鐵路客運專線襯砌臺車門架結構優化

李 宏

(陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000)

鐵路客運專線襯砌臺車門架結構優化

李 宏

(陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000)

為進一步增強隧道襯砌臺車相關方經濟用材意識，節約鋼材用量，間接減少煉鋼污染排放，為控制霧霾改善環境做出間接貢獻，針對銀西鐵路賈塬隧道客運專線臺車的門架結構所用2種型材組合方式，采用ANSYS有限元計算方法，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，結果表明： 僅單榀門架優化后省材2 t多，經工程應用驗證均能滿足質量要求，證實臺車節材降耗挖潛增效仍有空間。

鐵路客運專線隧道； 襯砌臺車； 門架結構； 優化

0 引言

我國高鐵建設經過十幾年的快速發展，已居世界領先水平，目前營運里程突破2萬km，依據規劃,到2025年營運里程將突破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構件為主體的非標專用設備，用于對隧道內壁的混凝土襯砌施工，具有施工效率高、表面成型質量好等諸多優點，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年的使用量達到5 000多臺套，用鋼量達到60多萬t,成本約計40億元。目前客運專線隧道斷面形式基本定型，但與之施工配套的臺車設計加工制造沒有統一標準，普通臺車技術含量低，易于測繪仿制，加工制造門檻低，基本由小企業和個體戶承擔制作，而系統性地進行結構分析優化、合理選材做得不夠，致使結構形式五花八門；臺車結算大多以過磅噸位為準，在一個項目上完成成本攤銷，供方賺取微薄的制造費，需方項目竣工后以廢舊物資處理獲取收益，供需方主要側重安全考慮，對臺車經濟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構與客運專線雙線臺車結構有本質的不同；徐愛英[2]、趙增耀[3]沒有指明臺車的種類用途，用改變結構的方式進行了通過性檢算。張柯[4]針對某超大斷面市政隧道臺車進行了結構優化；李社斌等[5]針對某臺車的模板面板厚度進行了優化，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行了優化設計；王云[7]嘗試基于ANSYS對隧道襯砌臺車結構進行分析及優化，理論性強，且沒有與之對應的簡便交互式軟件，不宜推廣應用。

以上研究成果缺少臺車適用場所和種類用途闡述，沒有進行經濟指標量化和優化后社會效應的表述。本文在借鑒臺車技術參數和邊界條件的選用方法的基礎上，針對高速鐵路客專雙線隧道襯砌臺車的工程常見門架結構，基于2種型材組合，運用ANSYS計算工具作出對比分析，以期為促進供需方進一步優化臺車結構節約鋼材消耗量、減少煉鋼污染排放以及減少霧霾改善環境做出間接貢獻，同時，也希望為競爭激烈的建筑業拓展盈利空間提供一種途徑。

1 臺車結構組成

鐵路客運專線12 m隧道模板臺車結構示意圖見圖1，實物圖片見圖2。臺車由模板總成、門架總成、支撐總成、行走總成、油壓與電氣系統等組成。

(a) 臺車輪廓圖

(b) 剖面圖

圖2 隧道模板臺車實物

2 臺車受力分析

客運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模板2部分。頂部模板與側模板是用銷軸聯接的，側模板可以繞銷軸旋轉[1]。

頂部模板的載荷主要是混凝土自重。側部模板左右對稱布置，結構及受力相同，承受混凝土自重較小，主要考慮澆筑混凝土時的側向壓力。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、混凝土側壓力經兩側對稱徑向分布的支撐絲杠和頂部支撐構件傳遞到門架上；根據臺車應用實踐，臺車門架的剛度、強度是保證混凝土面質量和斷面侵限的關鍵所在；控制二次襯砌拱腳內收超差是支護的關鍵；經過受力分析計算與應用實踐得知拱腳內收主要是由臺車在澆筑時產生的側壓力造成的。由于結構的對稱性,只針對其中的單榀門架分析,即可確保結構的安全[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構，臺車水平及垂直方向的載荷主要由門架承受。門架整體桁架結構的受力有2種載荷： 門架受水平作用載荷,是經支撐絲杠傳遞的側壓力；受垂直作用載荷，是經頂模支撐傳遞混凝土自重與臺車自重。

圖3 門架結構受力圖

4 計算(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

1)臺車軌距8 500 mm；

2)模板半徑6 700 mm，圓心距內軌頂面2 430 mm；

3)臺車門架榀數為7；

4)1個工作循環襯砌長度為12 m；

5)作用于臺車門架的模板及其結構附件豎向重力為273.4 kN；

6)混凝土體積質量取值為2.45 t/m3[7]；

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

8)理論襯砌厚度為350～550 mm，考慮超挖最大襯砌厚度計算按經驗值800 mm；

9)頂部新澆筑混凝土重力G=19.6 kN/m2。

4.2 計算參數[9-10]

1)泵送混凝土產生的載荷標準值為2 kN/m2；

2)振搗混凝土時產生的載荷標準值為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取1.2；

5)振搗混凝土時產生的豎向荷載系數取1.4；

6)傾倒混凝土時產生的豎向荷載系數取1.4；

7)Q235鋼,彈性模量2.1×105N/mm2,泊松比0.3；

8)支撐系統累計變形值≤4 mm;

