新型地鐵帶齒預埋槽道在盾構隧道中的仿真研究

劉雅林，于國軍，王凌云，朱少杰，呂 偉

(1. 江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 河南經緯電力科技股份有限公司，河南 鄭州 451464)

近年來，我國各大城市全面發(fā)展隧道工程及地下工程建設，使得預埋槽道技術被廣泛應用。接觸網是保證地鐵正常運行的關鍵，因此施工單位對接觸網在隧道內的安裝要求較苛刻。傳統(tǒng)工藝在安裝接觸網時，直接在管片打孔，然后鉆入膨脹螺栓或化學螺栓，這種安裝方式既對管片結構造成較大損傷，又降低了管片的使用質量，增加工人的施工難度[1-2]。而盾構管片預埋槽道技術的引進不僅保證隧道結構的完整性，改善施工作業(yè)環(huán)境，提高各種設備管線的安裝效率，還大幅降低了工程總體建設及運營成本[3]。

國內許多學者致力于預埋槽道的研究。顧云凡等[4]采用理論計算、有限元分析與實驗相結合的手段，對3種不同型號的哈芬槽進行對比分析。杜峰[5]根據深圳地鐵9號線預埋槽道使用情況，通過理論計算與數值模擬，研究該工程預埋槽道的力學性能。孫希波[6]以北京地鐵7號線工程為例，對不同工況下的預埋槽道進行受力分析。以上研究均提出預埋槽道技術可取代后置錨栓應用于盾構隧道管片內，但是忽略了實際工程的需求，槽道與錨桿焊接固定，在槽道損壞的情況下難以維護和更換。

為了解決槽道不可更換的問題，有學者設計了新型的可更換預埋槽道型式。王軍[7]設計了可拆卸預埋槽道，將螺栓帽設置于管片中，利用螺紋原理，安裝柱穿過槽道與螺栓帽連接固定，槽道在使用過程中若發(fā)生銹蝕時方便拆卸、更換。徐公科等[8]設計了一種可更換式預埋固定裝置，槽道內開設安裝孔，將連接螺栓擰入相對應的安裝孔內，利用螺母實現預埋槽道與錨桿的連接，需要更換預埋槽道時，僅將螺母拆下即可進行預埋槽道更換。

本文中根據某地鐵工程預埋槽道拉伸、剪切載荷不小于30 kN的荷載信息，采用有限元軟件ABAQUS，對現有規(guī)格型號分別WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44的6種新型地鐵帶齒預埋槽道進行仿真，分析軸拉、剪切靜力荷載作用下的預埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、T型螺栓、混凝土的應力情況。

1 有限元仿真模型

作為工程中常用的有限元仿真分析軟件，ABAQUS軟件具備極全面的材料模型庫，可應用于不同工程材料的力學性能分析。運用有限元軟件ABAQUS，用戶可自行設定結構尺寸、材料特性、邊界條件和荷載工況等，通過選擇合適的增量步和收斂準則，可以進行各種復雜的高度非線性分析[9]。本文中采用通用的有限元軟件ABAQUS模擬新型地鐵帶齒預埋槽道的各種工況。

1.1 新型地鐵帶齒預埋槽道結構型式

新型地鐵帶齒槽道的材質型號為Q355B；預埋錨桿和鎖緊螺桿的材質型號均為316L；T型螺栓的材質型號為20Cr，強度等級為8.8，規(guī)格型號為M12、M16、M20。預埋槽道截面如圖1所示。6種新型地鐵帶齒槽道尺寸如表1所示。

W—槽道寬度；H—槽道高度；D—槽道壁厚度；C—槽口寬度；F—槽口厚度。圖1 新型地鐵帶齒預埋槽道截面

表1 6種新型地鐵帶齒槽道尺寸 mm

1.2 新型地鐵帶齒預埋槽道仿真模型

1)材料定義。新型地鐵帶齒預埋槽道模型由外部混凝土、預埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、T型螺栓5個部分構成，有限元模型如圖2所示，其中深紅色表示混凝土，白色表示槽道，藍色表示T型螺栓，綠色表示預埋錨桿，黃色表示鎖緊螺桿?；炷敛捎肁BAQUS軟件中的塑性損傷模型進行定義。根據國家標準GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》附錄C[10]中應力-應變關系曲線，定義該模型采用的強度等級為C50的混凝土單軸受壓受拉本構關系，并輸入相關的應力、塑性應變和損傷因子等參數。其余相關參數見表2。

(a)整體剖面

表2 混凝土的物理和力學性能參數

鋼材采用雙線型彈塑性模型，預埋錨桿、鎖緊螺桿屈服強度為269.17 MPa，抗拉強度為603.5 MPa[11]；T型螺栓屈服強度為640 MPa；槽道屈服強度為355 MPa。其余相關參數[12]見表3。

