劉雅林，于國(guó)軍，王凌云，朱少杰，呂 偉

(1. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 河南經(jīng)緯電力科技股份有限公司，河南 鄭州 451464)

近年來，我國(guó)各大城市全面發(fā)展隧道工程及地下工程建設(shè)，使得預(yù)埋槽道技術(shù)被廣泛應(yīng)用。接觸網(wǎng)是保證地鐵正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此施工單位對(duì)接觸網(wǎng)在隧道內(nèi)的安裝要求較苛刻。傳統(tǒng)工藝在安裝接觸網(wǎng)時(shí)，直接在管片打孔，然后鉆入膨脹螺栓或化學(xué)螺栓，這種安裝方式既對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成較大損傷，又降低了管片的使用質(zhì)量，增加工人的施工難度[1-2]。而盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道技術(shù)的引進(jìn)不僅保證隧道結(jié)構(gòu)的完整性，改善施工作業(yè)環(huán)境，提高各種設(shè)備管線的安裝效率，還大幅降低了工程總體建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本[3]。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者致力于預(yù)埋槽道的研究。顧云凡等[4]采用理論計(jì)算、有限元分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)3種不同型號(hào)的哈芬槽進(jìn)行對(duì)比分析。杜峰[5]根據(jù)深圳地鐵9號(hào)線預(yù)埋槽道使用情況，通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬，研究該工程預(yù)埋槽道的力學(xué)性能。孫希波[6]以北京地鐵7號(hào)線工程為例，對(duì)不同工況下的預(yù)埋槽道進(jìn)行受力分析。以上研究均提出預(yù)埋槽道技術(shù)可取代后置錨栓應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片內(nèi)，但是忽略了實(shí)際工程的需求，槽道與錨桿焊接固定，在槽道損壞的情況下難以維護(hù)和更換。

為了解決槽道不可更換的問題，有學(xué)者設(shè)計(jì)了新型的可更換預(yù)埋槽道型式。王軍[7]設(shè)計(jì)了可拆卸預(yù)埋槽道，將螺栓帽設(shè)置于管片中，利用螺紋原理，安裝柱穿過槽道與螺栓帽連接固定，槽道在使用過程中若發(fā)生銹蝕時(shí)方便拆卸、更換。徐公科等[8]設(shè)計(jì)了一種可更換式預(yù)埋固定裝置，槽道內(nèi)開設(shè)安裝孔，將連接螺栓擰入相對(duì)應(yīng)的安裝孔內(nèi)，利用螺母實(shí)現(xiàn)預(yù)埋槽道與錨桿的連接，需要更換預(yù)埋槽道時(shí)，僅將螺母拆下即可進(jìn)行預(yù)埋槽道更換。

本文中根據(jù)某地鐵工程預(yù)埋槽道拉伸、剪切載荷不小于30 kN的荷載信息，采用有限元軟件ABAQUS，對(duì)現(xiàn)有規(guī)格型號(hào)分別WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44的6種新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道進(jìn)行仿真，分析軸拉、剪切靜力荷載作用下的預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、T型螺栓、混凝土的應(yīng)力情況。

1 有限元仿真模型

作為工程中常用的有限元仿真分析軟件，ABAQUS軟件具備極全面的材料模型庫，可應(yīng)用于不同工程材料的力學(xué)性能分析。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，用戶可自行設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性、邊界條件和荷載工況等，通過選擇合適的增量步和收斂準(zhǔn)則，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的高度非線性分析[9]。本文中采用通用的有限元軟件ABAQUS模擬新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道的各種工況。

1.1 新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)型式

新型地鐵帶齒槽道的材質(zhì)型號(hào)為Q355B；預(yù)埋錨桿和鎖緊螺桿的材質(zhì)型號(hào)均為316L；T型螺栓的材質(zhì)型號(hào)為20Cr，強(qiáng)度等級(jí)為8.8，規(guī)格型號(hào)為M12、M16、M20。預(yù)埋槽道截面如圖1所示。6種新型地鐵帶齒槽道尺寸如表1所示。

