黃志強， 侯新宇， 李　海， 劉丹娜

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中交路橋北方工程有限公司 總經(jīng)理辦公室， 北京 100024)

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基于ABAQUS的隧道二襯臺車模板的數(shù)值模擬*

黃志強1， 侯新宇1， 李海2， 劉丹娜2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中交路橋北方工程有限公司 總經(jīng)理辦公室， 北京 100024)

針對貴州羊膽山隧道的二襯臺車在澆筑混凝土過程中模板的內(nèi)力和位移是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的問題，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件ABAQUS進(jìn)行了模擬計算，并到現(xiàn)場進(jìn)行了實際測量，將實測側(cè)壓力值施加到模型上，得出內(nèi)力及位移結(jié)果.計算及實測結(jié)果表明，模板弧度變化最大的位置受到的壓力也最大；連接板與肋板、臺車結(jié)構(gòu)與連桿相連接處是結(jié)構(gòu)最為薄弱的地方，故在各連接處應(yīng)確保足夠強度；連接處的肋板對限制模板變形起到了重要作用.

二次襯砌； 隧道； 數(shù)值模擬； 混凝土； 臺車； 位移； 側(cè)壓力； 模板

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國大興土木，為了城市與城市之間的聯(lián)系更加緊密，公路建設(shè)則被放到了重要的地位，而隧道工程由于其特殊的地理情況，歷來都是公路施工建設(shè)的重點和難點，不論是施工時間、施工技術(shù)還是施工困難都比其他公路施工要大得多.而隧道臺車的加入，為隧道施工爭取了很多寶貴時間，很大程度上也降低了勞動力[1].

襯砌包括初次襯砌和二次襯砌.隧道開挖破壞了地層的初始應(yīng)力平衡，產(chǎn)生圍巖應(yīng)力釋放和洞室變形，過量變形將導(dǎo)致圍巖松動甚至坍塌.在開挖后的洞室周邊，施作鋼、混凝土等支撐物，向洞室周邊提供抗力，控制圍巖變形，這種開挖后隧道內(nèi)的支撐體系稱為隧道的支護(hù).為了控制圍巖應(yīng)力適量釋放和變形，增加結(jié)構(gòu)安全和方便施工，隧道開挖后立即施工剛度較小并作為悠久承載結(jié)構(gòu)一部分的結(jié)構(gòu)層，稱為初期支護(hù).二次襯砌就是模注混凝土，模板臺車澆注，視設(shè)計情況，有的部位是鋼筋混凝土，有的部位是素混凝土.根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況以及圍巖監(jiān)控量測結(jié)果，選擇好二襯的施作時間，能夠使結(jié)構(gòu)處于最佳的受力狀態(tài)[2-3].

本文針對羊膽山隧道二襯臺車模板進(jìn)行數(shù)據(jù)現(xiàn)場測試，并對模板進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將現(xiàn)場的側(cè)壓力數(shù)據(jù)施加在模型上，同時也能夠得出一些有意義的結(jié)論.

1　工程概況及現(xiàn)場測試

1.1工程背景

本文臺車適用于羊膽山隧道二次混凝土襯砌，橫坡為3%～-2%，臺車輪廓半徑R1為5 600 mm，(半徑已加大50 mm)，臺車長度為12 m，模板寬度每塊為1 500 mm，面板厚度為10 mm；臺車枕木高為200 mm，鋼軌型號為43 kg/m.工作窗數(shù)量為28個，長×寬為450 mm×5 000 mm，注漿孔數(shù)量為3個，直徑φ為125 mm.臺車正面圖及應(yīng)變片圖如圖1、2所示.

圖1　臺車正面圖Fig.1　Front view of trolley

圖2　應(yīng)變片圖Fig.2　Image of strain gage

臺車模板由工廠制作定型鋼模板，以保證模板的制作質(zhì)量，模板制作完成，經(jīng)檢驗合格并試拼完成后方可運至施工現(xiàn)場投入使用.采用C30混凝土，坍落度為175 mm，容重為2 460 kg/m3，無緩凝劑.初凝時間6小時20分，終凝時間8小時40分.

1.2現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試是后期數(shù)值模擬計算提供修正的依據(jù)，同時也為結(jié)構(gòu)的分析及設(shè)計優(yōu)化提供實測資料，是整個研究中非常重要的環(huán)節(jié).研究隧道二襯臺車模板結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，選擇臺車斷面的二分之一和兩個測試截面作為測試研究對象，測試以下數(shù)據(jù)：1)利用智能弦式數(shù)碼土壓力盒測量混凝土對模板的側(cè)壓力；2)利用智能弦式數(shù)碼土壓力盒測量外層混凝土的溫度變化；3)利用電阻式應(yīng)變計測量模板結(jié)構(gòu)斜向支撐桿件的應(yīng)變；4)利用電阻式應(yīng)變計測量模板結(jié)構(gòu)上部工作平臺的豎向支撐立柱的應(yīng)變.

