隧道自行式仰拱棧橋有限元分析

羅懷錢，鄭軍，高旭東，鄧洋，劉偉

（中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610083）

隨著我國基礎建設的不斷進步，隧道及地下空間開發得到了迅猛的發展。仰拱棧橋作為鐵路隧道施工中的重要設備，對隧道的施工進度和圍巖的安全穩定至關重要。在傳統的施工方法中，工人勞動強度大，施工成本高，施工質量較差，往往存在填充不滿、混凝土開裂、以及道床翻漿冒泥等缺陷。因此，在仰拱施工中，必須有效地組織施工工序，不能貿然推進。為了加快施工進度，保證隧道施工安全以及隧道施工質量，開發了適合隧道工程施工自行式移動仰拱棧橋。仰拱棧橋作為仰拱全幅施工時洞內過往交通的重要承載件，對仰拱棧橋進行結構受力分析，對提高仰拱棧橋的可靠性、安全性以及降低成本具有重要的意義。筆者采用三維軟件對仰拱棧橋進行建模，采用FEM對仰拱棧橋進行結構分析，獲得棧橋的應力和變形情況，為仰拱棧橋的結構設計提供依據，對仰拱棧橋的結構優化提供參考。

1 工況條件

在仰拱施工中，地質條件極為惡劣。棧橋前端為高低不平的地面，往返于隧道掌子面及洞口的車輛將在棧橋上來回運輸渣料，因此要求棧橋必須具有足夠的強度和剛度滿足隧道的正常施工。選定棧橋設計跨距為17.5m，寬度3.25m，設計載荷50t。見圖1。

圖1 棧橋主梁受力分析

其中，A、D為棧橋前后支撐點，B點為渣土車后輪位置，C為渣土車前輪位置，P為渣土車載荷。求得A、D點出的支反力FA和FD分別為：

易知，在主梁上B、C兩點處的彎矩較大，得B、C點的彎矩表達式：

則有B點處的彎矩：

故當取8m時，B點彎矩取最大值：

按相同方法核算C點處的最大彎矩：

故當x取5.75m時，C點彎矩取最大值：

2 自行式仰拱棧橋有限元分析

2.1 自行式仰拱棧橋有限元模型建立

為降低有限元分析時間，對棧橋主要承載部件進行分析，對結果影響不大的結構進行簡化處理，簡化后的棧橋模型如圖2所示，材料參數如表1所示。

圖2 簡化后的棧橋模型

表1 棧橋材料參數表

將三維實體模型導入有限元軟件進行有限元分析，接觸設置為Bonded（綁定），忽略間隙與穿透，接觸區域無滑移。采用六面體網格對模型進行網格劃分，并對橋面和主梁連接薄弱部位進行網格加密處理，如圖3所示。

圖3 棧橋主體網格

2.2 約束條件和載荷

棧橋工作過程中，一端由支撐腿與地面固定，另一端通過連接法蘭與支撐座連接，均作為固定約束，如圖4中黃色位置所示。對棧橋在危險截面位置處加載渣土車載荷，并在重心處加載自重。

圖4 邊界條件

2.3 有限元分析結果分析

從圖5可知，棧橋在工作條件下，應力較大部分在棧橋支撐腿和棧橋橋面的連接部位，最大等效應力為137MPa，此外主梁中部危險位置處主梁應力為40MPa。棧橋材料為Q235B，許用應力為235/1.5=156MPa,仰拱棧橋采用本方案制作，能滿足工地上車輛的通過要求。

圖5 棧橋等效應力云圖

圖6 棧橋等效變形云圖

從圖6可知，棧橋變形集中在棧橋中部危險位置，最大變形量為7.76mm。仰拱棧橋的設計長度為17.5m，當車輛滿載通過時，若棧橋的撓度過大，將導致棧橋發生較大振動，使棧橋處于不安全狀態。對于梁的撓度，其容許值通常用容許的撓度與梁跨長的比值。棧橋最大撓度值為7.76mm，小于規范要求，滿足設計。該型號棧橋在某鐵路隧道施工中應用效果良好，安裝方便快捷，可靠性高，得到施工方的一致高度評價。

3 結語

（1）通過對仰拱棧橋的結構仿真分析可知：設計仰拱棧橋的最大應力為164.85MPa；最大變形為9.24mm，強度和剛度均能滿足設計要求。

（2）該仰拱棧橋在某鐵路隧道施工中應用效果良好，安裝方便、成本低，具有較高的應用價值。

（3）通過仰拱棧橋的有限元模擬和現場應用情況，驗證了對仰拱棧橋進行有限元模擬在前期設計中的可參考性，有限元模擬方法在仰拱棧橋的前期開發、優化設計具有重要的指導意義。