隧道軌下襯砌棧橋結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化設(shè)計

樓 飛/LOU Fei

（南京師范大學(xué) 中北學(xué)院，江蘇 丹陽 212300）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)不斷發(fā)展，對隧道施工質(zhì)量提出了更高的要求，特別是在高速鐵路隧道施工中，對施工斷面大，隧道底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的仰拱具有特殊要求，隧道仰拱部位的施工方法與施工質(zhì)量將對隧道運營期間的安全性、耐久性產(chǎn)生重大影響。在高速鐵路隧道施工時，要避免仰拱連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，仰拱混凝土需分段連續(xù)澆筑，仰拱與仰拱填充必須分層澆筑，一次成型不留縱向施工縫。因此，一套施工方便、快速、經(jīng)濟(jì)且能有效保證施工質(zhì)量的設(shè)備系統(tǒng)是提高經(jīng)濟(jì)效益及加強施工機械化配套的關(guān)鍵。在如此行業(yè)發(fā)展的背景下，隧道軌下襯砌棧橋在隧道建設(shè)中已被廣泛應(yīng)用，成為隧道建設(shè)中必不可少的一種機械設(shè)備。

為了避免隧道軌下襯砌棧橋在施工作業(yè)中出現(xiàn)重大安全問題，大部分設(shè)計方案都比較保守，安全系數(shù)過高，從而導(dǎo)致設(shè)備整體質(zhì)量過大，用料浪費，造價偏高。目前國內(nèi)外對隧道軌下襯砌棧橋的設(shè)計方案不少，但對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)研究并不多見。因此，開展軌下襯砌棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計相關(guān)工作對提高設(shè)備性能，降低能耗，節(jié)約施工成本等方面具有重要意義，對今后鐵路隧道襯砌施工設(shè)備的研制具有較高的實用價值。

1 襯砌棧橋功能概述與分析結(jié)論

1.1 機械系統(tǒng)功能概述

軌下襯砌棧橋的主體結(jié)構(gòu)為針梁模塊化拼裝形式，工作具有適于變跨、方便運輸、快速拼裝等特點。設(shè)計的最大施工長度24m，主體棧橋行車道寬度3.5m，仰拱加回填高度2m，前、后坡橋坡度不大于15%，允許通過的最大載荷50t，棧橋總長40m，可以自行實現(xiàn)縱向移動作業(yè)，移動速度可以達(dá)到6m/min。該工裝設(shè)備具備自行式仰拱棧橋、矮邊墻弧形模板、仰拱和填充層鋼端模、仰拱環(huán)向止水帶夾具、縱向止水帶夾具等使用功能，并可以配套清底功能和模板振搗裝置。棧橋主要由主橋，引橋，行走系統(tǒng)和模板系統(tǒng)組成。

1.2 初始設(shè)計結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)論

棧橋上下主梁為焊接拼接的箱型截面，跨度為30.8m，橋面橫梁為焊接工字形截面，橋面寬3.4m，連接上下縱梁的斜撐以及右邊的支撐均為焊接工字形截面，上縱梁與外部支撐梁、外部支撐梁與下縱梁之間用圓管構(gòu)成。在ABAQUS 中構(gòu)建有限元模型并分析基頻為3.26Hz。按照公式1 可以計算汽車沖擊載荷系數(shù)為0.19。

其中，f為基頻，μ為沖擊載荷系數(shù)。通過施加載荷和約束之后計算得到的作用設(shè)計荷載時，整個結(jié)構(gòu)最大Mises 應(yīng)力為303MPa?？紤]到材料為Q345，強度符合要求，但整個棧橋承重主體的總重為48t，對材料和質(zhì)量的優(yōu)化，將在后續(xù)章節(jié)展開詳述。

2 襯砌棧橋靜力學(xué)建模

為了對襯砌棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本節(jié)將以最不利的載荷施加形式，對襯砌棧橋進(jìn)行靜力學(xué)建模。軌下襯砌棧橋為左右兩條行車道，現(xiàn)將過車棧橋簡化為2 套簡支梁結(jié)構(gòu)，單套受力為總承載力的1/2。按照初始設(shè)計參數(shù)，主橋總長度為31.36m，在使用時前后都有支撐，支撐點跨度為26m。荷載施加情況如圖1 所示。汽車沖擊載荷系數(shù)為0.19 模擬載荷，因此在車前輪施加40.8kN 壓力，后輪分別施加123.6kN 的壓力，右側(cè)，懸掛襯砌模板處，施加4 個豎直向下的力各28kN。

圖1 棧橋受力簡圖

根據(jù)受力圖可以繪制出棧橋所受到的剪力圖如圖2 所示，利用剪力和彎矩的關(guān)系，可以知道，在棧橋中間處是剪力為零的點，是棧橋所受到的最大彎矩點。計算得到梁的最大彎矩為Mmax=2885kNm。