1.3測點布置及測試方法

選擇臺車斷面的二分之一和兩個測試截面作為測試研究對象，沿臺車的軸線方向取2個測試截面，每個截面布置4個壓力盒，由于頂部模板位置無法安設(shè)壓力盒，故壓力盒安設(shè)在側(cè)模板工作窗口位置，如圖3所示.第1個壓力盒布置在臺車模板弧度變化最大的高度，第2個壓力盒布置在臺車模板第1個工作窗口處，第3個壓力盒布置在臺車模板第2個工作窗口處，第4個壓力盒布置在臺車模板第3個工作窗口處[4].

圖3　壓力盒圖Fig.3　Image of pressure cells

在分別對應(yīng)于每個測試截面的模板結(jié)構(gòu)第1、2、3個斜向支撐桿件布置電阻式應(yīng)變計；在對應(yīng)于每個測試截面的模板結(jié)構(gòu)上部工作平臺的豎向支撐邊立柱布置電阻式應(yīng)變計，中間立柱布置電阻式應(yīng)變計[5].

利用壓力盒每15 min測試側(cè)壓力及溫度一次，模板側(cè)壓力及溫度趨于穩(wěn)定后，測試間隔時間可適當(dāng)延長，直至測試結(jié)束.

應(yīng)變傳感器直接用電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場測試，如圖4所示.混凝土澆筑開始時間為2014年8月10日15時00分，澆筑完畢時間為2014年8月10日22時55分.19時05分至19時37分工人休息，因此，澆筑時間為7小時22分.混凝土澆筑厚度為400 mm，澆筑速度為1.0 m/h.

圖4　現(xiàn)場測試Fig.4　Field test

1.4側(cè)壓力及溫度測試結(jié)果

圖5～8為截面1、2模板的側(cè)壓力和溫度變化曲線.

圖5　截面1模板側(cè)壓力變化Fig.5　Change of lateral pressure of template on section 1

圖6　截面2模板側(cè)壓力變化Fig.6　Change of lateral pressure of template on section 2

圖7　截面1模板溫度變化Fig.7　Change of temperature of template on section 1

圖8　截面2模板溫度變化Fig.8　Change of temperature of template on section 2

在整個澆筑過程中，模板側(cè)壓力經(jīng)過了4個階段.第1階段，在測試時間2 h以內(nèi)，作用在模板上的側(cè)壓力很小，基本沒有變化.第2階段，在2～3.25 h之間，混凝土澆筑高度約為2～3.25 m，此高度范圍也是模板外側(cè)弧度變化最大的高度，呈線性快速增長趨勢，這是由于混凝土是在臺車上部持續(xù)泵送，混凝土在狹小的空間下落，對模板的沖擊較大，持續(xù)振搗產(chǎn)生的沖擊力也較大，使得此階段壓力快速增長.同時，1-1壓力盒位于模板弧度變化最大的位置，此階段其壓力增長最快，其第一壓力峰值也最高，說明弧度變化最大位置的模板受到的壓力最大，在模板設(shè)計中要注意該問題.此階段混凝土溫度變化不大，約為2 ℃.第3階段，在3.25～5.25 h之間，隨著混凝土持續(xù)澆筑振搗，壓力呈持續(xù)下降趨勢，這是由于隨著混凝土澆筑高度的提高，模板弧度趨緩，混凝土澆筑面沿著模板弧度上升.與此同時，混凝土發(fā)生收縮，水泥漿逐漸失去塑性，混凝土受到重力的作用逐漸密實，并在內(nèi)部產(chǎn)生抗剪強度，同時混凝土與模板之間的粘結(jié)力也逐漸增大，起到了“自立”和“起拱”的作用[6]，因此，作用在模板上的壓力減緩.此階段混凝土溫度變化不大.第4階段，在混凝土接近、達(dá)到初凝后，壓力開始增長，這是由于混凝土水化程度加大，混凝土溫度升高，致使溫度應(yīng)力增加，從而使作用在模板上的壓力重新開始提高，在達(dá)到10 h時，1-2、1-3壓力盒的壓力先后達(dá)到最大值，1-3壓力盒側(cè)壓力最大，約為0.022 MPa，1-4壓力盒側(cè)壓力達(dá)到澆筑階段的第一個峰值，側(cè)壁混凝土在此時已經(jīng)開始終凝，壓力緩慢下降，頂部混凝土水化加速，在10 h初凝，壓力達(dá)到第二個峰值，隨后測試終結(jié).此階段混凝土溫度提高約18 ℃.

