李 宏

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

鐵路客運(yùn)專線襯砌臺車門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 宏

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

為進(jìn)一步增強(qiáng)隧道襯砌臺車相關(guān)方經(jīng)濟(jì)用材意識，節(jié)約鋼材用量，間接減少煉鋼污染排放，為控制霧霾改善環(huán)境做出間接貢獻(xiàn)，針對銀西鐵路賈塬隧道客運(yùn)專線臺車的門架結(jié)構(gòu)所用2種型材組合方式，采用ANSYS有限元計(jì)算方法，把門架的立柱、橫梁和立柱大斜撐擬合為梁單元Beam4，其余桿件擬合為桿單元Link8，仿真門架工況施以相同邊界條件分別予以檢算并做出比較分析，結(jié)果表明： 僅單榀門架優(yōu)化后省材2 t多，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證均能滿足質(zhì)量要求，證實(shí)臺車節(jié)材降耗挖潛增效仍有空間。

鐵路客運(yùn)專線隧道； 襯砌臺車； 門架結(jié)構(gòu)； 優(yōu)化

0 引言

我國高鐵建設(shè)經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，已居世界領(lǐng)先水平，目前營運(yùn)里程突破2萬km，依據(jù)規(guī)劃,到2025年?duì)I運(yùn)里程將突破3.8萬 km。就銀西客專來說，隧道占比23.28%，而隧道襯砌臺車是隧道施工過程二次襯砌中必須使用的以鋼結(jié)構(gòu)件為主體的非標(biāo)專用設(shè)備，用于對隧道內(nèi)壁的混凝土襯砌施工，具有施工效率高、表面成型質(zhì)量好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在鐵路、公路和水利水電工程中被大量使用。僅在鐵路施工中，臺車1年的使用量達(dá)到5 000多臺套，用鋼量達(dá)到60多萬t,成本約計(jì)40億元。目前客運(yùn)專線隧道斷面形式基本定型，但與之施工配套的臺車設(shè)計(jì)加工制造沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，普通臺車技術(shù)含量低，易于測繪仿制，加工制造門檻低，基本由小企業(yè)和個體戶承擔(dān)制作，而系統(tǒng)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化、合理選材做得不夠，致使結(jié)構(gòu)形式五花八門；臺車結(jié)算大多以過磅噸位為準(zhǔn)，在一個項(xiàng)目上完成成本攤銷，供方賺取微薄的制造費(fèi)，需方項(xiàng)目竣工后以廢舊物資處理獲取收益，供需方主要側(cè)重安全考慮，對臺車經(jīng)濟(jì)用材缺乏足夠的重視。韓銀紅[1]針對普通單線臺車做了有限元分析，指出單線隧道臺車結(jié)構(gòu)與客運(yùn)專線雙線臺車結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的不同；徐愛英[2]、趙增耀[3]沒有指明臺車的種類用途，用改變結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行了通過性檢算。張柯[4]針對某超大斷面市政隧道臺車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；李社斌等[5]針對某臺車的模板面板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，沒有指明是針對哪一種類型的隧道臺車；程偉等[6]針對某小斷面門洞臺車進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；王云[7]嘗試基于ANSYS對隧道襯砌臺車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化，理論性強(qiáng)，且沒有與之對應(yīng)的簡便交互式軟件，不宜推廣應(yīng)用。

以上研究成果缺少臺車適用場所和種類用途闡述，沒有進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)量化和優(yōu)化后社會效應(yīng)的表述。本文在借鑒臺車技術(shù)參數(shù)和邊界條件的選用方法的基礎(chǔ)上，針對高速鐵路客專雙線隧道襯砌臺車的工程常見門架結(jié)構(gòu)，基于2種型材組合，運(yùn)用ANSYS計(jì)算工具作出對比分析，以期為促進(jìn)供需方進(jìn)一步優(yōu)化臺車結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材消耗量、減少煉鋼污染排放以及減少霧霾改善環(huán)境做出間接貢獻(xiàn)，同時，也希望為競爭激烈的建筑業(yè)拓展盈利空間提供一種途徑。