W—槽道寬度；H—槽道高度；D—槽道壁厚度；C—槽口寬度；F—槽口厚度。圖1 新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道截面

表1 6種新型地鐵帶齒槽道尺寸 mm

1.2 新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道仿真模型

1)材料定義。新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道模型由外部混凝土、預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、T型螺栓5個(gè)部分構(gòu)成，有限元模型如圖2所示，其中深紅色表示混凝土，白色表示槽道，藍(lán)色表示T型螺栓，綠色表示預(yù)埋錨桿，黃色表示鎖緊螺桿。混凝土采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型進(jìn)行定義。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C[10]中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，定義該模型采用的強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土單軸受壓受拉本構(gòu)關(guān)系，并輸入相關(guān)的應(yīng)力、塑性應(yīng)變和損傷因子等參數(shù)。其余相關(guān)參數(shù)見表2。

(a)整體剖面

表2 混凝土的物理和力學(xué)性能參數(shù)

鋼材采用雙線型彈塑性模型，預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿屈服強(qiáng)度為269.17 MPa，抗拉強(qiáng)度為603.5 MPa[11]；T型螺栓屈服強(qiáng)度為640 MPa；槽道屈服強(qiáng)度為355 MPa。其余相關(guān)參數(shù)[12]見表3。

表3 鋼材的物理和力學(xué)性能參數(shù)

2)接觸定義。預(yù)埋錨桿與混凝土的接觸部分設(shè)置面與面接觸對(duì)，接觸面之間產(chǎn)生的相對(duì)位移可采用有限滑移公式描述；接觸屬性中的法向行為采用硬接觸表達(dá)，切向行為采用允許彈性滑移的罰摩擦公式表達(dá)[13]。槽道與混凝土的接觸部分同樣設(shè)置面與面接觸對(duì)；但是由于槽道表面是光滑的，因此設(shè)置接觸屬性時(shí)不考慮摩擦。

3)邊界條件。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》[14]，預(yù)埋錨桿間距取為200 mm，混凝土總長(zhǎng)度取為400 mm，在軸拉荷載下約束混凝土下底面3個(gè)方向位移，在剪切荷載下約束混凝土上、下側(cè)表面3個(gè)方向位移。

4)加載方式。將集中力30 kN轉(zhuǎn)化為面荷載，施加在T型螺栓上，進(jìn)行預(yù)埋槽道軸拉、縱向剪切、橫向剪切荷載作用下的有限元仿真分析。

2 數(shù)值模擬

基于WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44型這6種預(yù)埋槽道進(jìn)行有限元仿真，分析在30 kN軸拉以及縱、橫向剪切荷載單獨(dú)或共同作用下，各種工況(見表4)的預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、混凝土與T型螺栓的力學(xué)性能[15]。本文中僅列出工況9時(shí)WH40/22型預(yù)埋槽道縱向剪切荷載下的有限元仿真結(jié)果，如圖3所示，其他各工況下預(yù)埋槽道應(yīng)力值如表5所示。

表4 6種新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道仿真工況

表5 預(yù)埋槽道各工況下的應(yīng)力 MPa

3 結(jié)果與分析

由表5中預(yù)埋槽道各工況下的應(yīng)力情況，可以得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)軸拉荷載為30 kN時(shí)，各型號(hào)槽道應(yīng)力均較大；應(yīng)力主要集中在鎖緊螺桿及T型螺栓處，槽道變形為整體受拉彎曲及底部的卷邊外張。混凝土底部受拉，與預(yù)埋錨桿翼緣接觸面受壓。隨著槽道規(guī)格尺寸的增大，預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿及槽道應(yīng)力逐漸減小，同時(shí)混凝土最大壓應(yīng)力也逐漸減小，最大拉應(yīng)力略減小，但變化不大。WH30/20型槽道應(yīng)力和混凝土最大壓應(yīng)力均遠(yuǎn)大于限值，發(fā)生明顯破壞。WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34型槽道均進(jìn)入塑性階段，WH64/44型預(yù)埋槽道部件均未破壞。