1.5局部模板結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)場測試

圖9、10為截面1和頂部立撐的應(yīng)變變化曲線.

圖9　截面1的應(yīng)變變化Fig.9　Change of strain on section 1

圖10　頂部立撐應(yīng)變變化Fig.10　Change of strain on top support

從測試結(jié)果可以看出，模板結(jié)構(gòu)的斜向支撐桿1壓應(yīng)變在混凝土澆筑振搗階段呈增長趨勢，在側(cè)模混凝土澆注中，由于側(cè)模受壓，而頂模上并無約束，因此造成架體上浮，門架斜向支承所承受的預(yù)緊力逐漸減小，測得的應(yīng)變有一段時間的下降，下降幅度較大，直至頂模澆注開始，由于頂模受壓，應(yīng)變重新開始上升，直至達(dá)到峰值，第二個斜向支撐應(yīng)變最大，達(dá)到100 με.混凝土澆筑結(jié)束后，隨著混凝土初凝的到來，斜向支撐桿件應(yīng)變下降.模板結(jié)構(gòu)上部工作平臺的豎向支撐立柱的應(yīng)變比斜向支撐桿件壓應(yīng)變小，邊立柱應(yīng)變大于中間立柱的應(yīng)變，變化趨勢與斜向支撐桿件類似.在側(cè)?；炷翝沧⒅校瑴y得的豎向支撐立柱的應(yīng)變降低，造成架體上浮，直至頂模澆注開始.由于頂模受壓，應(yīng)變重新開始上升，直至達(dá)到峰值，邊立柱受力比較復(fù)雜，其最大壓應(yīng)變約為80 με.從測得的斜向支撐桿件、豎向支撐立柱應(yīng)變數(shù)據(jù)來看，模板支撐結(jié)構(gòu)是安全的.在施工作業(yè)過程中，對斜向支撐必須施加牢固可靠的支撐，以避免模板側(cè)模底部變形，造成混凝土襯砌時漏漿跑模，影響施工質(zhì)量[7-8].

2　數(shù)值模擬

2.1模型的建立

利用ABAQUS 6.13軟件對該模型進(jìn)行模擬計算，模型所有尺寸和構(gòu)件位置均按照羊膽山隧道臺車設(shè)計圖建立，同時為了建模計算簡便省時，在不影響整個結(jié)構(gòu)的前提下，建模進(jìn)行了一定的簡化[9].本文首先簡化的是混凝土一次性澆筑到7.33 m高度這種極端情況，暫時還沒有模擬分層澆筑混凝土，且沒有考慮改變混凝土澆筑速度、混凝土溫度場變化的熱傳導(dǎo)分析、混凝土的水化、混凝土凝結(jié)的流固耦合等因素的影響.模擬的研究對象為一榀臺車，一榀臺車的模板寬度為3 000 mm，臺車鋼板厚度均取為10 mm，模板厚度為12 mm，肋板厚度為10 mm，連桿的鋼板厚度為20 mm.在臺車的本構(gòu)關(guān)系中，彈性模量為2.1×1011Pa，鋼板的密度為7 800 kg/m3.臺車模板可建立為2個部件，一個由臺車主體和連接板組成，另一個由模板和連桿組成[10]，如圖11所示.

圖11　臺車模板的兩個主體模型Fig.11　Model for two main parts of trolley template

2.2模型及邊界條件的施加

臺車模型分2步進(jìn)行加載：第1步，施加臺車自身重力荷載；第2步，施加二襯荷載.二襯荷載主要考慮混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的荷載，將現(xiàn)場實測的側(cè)壓力加載到模型上進(jìn)行計算[11].

根據(jù)工程實際受力情況，模型中臺車底部為固定約束，模板以及肋板的邊界為對稱約束.連桿與連接板根據(jù)CAD圖對相應(yīng)的節(jié)點采用剛接(綁定)與鉸接(HINGE)約束[12].

2.3溫度場的施加

由于在混凝土澆筑凝結(jié)的過程中產(chǎn)生大量水化熱，致使混凝土的溫度有所提高[13].根據(jù)現(xiàn)場測試的溫度，混凝土由27 ℃上升到了47 ℃，有了較大的溫度變化，故在數(shù)值模擬過程中需要加入一個溫度場，來近似模擬真實施工情況.在整體模型上加入一個27 ℃～47 ℃～27 ℃的溫度場[14].

