盾構(gòu)機(jī)胴體卷制加工力學(xué)性能研究

張 鵬

（盾建重工制造有限公司，江蘇 無錫 214107）

盾構(gòu)機(jī)胴體結(jié)構(gòu)為大徑厚比鋼管結(jié)構(gòu)，其直徑視隧道開挖孔的內(nèi)徑而決定，常見的胴體直徑為φ5.5m～φ15m。目前胴體結(jié)構(gòu)制作工廠常采用冷成型焊接成圓筒，其管徑大管壁厚，胴體外徑可達(dá)φ15m壁厚可達(dá)50mm，加工難度實屬罕見。

冷成型實質(zhì)上就是在低于鋼材再結(jié)晶溫度下的彈塑性彎曲成型。國內(nèi)冷成型加工工藝主要有兩種，在卷板機(jī)上將鋼板沿軋制方向卷曲成型，在油壓機(jī)上將鋼板沿垂直于軋制方向以長壓頭漸進(jìn)壓制成型。鑒于冷彎成型時鋼板產(chǎn)生的塑性變形較大，并伴隨有加工硬化現(xiàn)象，所以鋼材經(jīng)冷加工成型后，一般都有強(qiáng)度升高和塑性韌性降低的傾向，鋼板在卷制成短圓柱體鋼筒時，變形與受力狀態(tài)較為復(fù)雜。本文旨在通過對卷制的大徑厚比胴體的力學(xué)性能分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供合理依據(jù)，以提升產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

1 大徑厚比胴體應(yīng)力應(yīng)變的解析與探討

我們按GB/T232進(jìn)行金屬材料彎曲試驗時，冷彎試樣受拉的外表面不但發(fā)生沿試樣縱向的拉伸現(xiàn)象，同時也發(fā)生沿試樣橫向的收縮變形。橫向收縮量隨冷彎截面寬度的增加而減少，冷彎試樣的寬度越大，則縱向拉伸越難變形，而彎至同樣的角度，因?qū)挾仍酱螅讲荒苁艿綑M向補(bǔ)償，越易產(chǎn)生裂縫等缺陷，越能敏感地反映出鋼材塑性變形能力、各向異性程度和表面質(zhì)量，這種現(xiàn)象，稱為寬冷彎效應(yīng)。

卷制大徑厚比胴體的過程相當(dāng)于金屬材料彎曲試驗的“寬冷彎”試驗，其寬度為板材寬度，但一般板材長度為板材厚度的數(shù)十倍，因而寬度方向收縮微乎其微，可以認(rèn)為寬度沒有發(fā)生變形，但長度厚度比對胴體橫向伸長的影響是十分明顯的。冷成型加工時板材外層屬拉伸區(qū)，內(nèi)層屬壓縮區(qū)，我們可在卷制后胴體弧外側(cè)中部取一個單元體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

這個單元體受到 σ1、σ2、σ3三個應(yīng)力作用，并同時發(fā)生 ε1、ε2、ε3三個相對應(yīng)的應(yīng)變。由于三個應(yīng)力的作用，以及外層拉伸內(nèi)層壓縮的結(jié)果，使彎曲部分發(fā)生不同程度的變形，有正應(yīng)變有負(fù)應(yīng)變，產(chǎn)生了畸變，但胴體縱向方向遇阻很大。外層受拉伸，內(nèi)層受壓縮，另外由于胴體縱向方向晶格滑移的阻力較大，應(yīng)變流動困難，因而產(chǎn)生胴體縱向應(yīng)力σ2。所以應(yīng)力狀態(tài)是立體的，應(yīng)變是平面的。顯而易見，受拉區(qū)三個主應(yīng)力中二個拉應(yīng)力一個壓應(yīng)力，二個主應(yīng)變中一個拉應(yīng)變一個壓應(yīng)變。而受壓區(qū)三個主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，二個主應(yīng)變中一個拉應(yīng)變一個壓應(yīng)變。綜上分析，受拉區(qū)的拉應(yīng)力拉應(yīng)變成分多于受壓區(qū)。胴體外層應(yīng)是板材性能變化最明顯的區(qū)域，這就告訴我們，在研究胴體性能時，應(yīng)從胴體外側(cè)近表面取樣。

2 胴體的性能試驗

對于胴體的性能研究，我們選擇在一定的徑厚比條件下，進(jìn)行鋼板卷制前后的比對試驗，從而了解和掌握材料性能的變化規(guī)律。

2.1 試驗胴體

試驗胴體：分為3組，均采取卷制冷加工形式，胴體規(guī)格（外徑mm×壁厚mm)分別為φ6 340×32、φ6 340×40、φ6 340×45。

試驗鋼板Q345B，板厚分別為32mm、40mm、45 mm，其力學(xué)性能依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2008。

