曹軍軍,王新強(qiáng),陸志明
(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室,四川成都 610031; 2. 中鐵建大橋工程集團(tuán)有限公司, 天津 300300)
盾構(gòu)法施工隧道相對于明挖法、暗挖法、礦山法等施工方法,具有自動化程度高、施工速度快、安全性能好、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),是目前城市軌道交通建設(shè)施工的主流方法[1-3]。反力架是盾構(gòu)始發(fā)提供反力的重要結(jié)構(gòu),一般在盾尾安裝完成后安裝。關(guān)于盾構(gòu)始發(fā)反力架的研究,國內(nèi)學(xué)者已取得較多成果。趙寶虎[4]等基于武漢長江隧道,結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗對盾構(gòu)始發(fā)過程反力架應(yīng)力監(jiān)測與安全進(jìn)行了評價,取得較好效果。祝全兵[5]利用ABAQUS大型有限元分析軟件,根據(jù)反力架的應(yīng)力和位移對大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架受力安全性能進(jìn)行了分析。劉榮華[6]基于實際工程總結(jié)了盾構(gòu)始反力架的設(shè)計與施工要點(diǎn)。王凱[7]以反力架質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo),基于PSO算法對反力架設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,效果明顯。高洪吉[8]采用ABAQUS對9.15 m大直徑盾構(gòu)始發(fā)階段推力及反力架受力進(jìn)行分析,確定了反力架受力薄弱點(diǎn),對實際施工意義重大。李濤[9]采用FLAC3D分別對兩個不同工程進(jìn)行模擬,并分析了負(fù)環(huán)管片位移與拼裝管片環(huán)數(shù)之間的關(guān)系,研究反力架受力特性,確定反力架拆除時機(jī)及其影響因素??梢?,目前對于盾構(gòu)始發(fā)反力架的研究工作,主要集中在反力架體系受力分析、安全評估、應(yīng)力監(jiān)測、安全拆除等方向,但是對反力架細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作較少。
本文以廣州地鐵18號線沙溪站盾構(gòu)始發(fā)反力架為工程背景,利用MIDAS對8.5 m大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架進(jìn)行三維實體精細(xì)化建模,分析得出反力架系統(tǒng)的受力薄弱點(diǎn);針對反力架斜桿的作用部位與角度,對斜桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,可為今后類似工程設(shè)計提供參考與借鑒。
廣州地鐵18號線路全長61.2 km,均為地下線,設(shè)站9座,其中換乘站8座。沙溪站為4條盾構(gòu)區(qū)間的始發(fā)站,車站加左右區(qū)間總長度為8.4 km。車站總長度為465 m,島式站臺有效長度為186 m,車站地板埋深為21 m。區(qū)間隧道設(shè)計為圓形斷面,管片內(nèi)徑為7.7 m,外徑8.5 m,幅寬1.6 m;每環(huán)管片采用4+2+1分塊方案錯縫拼裝,設(shè)計時速160 km/h;隧道橫斷面如圖1所示。
圖1 隧道橫斷面示意(單位:mm)
始發(fā)反力架為拼裝式全圓鋼架+門式框架結(jié)構(gòu),以確保足夠剛性,后靠支撐系統(tǒng)采用鋼框架及后部φ609 mm厚20 mm鋼管支撐組成,支撐鋼管末端均固定在混凝土墻上。鋼框架分為4部分,分別為左、右立柱和上、下橫梁,均采用強(qiáng)度Q235厚3 cm鋼板定型加工,立柱和橫梁尺寸為1 000 mm×800 mm。鋼管支撐分為水平支撐和斜撐,上下橫梁均采用3根水平鋼支撐,右側(cè)立柱采用2根水平鋼支撐和3根斜支撐,左側(cè)立柱采用3根水平鋼支撐。反力架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 反力架結(jié)構(gòu)(單位:mm)