2)當(dāng)縱向剪切荷載為30 kN時(shí)，預(yù)埋錨桿周圍混凝土受壓。隨著槽道規(guī)格尺寸的變大，鎖緊螺桿應(yīng)力和各槽道應(yīng)力顯著減小，但WH64/44型槽道應(yīng)力略有增大；混凝土壓應(yīng)力逐漸減小，但WH64/44型預(yù)埋槽道的混凝土壓應(yīng)力略有增大，以上工況下僅WH30/20、WH40/22型預(yù)埋槽道的混凝土壓應(yīng)力超限，其余型號(hào)均未發(fā)生受壓破壞。

3)當(dāng)橫向剪切荷載為30 kN時(shí)，混凝土為最不利構(gòu)件，槽道口頂部壓應(yīng)力較大，出現(xiàn)壓縮損傷及裂縫，WH38/23、WH53/34、WH64/44型預(yù)埋槽道的混凝土最大拉應(yīng)力均超過限值，發(fā)生受拉破壞，WH30/20、WH38/23、WH50/25型預(yù)埋槽道的混凝土壓應(yīng)力均遠(yuǎn)大于限值，發(fā)生受壓破壞。

4)在軸拉及縱、橫向剪切荷載30 kN共同作用下，預(yù)埋槽道部件的應(yīng)力均大于單向受力，其中WH64/44型預(yù)埋槽道的混凝土拉應(yīng)力大于限值，其余構(gòu)件應(yīng)力均小于限值，而其他型號(hào)的槽道應(yīng)力和混凝土最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于限值，發(fā)生明顯破壞。

為了解決6種型號(hào)預(yù)埋槽道在軸拉、剪切靜力荷載作用下，預(yù)埋槽道部件發(fā)生的塑性變形，提出不同的優(yōu)化建議改善預(yù)埋槽道整體力學(xué)性能：對(duì)于WH30/20、WH38/23型預(yù)埋槽道，可通過減小鎖緊螺桿直徑、增設(shè)墊片，調(diào)整預(yù)埋錨桿翼緣的厚度與直徑，以及提高槽道的材料強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)降低混凝土最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和槽道應(yīng)力的效果；對(duì)于WH40/22、WH50/25、WH53/34型預(yù)埋槽道，可通過增加預(yù)埋錨桿翼緣的厚度，提高槽道的材料強(qiáng)度，減小混凝土壓應(yīng)力，使槽道不發(fā)生屈服；對(duì)于WH64/44型預(yù)埋槽道，可通過縮減鎖緊螺桿的直徑，增加翼緣厚度，同時(shí)，T型螺栓處增設(shè)墊片，達(dá)到減小混凝土最大拉應(yīng)力的目的。

4 結(jié)論

當(dāng)軸拉荷載為30 kN時(shí)，僅WH64/44型槽道應(yīng)力小于限值，其余型號(hào)的均大于限值；僅WH30/20型預(yù)埋槽道的混凝土壓應(yīng)力大于限值，其余型號(hào)的均小于限值；在30 kN橫向剪切荷載，以及30 kN軸拉與縱、橫向剪切荷載共同作用下，6種型號(hào)預(yù)埋槽道應(yīng)力均超過限值?？梢酝ㄟ^改變翼緣直徑和厚度減小混凝土的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力，調(diào)整螺桿直徑和增設(shè)墊片改善槽道的受力性能。本文中通過對(duì)6種型號(hào)預(yù)埋槽道全面的力學(xué)性能評(píng)價(jià)，為今后新型地鐵帶齒預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)，從而可以滿足實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、使用要求。