2.2 取樣與制樣

我們根據(jù)GB/T2975《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》標(biāo)準(zhǔn)，對原鋼板和胴體取樣和制樣作了具體規(guī)定。

（1）胴體的原鋼板按GB/T2975取樣，并標(biāo)記原板的樣坯外表面。

（2）胴體取樣樣坯位置與焊縫成45°角，按母線方向取縱向樣坯，按圓周方向取橫向樣坯。

（3）胴體圓拉伸及沖擊試樣和鋼板試樣形狀規(guī)格相同。拉伸試樣為圓形橫截面比例試樣（d0=10mm、L0=50mm)，試樣應(yīng)符合GB/T228要求。V型沖擊試樣為10×10×55（mm)，試樣應(yīng)符合GB/T229要求。

（4）制樣數(shù)量：板材：縱、橫方向圓拉伸試樣各1個，縱、橫方向沖擊試樣各1組，每組3個。胴體：縱、橫方向圓拉伸試樣各2個，縱、橫方向沖擊試樣各2組，每組3個。

2.3 試驗結(jié)果

原鋼板性能和胴體性能的測試數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

（1）φ6 340mm×32mm胴體相對于原板材，縱向屈服強(qiáng)度增加16～18%、抗拉強(qiáng)度增加2～3%、屈強(qiáng)比0.86、斷后伸長率減10～11%、沖擊功減4%；橫向屈服強(qiáng)度增加16～19%、抗拉強(qiáng)度增加4～5%、屈強(qiáng)比0.86、斷后伸長率減12～13%、沖擊功減21～22%；

（2）φ6 340mm×40mm胴體相對于原板材，縱向屈服強(qiáng)度增加16～18%、抗拉強(qiáng)度增加2%、屈強(qiáng)比0.83、斷后伸長率減12～14%、沖擊功減6～7%；橫向屈服強(qiáng)度增加23%、抗拉強(qiáng)度增加4～5%、屈強(qiáng)比0.82、斷后伸長率減12～16%、沖擊功減29～30%；

（3）φ6 340mm×45mm胴體相對于原板材，縱向屈服強(qiáng)度增加18～19%、抗拉強(qiáng)度增加2～3%、屈強(qiáng)比0.75、斷后伸長率減12～14%、沖擊功減5～6%；橫向屈服強(qiáng)度增加22～24%、抗拉強(qiáng)度增加4～5%、屈強(qiáng)比0.75、斷后伸長率減12～15%、沖擊功減23～24%.

3 結(jié)果分析

（1）從應(yīng)力應(yīng)變分析研究可知，胴體外層受拉區(qū)的拉應(yīng)力拉應(yīng)變成分多于內(nèi)層受壓區(qū)，不利于材料塑性變形，因此應(yīng)仔細(xì)檢查成品胴體的外表面有無影響質(zhì)量的缺陷。

（2）卷制成型的胴體，其力學(xué)性能與原板相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高，塑性明顯下降，這一點與應(yīng)力應(yīng)變分析的結(jié)果是一致的。

（3）從試驗數(shù)據(jù)整體分析可知，胴體屈強(qiáng)比不小于原板屈強(qiáng)比，有些屈強(qiáng)比數(shù)據(jù)已大于GB/T19879規(guī)定的0.85，這表明一旦胴體承載超過屈服極限，抵御失效的能力就會下降。

（4）卷制的胴體，其橫向沖擊韌性較原板有大幅度降低。因此制造胴體的鋼板，如果沖擊韌性富余量大的話，卷制后沖擊功還能達(dá)到原板標(biāo)準(zhǔn)要求，否則胴體橫向沖擊功將不符合規(guī)定，造成廢品。

（5）冷成型直縫焊接胴體的力學(xué)性能，不能以其原材料鋼板力學(xué)性能代替。

4 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)胴體結(jié)構(gòu)所具有的截面特性、受力性能，適合制作盾構(gòu)機(jī)前盾、中盾結(jié)構(gòu)，研究其冷成型后的應(yīng)力應(yīng)變和性能變化規(guī)律，使該類結(jié)構(gòu)設(shè)計具有充分合理的依據(jù)，從而為進(jìn)一步提升相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提供技術(shù)支撐。

[1]黎劍峰，王利樹.直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景[C].廣東：全國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會論文集，2008.

[2]江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司編著.經(jīng)典建筑鋼結(jié)構(gòu)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]高漢文，任頌贊.工廠理化測試手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994.