圖2 棧橋剪力圖

假設(shè)梁采用關(guān)于中性軸的對稱結(jié)構(gòu)，選用更加經(jīng)濟(jì)的Q235 作為主體材料，在危險截面處，梁的最大正應(yīng)力不得超出材料屈服強度σb=235MPa，最大切應(yīng)力不超出0.8σb，即188MPa。

根據(jù)抗拉強度要求可得到抗彎截面系數(shù)

工程中，可以利用抗彎截面系數(shù)和截面面積的比值，即W/A，評估該截面梁的抗彎能力。如圖3 所示，是常用不同截面梁及其抗彎截面系數(shù)和截面面積的比值。

圖3 不同截面抗彎能力

從圖3 可以看出，工字型截面有對稱結(jié)構(gòu)，W/A數(shù)值最大，在相同質(zhì)量和跨度的前提下，工字型截面具有更好的抗彎屬性。因此，后續(xù)優(yōu)化設(shè)計將以工字型截面梁作為棧橋的主要構(gòu)成元素。

3 軌下襯砌棧橋優(yōu)化設(shè)計方案

相比于初步設(shè)計的針梁結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步提升棧橋承載能力，本節(jié)分別從降低機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高材料的利用率2 個方面出發(fā)，提出了箱式梁結(jié)構(gòu)和變截面梁結(jié)構(gòu)，共2 套優(yōu)化設(shè)計方案。

如圖4 所示，這種半封閉式箱梁結(jié)構(gòu)使用63B 工字鋼作為棧橋主體，配合使用厚度為10mm 的防滑鋼板、加強筋板構(gòu)建焊接式襯砌棧橋承重主體。通過三維軟件建?？梢杂嬎愕玫浇孛娴目箯澖孛嫦禂?shù)W為1.23×107mm3，總質(zhì)量為38.5t。

圖4 箱式梁結(jié)構(gòu)三維圖

如圖5 所示，這種變截面梁結(jié)構(gòu)使用28A 工字鋼作為棧橋主體，配合使用厚度為10mm 的防滑鋼板、加強筋板構(gòu)建魚腹式襯砌棧橋承重主體。通過三維軟件建模可以計算得到截面的抗彎截面系數(shù)W為1.25×107mm3，總質(zhì)量為32.5t。

圖5 變截面梁結(jié)構(gòu)三維圖

4 基于ABAQUS的棧橋強度分析

針對優(yōu)化設(shè)計模型，利用有限元分析軟件對第3 節(jié)提出的2 套優(yōu)化方案分別進(jìn)行強度分析。分析過程中采用的方法和步驟簡述如下。

1)考慮到2 維梁單元是以中性層所在變形為零的基礎(chǔ)上提出的，為了提高分析求解精度，首先利用Hypermesh 進(jìn)行前處理，用手工劃分三維6 面體網(wǎng)格的方式，獲得如圖6 所示棧橋的孤立網(wǎng)格模型。

圖6 棧橋孤立網(wǎng)格模型

2）過車的載荷通過車輪施加，將車輪作為剛體，通過定義接觸和壓力的方式，模擬最不利的載荷工況。

3）分析強度之前，先利用模態(tài)分析求解結(jié)構(gòu)的基頻，利用公式（1），求解沖擊載荷系數(shù)，在考慮汽車振動產(chǎn)生沖擊的前提下進(jìn)行強度分析，以求更加真實的仿真環(huán)境模擬，如圖7（a）所示，箱梁結(jié)構(gòu)棧橋的基頻為5.512Hz，換算得到?jīng)_擊載荷系數(shù)μ=0.286，修正后的車前輪施加44.1kN 壓力，后輪分別施加133.6kN 的壓力；如圖7（b)所示，變截面梁結(jié)構(gòu)棧橋的基頻為2.2284Hz，換算得到?jīng)_擊載荷系數(shù)μ=0.126，修正后的車前輪施加38.7kN 壓力，后輪分別施加126.4kN 的壓力。

圖7 棧橋基頻求解

5 結(jié)語

將初始設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的分析結(jié)果匯總?cè)绫? 所示，變截面梁結(jié)構(gòu)能夠在確保結(jié)構(gòu)強度的前提下，實現(xiàn)有效減重，為軌下襯砌棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

表1 不同結(jié)構(gòu)棧橋架構(gòu)強度對比

在完成模型前處理之后，按照實際工況，定義邊界條件和修正后的載荷參數(shù)。得到棧橋在最不利載荷條件下的強度分析云圖。從圖8 可以看出，箱梁結(jié)構(gòu)的最大Mises 應(yīng)力為214.6MPa，變截面梁的最大Mises 應(yīng)力為236MPa，均小于初始設(shè)計的針梁結(jié)構(gòu)，在強度提升方面具有明顯效果。

圖8 棧橋強度分析求解