1 臺車結(jié)構(gòu)組成

鐵路客運(yùn)專線12 m隧道模板臺車結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，實(shí)物圖片見圖2。臺車由模板總成、門架總成、支撐總成、行走總成、油壓與電氣系統(tǒng)等組成。

(a) 臺車輪廓圖

(b) 剖面圖

圖2 隧道模板臺車實(shí)物

2 臺車受力分析

客運(yùn)專線雙線隧道多為馬蹄形和圓形斷面[8]。臺車模板分為頂部模板和左右側(cè)模板2部分。頂部模板與側(cè)模板是用銷軸聯(lián)接的，側(cè)模板可以繞銷軸旋轉(zhuǎn)[1]。

頂部模板的載荷主要是混凝土自重。側(cè)部模板左右對稱布置，結(jié)構(gòu)及受力相同，承受混凝土自重較小，主要考慮澆筑混凝土?xí)r的側(cè)向壓力。臺車在混凝土澆筑過程中，模板所受混凝土的自重、澆筑及振搗附加力、混凝土側(cè)壓力經(jīng)兩側(cè)對稱徑向分布的支撐絲杠和頂部支撐構(gòu)件傳遞到門架上；根據(jù)臺車應(yīng)用實(shí)踐，臺車門架的剛度、強(qiáng)度是保證混凝土面質(zhì)量和斷面侵限的關(guān)鍵所在；控制二次襯砌拱腳內(nèi)收超差是支護(hù)的關(guān)鍵；經(jīng)過受力分析計(jì)算與應(yīng)用實(shí)踐得知拱腳內(nèi)收主要是由臺車在澆筑時產(chǎn)生的側(cè)壓力造成的。由于結(jié)構(gòu)的對稱性,只針對其中的單榀門架分析,即可確保結(jié)構(gòu)的安全[3]。

3 門架受力圖

門架主要由立柱、上橫梁、下橫梁、斜撐和豎撐組成[4]，受力如圖3所示。門架是一個空間的整體桁架結(jié)構(gòu)，臺車水平及垂直方向的載荷主要由門架承受。門架整體桁架結(jié)構(gòu)的受力有2種載荷： 門架受水平作用載荷,是經(jīng)支撐絲杠傳遞的側(cè)壓力；受垂直作用載荷，是經(jīng)頂模支撐傳遞混凝土自重與臺車自重。

圖3 門架結(jié)構(gòu)受力圖

4 計(jì)算(基于同一種工況下的受力)

4.1 銀西鐵路賈塬隧道臺車主要參數(shù)

1)臺車軌距8 500 mm；

2)模板半徑6 700 mm，圓心距內(nèi)軌頂面2 430 mm；

3)臺車門架榀數(shù)為7；

4)1個工作循環(huán)襯砌長度為12 m；

5)作用于臺車門架的模板及其結(jié)構(gòu)附件豎向重力為273.4 kN；

6)混凝土體積質(zhì)量取值為2.45 t/m3[7]；

7)混凝土澆筑影響載荷為46.06 kPa，取自日本岐埠工業(yè)公司12 m液壓臺車的計(jì)算值[7]；

8)理論襯砌厚度為350～550 mm，考慮超挖最大襯砌厚度計(jì)算按經(jīng)驗(yàn)值800 mm；

9)頂部新澆筑混凝土重力G=19.6 kN/m2。

4.2 計(jì)算參數(shù)[9-10]

1)泵送混凝土產(chǎn)生的載荷標(biāo)準(zhǔn)值為2 kN/m2；

2)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷標(biāo)準(zhǔn)值為2 kN/m2；

3)頂部模板擠壓面載荷p=47 kN/m2；

4)新澆混凝土動力系數(shù)取1.2；

5)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載系數(shù)取1.4；

6)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載系數(shù)取1.4；

7)Q235鋼,彈性模量2.1×105N/mm2,泊松比0.3；

8)支撐系統(tǒng)累計(jì)變形值≤4 mm;

