大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架受力分析與斜桿優(yōu)化

曹軍軍，王新強(qiáng)，陸志明

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 2. 中鐵建大橋工程集團(tuán)有限公司, 天津 300300)

盾構(gòu)法施工隧道相對(duì)于明挖法、暗挖法、礦山法等施工方法，具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、安全性能好、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是目前城市軌道交通建設(shè)施工的主流方法[1-3]。反力架是盾構(gòu)始發(fā)提供反力的重要結(jié)構(gòu)，一般在盾尾安裝完成后安裝。關(guān)于盾構(gòu)始發(fā)反力架的研究，國內(nèi)學(xué)者已取得較多成果。趙寶虎[4]等基于武漢長江隧道，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)過程反力架應(yīng)力監(jiān)測(cè)與安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)，取得較好效果。祝全兵[5]利用ABAQUS大型有限元分析軟件，根據(jù)反力架的應(yīng)力和位移對(duì)大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架受力安全性能進(jìn)行了分析。劉榮華[6]基于實(shí)際工程總結(jié)了盾構(gòu)始反力架的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)。王凱[7]以反力架質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，基于PSO算法對(duì)反力架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，效果明顯。高洪吉[8]采用ABAQUS對(duì)9.15 m大直徑盾構(gòu)始發(fā)階段推力及反力架受力進(jìn)行分析，確定了反力架受力薄弱點(diǎn)，對(duì)實(shí)際施工意義重大。李濤[9]采用FLAC3D分別對(duì)兩個(gè)不同工程進(jìn)行模擬，并分析了負(fù)環(huán)管片位移與拼裝管片環(huán)數(shù)之間的關(guān)系，研究反力架受力特性，確定反力架拆除時(shí)機(jī)及其影響因素?？梢姡壳皩?duì)于盾構(gòu)始發(fā)反力架的研究工作，主要集中在反力架體系受力分析、安全評(píng)估、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、安全拆除等方向，但是對(duì)反力架細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作較少。

本文以廣州地鐵18號(hào)線沙溪站盾構(gòu)始發(fā)反力架為工程背景，利用MIDAS對(duì)8.5 m大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架進(jìn)行三維實(shí)體精細(xì)化建模，分析得出反力架系統(tǒng)的受力薄弱點(diǎn)；針對(duì)反力架斜桿的作用部位與角度，對(duì)斜桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為今后類似工程設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵18號(hào)線路全長61.2 km，均為地下線，設(shè)站9座，其中換乘站8座。沙溪站為4條盾構(gòu)區(qū)間的始發(fā)站，車站加左右區(qū)間總長度為8.4 km。車站總長度為465 m，島式站臺(tái)有效長度為186 m，車站地板埋深為21 m。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為圓形斷面，管片內(nèi)徑為7.7 m，外徑8.5 m，幅寬1.6 m；每環(huán)管片采用4+2+1分塊方案錯(cuò)縫拼裝，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h；隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道橫斷面示意(單位：mm)

始發(fā)反力架為拼裝式全圓鋼架+門式框架結(jié)構(gòu)，以確保足夠剛性，后靠支撐系統(tǒng)采用鋼框架及后部φ609 mm厚20 mm鋼管支撐組成，支撐鋼管末端均固定在混凝土墻上。鋼框架分為4部分，分別為左、右立柱和上、下橫梁，均采用強(qiáng)度Q235厚3 cm鋼板定型加工，立柱和橫梁尺寸為1 000 mm×800 mm。鋼管支撐分為水平支撐和斜撐，上下橫梁均采用3根水平鋼支撐，右側(cè)立柱采用2根水平鋼支撐和3根斜支撐，左側(cè)立柱采用3根水平鋼支撐。反力架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 反力架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 反力架數(shù)值建模及分析

