張書偉　張昌明　邢　楊（中國建筑第六工程局有限公司地鐵公司，天津 300000）

鋼結(jié)構(gòu)盾構(gòu)始發(fā)架安全受力性能分析

張書偉張昌明邢楊
（中國建筑第六工程局有限公司地鐵公司，天津 300000）

隨著盾構(gòu)技術(shù)日漸成熟，其已被隧道工程項(xiàng)目廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)始發(fā)架（盾構(gòu)始發(fā)基座）作為盾構(gòu)機(jī)支撐載體，在盾構(gòu)機(jī)的重壓之下，其受力變形直接影響盾構(gòu)始發(fā)的順利完成。本文以我單位自主研發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)盾構(gòu)始發(fā)架為研究對象，采用大型有限元分析軟件ABAQUS對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，其上受盾構(gòu)機(jī)壓力作用下研究始發(fā)架的強(qiáng)度、剛度等。

ABAQUS；盾構(gòu)機(jī)始發(fā)架；有限元計(jì)算；應(yīng)力應(yīng)變

隨著地下隧道工程的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)施工方法被廣泛采用。盾構(gòu)機(jī)自身重達(dá)300多t，為確保盾構(gòu)機(jī)的支撐安全，盾構(gòu)始發(fā)順利完成，要求始發(fā)基座必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 研究背景

盾構(gòu)機(jī)吊裝、始發(fā)掘進(jìn)過程中，始發(fā)架是支撐其巨大重力的重要構(gòu)件，盾構(gòu)機(jī)吊裝、始發(fā)掘進(jìn)過程中，始發(fā)架是支撐其巨大重力的重要構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)盾構(gòu)始發(fā)基座，它的自重小，安裝方便，并能保證足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性；不同施工條件的需求，在設(shè)計(jì)上自身具有充足的變更協(xié)調(diào)優(yōu)勢；并且拆裝之后，可再次使用，節(jié)省了材料成本。

始發(fā)架整體長9.365m，寬4.900m，高1.253m，主要由25B槽鋼、10B槽鋼、30mm厚鋼板為材料焊接而成，左右對稱，中間由法蘭連接起來，便于裝卸。

2 模型建立

圖 1 有限元模型

表 1 始發(fā)架模態(tài)分析結(jié)果

2.1 建模方法

ABAQUS提供了多種建模方法，為了確保結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，筆者針對始發(fā)架采用實(shí)體建模。

2.2 模型的簡化。

（1）法蘭盤簡化

由于該模型左右對稱，整體由相同兩部分用法蘭連接而成，法蘭主要起到連接和傳力的作用，維持了結(jié)構(gòu)的整體性。但是法蘭的存在給建模以及后續(xù)的計(jì)算帶來了極大不便。因此，在建模中將其省略。由模型對稱特點(diǎn)及受力情況可以推斷出，法蘭在整個受力過程中以受拉為主，剪力很小，此種簡化不會對整體研究結(jié)果帶來較大影響。

圖2 始發(fā)架Mises應(yīng)力云圖

圖3始發(fā)架位移云圖

（2）斜肋板簡化

始發(fā)架中斜肋板主要起到維護(hù)結(jié)構(gòu)整體性，結(jié)構(gòu)傳力均勻，約束結(jié)構(gòu)的整體變形，但是其并非結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，而且它的存在對結(jié)構(gòu)的建模分析帶來的不利影響，計(jì)算過程中出現(xiàn)了大量畸形單元，影響了計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此，將其省略不計(jì)。

（3）內(nèi)側(cè)橫梁簡化

內(nèi)側(cè)橫梁在結(jié)構(gòu)中主要起到維護(hù)結(jié)構(gòu)整體性的作用，當(dāng)始發(fā)架受到盾構(gòu)機(jī)巨大壓力的作用下，上部橫梁以及下部斜支撐梁起到主要受力及傳力的作用，內(nèi)側(cè)橫梁幾乎不受豎向力的作用，只是在橫向上維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在后面分析結(jié)果中也可以印證這一觀點(diǎn)，于是將其省略，這樣在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下給建模帶來了很大便利，縮減了計(jì)算單元的數(shù)量，提高了計(jì)算效率。

經(jīng)過上述簡化后，最終建立模型如圖1所示。

2.3 單元劃分

始發(fā)架建模中單元類型在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中采用C3D20R單元（二次完全積分單元），完全積分的線性單元在每一個方向上采用2個積分點(diǎn)，單元具有規(guī)則形狀（邊是直線并且邊與邊相交成直角）時，所用的Gauss積分點(diǎn)的數(shù)目足以對單元剛度矩陣中的多項(xiàng)式進(jìn)行精確積分；而在受力分析時采用C3D8R單元（二次縮減積分單元），減縮積分單元比完全積分單元在每個方向上少用一個積分點(diǎn)，降低計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。