3　數(shù)值計算結(jié)果及分析

模型整體的最大應(yīng)力為1.1×108Pa，最大應(yīng)力云圖如圖12所示.臺車的應(yīng)力云圖如圖13所示.由應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于2.1×108Pa，結(jié)構(gòu)并沒有達(dá)到屈服且存在較大余量，過于保守，相對于臺車的結(jié)構(gòu)，模板、連桿和肋板的受力比較大.肋板在兩個拱肩處的應(yīng)力比最高點和最低點的應(yīng)力要大得多.由此可以看出，二襯對臺車的力主要集中在肩部[15].

圖12　整體應(yīng)力云圖Fig.12　Nephogram of entire stress

圖13　臺車應(yīng)力云圖Fig.13　Nephogram of trolley stress

連接板以及連接板與肋板、臺車結(jié)構(gòu)和連桿相連接處是結(jié)構(gòu)最為薄弱的地方，連桿的中部應(yīng)力較小，而兩端與連接板相連接處的應(yīng)力明顯增大，其最大應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，出現(xiàn)在最下面連接板與相應(yīng)連桿和臺車的連接處，其值為1.1×108Pa.因此，各連接處應(yīng)確保足夠的強度.

由臺車應(yīng)力云圖可知，臺車的應(yīng)力主要集中在各個連接處，最大應(yīng)力為4.165×107Pa.臺車凈空的上部相當(dāng)于單點加載的梁，根部會出現(xiàn)向上的應(yīng)力線，此處也應(yīng)注意加強.而上部整個橫梁的1/3、2/3處應(yīng)力較小，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整.但總體上臺車的應(yīng)力沒有超過屈服強度，約為其1/5.

圖14、15為模型整體和臺車的位移云圖.模型整體的最大位移為1.584 mm，最大位置出現(xiàn)在肩部，整體是向內(nèi)的運動趨勢，臺車的最大位移為0.262 mm.

圖15　臺車位移云圖Fig.15　Displacement nephogram of trolley

4　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 整個臺車最大位移為1.584 mm，滿足規(guī)范要求.距離隧道底板約1 m是模板弧度變化最大的位置，混凝土澆筑開始階段其壓力增長最快，其第一壓力峰值也最高，說明該弧度變化最大位置的模板受到壓力最大，在混凝土施工中要注意這個問題.

2) 模板結(jié)構(gòu)的斜向支撐桿件壓應(yīng)變在混凝土澆筑振搗階段呈增長趨勢，最大壓應(yīng)變約為100 με.在施工作業(yè)的過程中，對斜向支撐必須施加牢固可靠的支撐，以避免模板側(cè)模底部變形，造成混凝土襯砌時漏漿跑模，影響施工質(zhì)量.

3) 連接板以及連接板與肋板、臺車結(jié)構(gòu)和連桿相連接處是結(jié)構(gòu)最為薄弱的地方，其最大應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，出現(xiàn)在最下面連接板與相應(yīng)連桿和臺車的連接處.因此，各連接處應(yīng)確保足夠的強度.

4) 結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于2.1×108Pa，結(jié)構(gòu)并沒有達(dá)到屈服，并存在較大的余量，過于保守.在臺車的結(jié)構(gòu)中，模板、連桿和肋板的受力比較大.肋板在兩個拱肩處的應(yīng)力比最高點和最低點的應(yīng)力要大得多.由此可以看出，二襯臺車的力主要集中在肩部.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Numerical simulation of tunnel secondary lining trolley template based on ABAQUS

HUANG Zhi-qiang1, HOU Xin-yu1, LI Hai2, LIU Dan-na2

(1. School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. General Manager Office, China Communication North Road and Bridge Co. Ltd., Beijing 100024, China)

Aiming at the problem whether the internal force and displacement of template of secondary lining trolley of Yangdanshan tunnel meet the current standards and requirements during the pouring of concrete, the simulation and calculation were performed with numerical simulation software ABAQUS. In addition, the actual measurement was performed in the construction site, the measured lateral pressure was imposed on the model, and the internal force and displacement results were obtained. The calculated and measured results show that the position for the biggest template radian change will suffer the biggest pressure. The connection parts between the connection plate and rib plate as well as between the trolley structure and connecting rod are the weakest sites in the whole structure, and therefore enough strength should be ensured in each connecting part. The rib plate in the connecting part plays a very important role in limiting the template deformation.

secondary lining; tunnel; numerical simulation; concrete; trolley; displacement; lateral pressure; template

2015-09-14.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51474050)； 遼寧省教育廳基金資助項目(201344089).

黃志強(1971-)，男，黑龍江伊春人，副教授，博士，主要從事模板施工模擬等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.15

TU 755.2

A

1000-1646(2016)05-0560-06

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.016.html