利用MIDAS-GTS有限元分析軟件對工程實際反力架系統(tǒng)精細(xì)化建模,根據(jù)各部件之間的關(guān)系以及幾何形狀建立三維實體模型。反力架材料參數(shù)為:E=210GPa,ν=0.3,屈服極限為235 MPa。根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)的設(shè)計荷載,最大推力取20 000 kN,均布作用在基準(zhǔn)環(huán)上。兩根立柱底部以及所用的鋼管支撐末端均設(shè)置固定約束。有限元模型、荷載、約束情況如圖3所示。
圖3 三維計算模型
圖4 反力架位移云圖
圖5 反力架Mises應(yīng)力云圖
雖然整個反力架體系是安全可靠的,但結(jié)合反力架Mises應(yīng)力云圖和反力架位移云圖不難發(fā)現(xiàn),3根斜桿由下至上,應(yīng)力不斷減小,位移反而越大。因為長桿的穩(wěn)定性較差,使得其強(qiáng)度利用率非常低。基于以上情況,下面根據(jù)斜桿與豎直方向的角度對其進(jìn)行優(yōu)化分析。
為了分析斜桿與豎直方向的角度對反力架受力的影響,采用單根斜桿作用在立柱中點(diǎn)位置,設(shè)置了44°、48°、52°、56°、60°、64°、68°七種工況,每種工況分別提取了特征點(diǎn)的總位移和Mises應(yīng)力,并對其進(jìn)行對比分析,每種工況下特征點(diǎn)位置如圖6所示(位移特征點(diǎn)為基準(zhǔn)圓環(huán)最右側(cè)中點(diǎn),Mises應(yīng)力特征點(diǎn)為斜桿中點(diǎn))。
圖6 工況以及特征點(diǎn)位置
圖7為七種不同工況下測點(diǎn)的位移和Mises應(yīng)力曲線,測點(diǎn)位移隨角度的增加,先減小再增大,且減小和增大的速度較快。在斜桿為68°時達(dá)到位移最大值4.5 mm,在60°時位移最小為4.0 mm,因此,使斜桿位移最小的角度在60°左右。Mises應(yīng)力隨角度的增加,先增大再減小,最大Mises應(yīng)力值99.4 MPa在52°,增大和減小的速度明顯。結(jié)合位移與應(yīng)力曲線,斜桿角度為60°,整個反力架體系的受力是最優(yōu)的。為了進(jìn)一步確定優(yōu)化效果,采用2根θ=60 °時的斜桿的計算結(jié)果Mises應(yīng)力與位移云圖,其作用部位為基準(zhǔn)環(huán)、斜梁與立柱搭接處。與圖4、圖5優(yōu)化前的工況相比,優(yōu)化后的反力架最大應(yīng)力為171 MPa,減小了12.3 %;最大位移為2.9 mm,較小20.7 %??梢姡戳苄睏U的作用部位與角度對反力架的受力影響較大,當(dāng)θ=60 °時,不僅可以大大減少結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力與位移,而且減少了1根長斜桿的使用,減少了反力架使用空間,便于施工(表1、圖8)。
圖7 不同角度下Mises應(yīng)力和位移變化曲線
表1 不同工況數(shù)據(jù)對比
圖8 優(yōu)化后的反力架計算結(jié)果云圖
(1)在工程現(xiàn)場所應(yīng)用的反力架雖然受力驗算是安全可靠的,但受一側(cè)斜桿的影響,使結(jié)構(gòu)受力均勻性較差,具有明顯的應(yīng)力集中以及大位移區(qū)域,在環(huán)境復(fù)雜的施工現(xiàn)場,對其進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。
(2)根據(jù)工程經(jīng)驗,斜桿的最優(yōu)作用部位集中在基準(zhǔn)環(huán)、斜梁與立柱搭接處。
(3)對于斜桿與立柱的夾角,根據(jù)對比分析得出在60°左右時,反力架體系的受力是最優(yōu)的。