9)結(jié)構(gòu)計(jì)算安全系數(shù)1.15。

4.3 計(jì)算載荷設(shè)計(jì)值

1)新澆筑混凝土對模板的側(cè)壓力設(shè)計(jì)值

F設(shè)=46.67×1.2=56 kN/m2;

2)頂部新澆筑混凝土重力設(shè)計(jì)值

G設(shè)=19.2×1.2=23.52 kN/m2;

3)泵送混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷設(shè)計(jì)值

Q1設(shè)=2×1.4=2.8 kN/m2;

4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的載荷設(shè)計(jì)值

Q2設(shè)=2×1.4=2.8 kN/m2。

4.4 載荷組合

1)邊模板傳遞壓力S1=56+2.8=58.8 kN/m2;

2)來自頂部模板壓力S2=23.52+2.8+47=73.32 kN/m2;

3)臺車模板部分及其附件質(zhì)量豎向作用于單榀門的壓力設(shè)計(jì)值G1=273.4/6=45.57 kN;

4)載荷組合經(jīng)支撐絲桿傳遞到門架上的集中作用力見表1。

表1 門架受力力值

4.5 有限元分析

為便于說明問題，化繁為簡,文中僅就工程實(shí)踐中常用臺車門架的一種結(jié)構(gòu)型式2種用材情況，采用ANSYS有限元計(jì)算方法對門架的強(qiáng)度、位移進(jìn)行分析。上橫梁、下橫梁、立柱和大斜撐為梁單元Beam4，小斜撐、豎撐和橫撐為桿單元Link8[11]。

4.5.1 第1種型材有限元計(jì)算

按門架受力不利情況考慮，F(xiàn)8按垂直載荷加載，F(xiàn)3按水平載荷加載。依據(jù)ANSYS分析需要賦予材料屬性，如表2所示。

表2 第1種型材屬性

建模定義材料屬性劃分網(wǎng)格，加載施加約束見圖4，求解后的位移云圖見圖5，應(yīng)力云圖見圖6。

圖4 門架加載施加約束圖

圖5 組合型材1門架位移云圖(單位: mm)

Fig. 5 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: mm)

圖6 組合型材1門架應(yīng)力云圖(單位: MPa)

Fig. 6 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: MPa)

4.5.2 第2種型材有限元計(jì)算

下橫梁、立柱和上橫梁用同一型號規(guī)格材料H400×300×12×14，其余材料不變。第2種型材應(yīng)力和位移云圖計(jì)算結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 組合型材2門架位移云圖(單位： mm)

Fig. 7 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 2 (unit: mm)

圖8 組合型材2門架應(yīng)力云圖(單位： MPa)

Fig. 8 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 2(unit: MPa)

門架所用材料Q235鋼屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，取安全系數(shù)1.15，則其許用應(yīng)力[σ]=235/1.15=205 MPa。2種用材通過ANSYS計(jì)算對比得知，第1種選材最大應(yīng)力為75.36 MPa，第2種選材最大應(yīng)力為144.771 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，符合強(qiáng)度要求；位移情況，門架底腳為最大值，2種用材分別是2.108 mm和2.706 mm，對臺車門架來說可以忽略這種微小的差異，小于規(guī)定4 mm的要求，滿足施工要求。顯然第2種用材更為經(jīng)濟(jì)合理。