表3 鋼材的物理和力學性能參數

2)接觸定義。預埋錨桿與混凝土的接觸部分設置面與面接觸對，接觸面之間產生的相對位移可采用有限滑移公式描述；接觸屬性中的法向行為采用硬接觸表達，切向行為采用允許彈性滑移的罰摩擦公式表達[13]。槽道與混凝土的接觸部分同樣設置面與面接觸對；但是由于槽道表面是光滑的，因此設置接觸屬性時不考慮摩擦。

3)邊界條件。根據行業(yè)標準TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》[14]，預埋錨桿間距取為200 mm，混凝土總長度取為400 mm，在軸拉荷載下約束混凝土下底面3個方向位移，在剪切荷載下約束混凝土上、下側表面3個方向位移。

4)加載方式。將集中力30 kN轉化為面荷載，施加在T型螺栓上，進行預埋槽道軸拉、縱向剪切、橫向剪切荷載作用下的有限元仿真分析。

2 數值模擬

基于WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44型這6種預埋槽道進行有限元仿真，分析在30 kN軸拉以及縱、橫向剪切荷載單獨或共同作用下，各種工況(見表4)的預埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、混凝土與T型螺栓的力學性能[15]。本文中僅列出工況9時WH40/22型預埋槽道縱向剪切荷載下的有限元仿真結果，如圖3所示，其他各工況下預埋槽道應力值如表5所示。

表4 6種新型地鐵帶齒預埋槽道仿真工況

表5 預埋槽道各工況下的應力 MPa

3 結果與分析

由表5中預埋槽道各工況下的應力情況，可以得到以下結論：

1)當軸拉荷載為30 kN時，各型號槽道應力均較大；應力主要集中在鎖緊螺桿及T型螺栓處，槽道變形為整體受拉彎曲及底部的卷邊外張?；炷恋撞渴芾c預埋錨桿翼緣接觸面受壓。隨著槽道規(guī)格尺寸的增大，預埋錨桿、鎖緊螺桿及槽道應力逐漸減小，同時混凝土最大壓應力也逐漸減小，最大拉應力略減小，但變化不大。WH30/20型槽道應力和混凝土最大壓應力均遠大于限值，發(fā)生明顯破壞。WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34型槽道均進入塑性階段，WH64/44型預埋槽道部件均未破壞。

2)當縱向剪切荷載為30 kN時，預埋錨桿周圍混凝土受壓。隨著槽道規(guī)格尺寸的變大，鎖緊螺桿應力和各槽道應力顯著減小，但WH64/44型槽道應力略有增大；混凝土壓應力逐漸減小，但WH64/44型預埋槽道的混凝土壓應力略有增大，以上工況下僅WH30/20、WH40/22型預埋槽道的混凝土壓應力超限，其余型號均未發(fā)生受壓破壞。

3)當橫向剪切荷載為30 kN時，混凝土為最不利構件，槽道口頂部壓應力較大，出現壓縮損傷及裂縫，WH38/23、WH53/34、WH64/44型預埋槽道的混凝土最大拉應力均超過限值，發(fā)生受拉破壞，WH30/20、WH38/23、WH50/25型預埋槽道的混凝土壓應力均遠大于限值，發(fā)生受壓破壞。

4)在軸拉及縱、橫向剪切荷載30 kN共同作用下，預埋槽道部件的應力均大于單向受力，其中WH64/44型預埋槽道的混凝土拉應力大于限值，其余構件應力均小于限值，而其他型號的槽道應力和混凝土最大壓應力遠大于限值，發(fā)生明顯破壞。

為了解決6種型號預埋槽道在軸拉、剪切靜力荷載作用下，預埋槽道部件發(fā)生的塑性變形，提出不同的優(yōu)化建議改善預埋槽道整體力學性能：對于WH30/20、WH38/23型預埋槽道，可通過減小鎖緊螺桿直徑、增設墊片，調整預埋錨桿翼緣的厚度與直徑，以及提高槽道的材料強度，實現降低混凝土最大拉應力、最大壓應力和槽道應力的效果；對于WH40/22、WH50/25、WH53/34型預埋槽道，可通過增加預埋錨桿翼緣的厚度，提高槽道的材料強度，減小混凝土壓應力，使槽道不發(fā)生屈服；對于WH64/44型預埋槽道，可通過縮減鎖緊螺桿的直徑，增加翼緣厚度，同時，T型螺栓處增設墊片，達到減小混凝土最大拉應力的目的。

4 結論

當軸拉荷載為30 kN時，僅WH64/44型槽道應力小于限值，其余型號的均大于限值；僅WH30/20型預埋槽道的混凝土壓應力大于限值，其余型號的均小于限值；在30 kN橫向剪切荷載，以及30 kN軸拉與縱、橫向剪切荷載共同作用下，6種型號預埋槽道應力均超過限值?？梢酝ㄟ^改變翼緣直徑和厚度減小混凝土的最大拉應力與最大壓應力，調整螺桿直徑和增設墊片改善槽道的受力性能。本文中通過對6種型號預埋槽道全面的力學性能評價，為今后新型地鐵帶齒預埋槽道結構的優(yōu)化提供了依據，從而可以滿足實際工程的設計、使用要求。