàn)用常見(jiàn)的一種門(mén)架結(jié)構(gòu)的2種型材作了對(duì)比研究，沒(méi)有做到極限組合優(yōu)化，下一步可再考慮設(shè)計(jì)一種更加合理的門(mén)架結(jié)構(gòu)型式。

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DoorFrameStructureOptimizationforLiningTrolleyUsedinPassenger-dedicatedRailwayTunnel

LI Hong

(ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China)

It is very important to reduce the cost of tunnel lining trolley and steel consumption and indirect pollution emissions and control fog and haze. The two material combination modes for door frame structure of lining trolley used in Jiayuan Passenger-dedicated Railway Tunnel on Yinchuan-Xi′an Railway are analyzed by finite element method ANSYS. The column, beam and column bracing are fit to Beam4 and the other components are fit to Link8. Same boundary conditions are laid for simulation working conditions of the door frame; and then checking calculation and comparative analysis are carried out. The results show that the more than 2 t of material has been reduced for a single door frame after optimization; and good application effect has been achieved.

passenger-dedicated railway tunnel; lining trolley; door frame structure; optimization

2017-04-06;

2017-10-12

李宏(1973—)，男, 甘肅會(huì)寧人,2014年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué),機(jī)械工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程機(jī)械運(yùn)用與維護(hù)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。E-mail: 850779930@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.017

U 455.3

A

2096-4498(2017)12-1622-05