4.6 2種選材門架質(zhì)量對比

在2種計(jì)算中，只是對門架的立柱和上、下橫梁材料做了調(diào)整，按中心線計(jì)算材料長度，累計(jì)為8 500+5 250+5 250=19 000 mm，型材□700×500×12×12質(zhì)量為221.6 kg/m，型材H400×300×12×14質(zhì)量為101 kg/m，單榀門架質(zhì)量差為2 291.4 kg。1臺12 m長臺車一般由7榀門架組成，單個臺車總的質(zhì)量差為7×2 291.4=16 037.7 kg，約計(jì)16 t，也就是說，在滿足使用要求的情況下，1臺臺車僅就門架而言節(jié)省16 t 鋼材，按鐵路施工年需用量5 000臺計(jì)算,可節(jié)約 8萬t 鋼材，直接成本約計(jì)4億元。質(zhì)量輕了各項(xiàng)成本也會隨之有所降低，比如運(yùn)輸費(fèi)用、搬運(yùn)費(fèi)和裝卸費(fèi)等[12]；立柱和橫梁桿件采用同一種型材，便于工序化作業(yè)[13]，制造成本也會降低，為供需雙方提高盈利能力創(chuàng)造一條途徑；節(jié)約了鋼材，減少了煉鋼的污染排放，間接改善了環(huán)境，對緩解工業(yè)化帶來的霧霾大有好處。2010年2月26日《經(jīng)濟(jì)日報》中的“再識1 t鋼”一文指出： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每煉1 t鋼，要消耗0.6～0.8 t標(biāo)準(zhǔn)煤、1.50～1.55 t鐵礦石、80～150 kg廢鋼、3～6 t水。中國鋼鐵工業(yè)的能耗總量占全國能源消費(fèi)總量的15%左右，占全國工業(yè)能源消費(fèi)總量的23%；鋼鐵產(chǎn)業(yè)從原料到成品的貨運(yùn)總量占全國總貨運(yùn)量的22%左右；在全部工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵行業(yè)排放的廢水占10.75%，排在造紙、化工、火力發(fā)電之后，列第4位，排放的廢氣占17%，僅次于火力發(fā)電業(yè)和非金屬礦物制造業(yè)；二氧化硫排放量占5.6%，次于火力發(fā)電業(yè)和非金屬礦物制造業(yè)，與化工行業(yè)并列第3。

5 結(jié)論與討論

1)基于工程實(shí)踐中所用客運(yùn)專線雙線臺車門架在相同結(jié)構(gòu)型式下的不同型材組合，運(yùn)用ANSYS有限元建模計(jì)算分析，均能保證隧道二次襯砌質(zhì)量，材料消耗差異較大。

2)從檢索文獻(xiàn)來看，在臺車優(yōu)化方面有不少論述，但指向性不明確，沒有說明是針對哪一種類型和用途的臺車進(jìn)行的，基本是按廠家提供的圖紙技術(shù)要求進(jìn)行通過性的檢算，并沒有進(jìn)行經(jīng)濟(jì)量化分析和對社會效益的關(guān)注。針對以上不足，本文明確了是針對客運(yùn)專線臺車門架部分的優(yōu)化，并對其經(jīng)濟(jì)性和社會效益做了闡述。

3)本文旨在引導(dǎo)臺車相關(guān)方進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理用材，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，達(dá)到省料輕便、節(jié)約資源，能使1部臺車在多個項(xiàng)目施工中主要部件能周轉(zhuǎn)循環(huán)使用。對使用方可減少采購成本、提高利潤，對賣方可以促進(jìn)行業(yè)的良性發(fā)展，符合國家倡導(dǎo)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。更為重要的是，通過減少鋼材的消耗量，間接地改善環(huán)境，為治霾做出貢獻(xiàn)。

4)我國高鐵建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)聯(lián)動作用將惠及世界，高鐵施工裝備將形成中國標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)全球高鐵時代的到來，開發(fā)客運(yùn)專線臺車參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件將助推臺車的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與制造。

5)本文只是對客運(yùn)專線臺車現(xiàn)用常見的一種門架結(jié)構(gòu)的2種型材作了對比研究，沒有做到極限組合優(yōu)化，下一步可再考慮設(shè)計(jì)一種更加合理的門架結(jié)構(gòu)型式。

[1] 韓銀紅. 模板臺車的有限元分析[J]. 工程機(jī)械, 2003(12): 19.

HAN Yinhong. Analysis of tunnel lining trolley structure[J]. Construction Machinery and Equipment, 2003(12): 19.

[2] 徐愛英.隧道襯砌臺車有限元結(jié)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 塔里木大學(xué)學(xué)報, 2009, 21(3): 26.

XU Aiying. Trolley tunnellining structure simulation and design optimization[J]. Journal of Tarim University, 2009, 21(3): 26.