9)結構計算安全系數1.15。

4.3 計算載荷設計值

1)新澆筑混凝土對模板的側壓力設計值

F設=46.67×1.2=56 kN/m2;

2)頂部新澆筑混凝土重力設計值

G設=19.2×1.2=23.52 kN/m2;

3)泵送混凝土時產生的載荷設計值

Q1設=2×1.4=2.8 kN/m2;

4)振搗混凝土時產生的載荷設計值

Q2設=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量豎向作用于單榀門的壓力設計值G1=273.4/6=45.57 kN;

4)載荷組合經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,文中僅就工程實踐中常用臺車門架的一種結構型式2種用材情況，采用ANSYS有限元計算方法對門架的強度、位移進行分析。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種型材有限元計算

按門架受力不利情況考慮，F8按垂直載荷加載，F3按水平載荷加載。依據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格，加載施加約束見圖4，求解后的位移云圖見圖5，應力云圖見圖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種型材有限元計算

下橫梁、立柱和上橫梁用同一型號規格材料H400×300×12×14，其余材料不變。第2種型材應力和位移云圖計算結果分別如圖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鋼屈服強度σs=235 MPa，取安全系數1.15，則其許用應力[σ]=235/1.15=205 MPa。2種用材通過ANSYS計算對比得知，第1種選材最大應力為75.36 MPa，第2種選材最大應力為144.771 MPa，小于許用應力205 MPa，符合強度要求；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，小于規定4 mm的要求，滿足施工要求。顯然第2種用材更為經濟合理。

4.6 2種選材門架質量對比

在2種計算中，只是對門架的立柱和上、下橫梁材料做了調整，按中心線計算材料長度，累計為8 500+5 250+5 250=19 000 mm，型材□700×500×12×12質量為221.6 kg/m，型材H400×300×12×14質量為101 kg/m，單榀門架質量差為2 291.4 kg。1臺12 m長臺車一般由7榀門架組成，單個臺車總的質量差為7×2 291.4=16 037.7 kg，約計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省16 t 鋼材，按鐵路施工年需用量5 000臺計算,可節約 8萬t 鋼材，直接成本約計4億元。質量輕了各項成本也會隨之有所降低，比如運輸費用、搬運費和裝卸費等[12]；立柱和橫梁桿件采用同一種型材，便于工序化作業[13]，制造成本也會降低，為供需雙方提高盈利能力創造一條途徑；節約了鋼材，減少了煉鋼的污染排放，間接改善了環境，對緩解工業化帶來的霧霾大有好處。2010年2月26日《經濟日報》中的“再識1 t鋼”一文指出： 據統計，每煉1 t鋼，要消耗0.6～0.8 t標準煤、1.50～1.55 t鐵礦石、80～150 kg廢鋼、3～6 t水。中國鋼鐵工業的能耗總量占全國能源消費總量的15%左右，占全國工業能源消費總量的23%；鋼鐵產業從原料到成品的貨運總量占全國總貨運量的22%左右；在全部工業行業中，鋼鐵行業排放的廢水占10.75%，排在造紙、化工、火力發電之后，列第4位，排放的廢氣占17%，僅次于火力發電業和非金屬礦物制造業；二氧化硫排放量占5.6%，次于火力發電業和非金屬礦物制造業，與化工行業并列第3。

5 結論與討論

1)基于工程實踐中所用客運專線雙線臺車門架在相同結構型式下的不同型材組合，運用ANSYS有限元建模計算分析，均能保證隧道二次襯砌質量，材料消耗差異較大。

2)從檢索文獻來看，在臺車優化方面有不少論述，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行的，基本是按廠家提供的圖紙技術要求進行通過性的檢算，并沒有進行經濟量化分析和對社會效益的關注。針對以上不足，本文明確了是針對客運專線臺車門架部分的優化，并對其經濟性和社會效益做了闡述。

3)本文旨在引導臺車相關方進一步優化設計、合理用材，進行標準化設計，達到省料輕便、節約資源，能使1部臺車在多個項目施工中主要部件能周轉循環使用。對使用方可減少采購成本、提高利潤，對賣方可以促進行業的良性發展，符合國家倡導的低碳循環經濟發展的要求。更為重要的是，通過減少鋼材的消耗量，間接地改善環境，為治霾做出貢獻。

4)我國高鐵建設的成功經驗和產生的巨大經濟聯動作用將惠及世界，高鐵施工裝備將形成中國標準，適應全球高鐵時代的到來，開發客運專線臺車參數化設計軟件將助推臺車的標準化設計與制造。

5)本文只是對客運專線臺車現用常見的一種門架結構的2種型材作了對比研究，沒有做到極限組合優化，下一步可再考慮設計一種更加合理的門架結構型式。

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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年畢業于石家莊鐵道大學,機械工程專業，碩士，高級工程師，現從事工程機械運用與維護領域的科研和教學工作。E-mail: 850779930@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.017

U 455.3

A

2096-4498(2017)12-1622-05