利用MIDAS-GTS有限元分析軟件對(duì)工程實(shí)際反力架系統(tǒng)精細(xì)化建模，根據(jù)各部件之間的關(guān)系以及幾何形狀建立三維實(shí)體模型。反力架材料參數(shù)為：E=210GPa，ν=0.3，屈服極限為235 MPa。根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)的設(shè)計(jì)荷載，最大推力取20 000 kN，均布作用在基準(zhǔn)環(huán)上。兩根立柱底部以及所用的鋼管支撐末端均設(shè)置固定約束。有限元模型、荷載、約束情況如圖3所示。

圖3 三維計(jì)算模型

圖4 反力架位移云圖

圖5 反力架Mises應(yīng)力云圖

雖然整個(gè)反力架體系是安全可靠的，但結(jié)合反力架Mises應(yīng)力云圖和反力架位移云圖不難發(fā)現(xiàn)，3根斜桿由下至上，應(yīng)力不斷減小，位移反而越大。因?yàn)殚L桿的穩(wěn)定性較差，使得其強(qiáng)度利用率非常低。基于以上情況，下面根據(jù)斜桿與豎直方向的角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 反力架優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了分析斜桿與豎直方向的角度對(duì)反力架受力的影響，采用單根斜桿作用在立柱中點(diǎn)位置，設(shè)置了44°、48°、52°、56°、60°、64°、68°七種工況，每種工況分別提取了特征點(diǎn)的總位移和Mises應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，每種工況下特征點(diǎn)位置如圖6所示(位移特征點(diǎn)為基準(zhǔn)圓環(huán)最右側(cè)中點(diǎn)，Mises應(yīng)力特征點(diǎn)為斜桿中點(diǎn))。

圖6 工況以及特征點(diǎn)位置

圖7為七種不同工況下測(cè)點(diǎn)的位移和Mises應(yīng)力曲線，測(cè)點(diǎn)位移隨角度的增加，先減小再增大，且減小和增大的速度較快。在斜桿為68°時(shí)達(dá)到位移最大值4.5 mm，在60°時(shí)位移最小為4.0 mm，因此，使斜桿位移最小的角度在60°左右。Mises應(yīng)力隨角度的增加，先增大再減小，最大Mises應(yīng)力值99.4 MPa在52°，增大和減小的速度明顯。結(jié)合位移與應(yīng)力曲線，斜桿角度為60°，整個(gè)反力架體系的受力是最優(yōu)的。為了進(jìn)一步確定優(yōu)化效果，采用2根θ=60 °時(shí)的斜桿的計(jì)算結(jié)果Mises應(yīng)力與位移云圖，其作用部位為基準(zhǔn)環(huán)、斜梁與立柱搭接處。與圖4、圖5優(yōu)化前的工況相比，優(yōu)化后的反力架最大應(yīng)力為171 MPa，減小了12.3 %；最大位移為2.9 mm，較小20.7 %?？梢姡戳苄睏U的作用部位與角度對(duì)反力架的受力影響較大，當(dāng)θ=60 °時(shí)，不僅可以大大減少結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力與位移，而且減少了1根長斜桿的使用，減少了反力架使用空間，便于施工(表1、圖8)。

圖7 不同角度下Mises應(yīng)力和位移變化曲線

表1 不同工況數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 優(yōu)化后的反力架計(jì)算結(jié)果云圖

4 結(jié)論

(1)在工程現(xiàn)場(chǎng)所應(yīng)用的反力架雖然受力驗(yàn)算是安全可靠的，但受一側(cè)斜桿的影響，使結(jié)構(gòu)受力均勻性較差，具有明顯的應(yīng)力集中以及大位移區(qū)域，在環(huán)境復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。

(2)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，斜桿的最優(yōu)作用部位集中在基準(zhǔn)環(huán)、斜梁與立柱搭接處。

(3)對(duì)于斜桿與立柱的夾角，根據(jù)對(duì)比分析得出在60°左右時(shí)，反力架體系的受力是最優(yōu)的。