[3] 趙增耀. 有限元分析在工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[D]. 西安: 長安大學(xué), 2009.

ZHAO Zengyao. The application of finite element analysis in structural design and structural optimization of engineering mechanical steel [D]. Xi′an: Chang′an University, 2009.

[4] 張柯. 大斷面隧道襯砌臺車結(jié)構(gòu)優(yōu)化施工技術(shù)探討[J]. 科技信息, 2011(1): 341.

ZHANG Ke. Structural optimization of tunnel lining of large cross-section tunnel[J]. Science & Technology Information, 2011(1): 341.

[5] 李社斌， 李穎， 陳奇. 隧道模板臺車優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 新技術(shù)新工藝， 2014(1): 33.

LI Shebin, LI Ying, CHEN Qi. Optimization design of template of tunnel forwork jumbo[J]. New Technology & New Process, 2014(1): 33.

[6] 程偉, 何勇， 王寶民. 液壓鋼模臺車的設(shè)計(jì)[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 35(5): 16.

CHENG Wei, HE Yong, WANG Baomin. Design of hydraulic steel trolley[J]. Journal of Shaanxi University of Technology(Natural Science Edition), 2015, 35(5): 16.

[7] 王云. 基于ANSYS的隧道襯砌臺車結(jié)構(gòu)的分析及優(yōu)化[D]. 長沙： 中南林業(yè)科技大學(xué), 2016.

WANG Yun. Tunnellining trolley structure analysis and design optimization based on ANSYS[D]. Changsha: Central South University of Forestry & Technology, 2016.

[8] 徐凱. 成都地鐵區(qū)間隧道不同斷面形式抗震性能的研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué), 2010.

XU Kai. Study of anti-seismic performance oaf different cross-section shanpes about running tunnel in Chengdu Metro[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2010.

[9] 建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范： JGJ 162—2008[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008: 10.

Technical code for safety of forms in construction: JGJ 162—2008[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008: 10.

[10] 北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50017—2003[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 2003: 19.

CERIS. Code for design of steel structures: GB 50017—2003[S]. Beijing: China Planning Press, 2003: 19.

[11] 龔曙光. ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 75.

GONG Shuguang. Basic application and paradigm analysis of ANSYS[M]. Beijing: China Machine Press, 2004: 75.

[12] 張偉. 基于雙臂鑿巖臺車的隧道施工設(shè)備配套及經(jīng)濟(jì)性研究[D]. 西安： 長安大學(xué), 2015.

ZHANG Wei. Study of the equipment complement in tunnel construction and economic based on the double-arm drill jumbo[D]. Xi′an: Chang′an University, 2015.

[13] 鐘德洪. 機(jī)械制造企業(yè)質(zhì)量控制與管理研究[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2016(3): 173.

ZHONG Dehong. Research on quality control and management of mechanical manufacturing enterprises[J]. Modern Manufacturing Techniques and Equipment, 2016(3): 173.

DoorFrameStructureOptimizationforLiningTrolleyUsedinPassenger-dedicatedRailwayTunnel

LI Hong

(ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China)

It is very important to reduce the cost of tunnel lining trolley and steel consumption and indirect pollution emissions and control fog and haze. The two material combination modes for door frame structure of lining trolley used in Jiayuan Passenger-dedicated Railway Tunnel on Yinchuan-Xi′an Railway are analyzed by finite element method ANSYS. The column, beam and column bracing are fit to Beam4 and the other components are fit to Link8. Same boundary conditions are laid for simulation working conditions of the door frame; and then checking calculation and comparative analysis are carried out. The results show that the more than 2 t of material has been reduced for a single door frame after optimization; and good application effect has been achieved.

passenger-dedicated railway tunnel; lining trolley; door frame structure; optimization

2017-04-06;

2017-10-12

李宏(1973—)，男, 甘肅會寧人,2014年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué),機(jī)械工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事工程機(jī)械運(yùn)用與維護(hù)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。E-mail: 850779930@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.017

U 455.3

A

2096-4498(2017)12-1622-05