最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，共計(jì)59944個單元。

2.4 本構(gòu)關(guān)系的選取

本文采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2013》提出的兩線段式本構(gòu)模型，符合實(shí)際鋼材料的變形特點(diǎn)，提高工況的計(jì)算效率。

3 始發(fā)架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

始發(fā)架ABAQUS建模完成后，首先進(jìn)行模態(tài)分析，通過觀察其振動頻率和振型，了解其振動特性，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌暮侠硇裕员愫竺媸芰Ψ治龅捻樌M(jìn)行。

從始發(fā)架有限元建模模態(tài)分析結(jié)果可以看出：（1）由于該結(jié)構(gòu)對稱性導(dǎo)致模型前兩階振型完全相同；（2）從前兩階振型可以看出該陣型屬于局部振型，說明該結(jié)構(gòu)在上端局部位置設(shè)計(jì)的剛度較弱，已引起結(jié)構(gòu)的局部振動，此位置有可能會是本模型在后面受力分析中的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)注意加強(qiáng)；（3）該結(jié)構(gòu)在第三階振型中表現(xiàn)為整體振型，變形協(xié)調(diào)規(guī)則，結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)；（4）從整體上看，該結(jié)構(gòu)基頻數(shù)值較大，說明始發(fā)架整體剛度較大，對該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面起到了肯定的作用。

4 始發(fā)架結(jié)構(gòu)受力分析

始發(fā)架主要作用是承受盾構(gòu)機(jī)的巨大壓力，保證盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)，由此，根據(jù)實(shí)際情形自行設(shè)計(jì)研究工況：將盾構(gòu)機(jī)整體300t以重力形式均勻作用到始發(fā)架上端支撐橫梁上，始發(fā)架底端固定，計(jì)算其應(yīng)力應(yīng)變情況。此種工況設(shè)計(jì)源于實(shí)際工程項(xiàng)目需要，具有一定實(shí)際意義。

下面為計(jì)算結(jié)果。

圖2為始發(fā)架在盾構(gòu)機(jī)重力作用下整體Mises應(yīng)力，從圖中可以清楚的看到應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在始發(fā)架上部支撐橫梁及與其連接的側(cè)向支撐上，二者的連接處由于出現(xiàn)拐角和凹槽導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力偏大現(xiàn)象尤為明顯。說明此處即為該結(jié)構(gòu)支撐盾構(gòu)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，也是最需加強(qiáng)的部位。

通過讀取數(shù)據(jù)得知，始發(fā)架在承載300t盾構(gòu)機(jī)重力荷載作用下最大Miss應(yīng)力為136.9MPa，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2013》，Q345鋼極限拉伸應(yīng)力為345MPa，可以判斷在受力分析的角度，工況中出現(xiàn)最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的極限拉伸應(yīng)力，始發(fā)架強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖3為始發(fā)架在盾構(gòu)機(jī)重力作用下整體位移云圖，從圖中可以清晰看出：（1）結(jié)構(gòu)位移變形呈現(xiàn)從下至上遞增的趨勢，位移最大處出現(xiàn)在始發(fā)架頂端，這是由于下部固定，上端承載所致，結(jié)果合情合理；（2）水平上看，變形較為規(guī)則，左右對稱，沿橫梁方向周期性變化，符合多點(diǎn)支撐梁應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律；（3）通過前面應(yīng)力分析，側(cè)向支撐的軸向壓力主要來自盾構(gòu)機(jī)的重力荷載，也是整體結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件，由于側(cè)向支撐的強(qiáng)力支撐作用，約束始發(fā)架結(jié)構(gòu)整體變形，通過讀取具體數(shù)值可以看出，始發(fā)架在重壓之下的最大位移值為0.3022mm，位移變形控制的非常小，其剛度完全符合工程要求。

結(jié)語

隨著盾構(gòu)施工方法的廣泛使用，盾構(gòu)機(jī)已成為盾構(gòu)方法的核心機(jī)具，鋼結(jié)構(gòu)始發(fā)架不僅能夠保證提高大而重的盾構(gòu)機(jī)牢固、穩(wěn)定的支撐，并且自身占用空間較小，可多次使用，節(jié)省材料及成本，其應(yīng)用會更加廣泛。該始發(fā)架設(shè)計(jì)過程中，保證盾構(gòu)機(jī)吊裝、盾構(gòu)始發(fā)過程中牢固、穩(wěn)定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較為穩(wěn)定、可控性較強(qiáng)，合理運(yùn)用力學(xué)原理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳力路徑，減少結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)整體各個部分荷載分擔(dān)均衡，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力具有重要的理論意義?？臻g占用較小、回收再利用極大降低成本，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過大型有限元分析軟件ABAQUS對始發(fā)架建模分析，從模態(tài)、應(yīng)力、變形的角度對其進(jìn)行設(shè)立工況深入研究，最終得出滿意的結(jié)果：該始發(fā)架在強(qiáng)度、剛度上完全符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

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