隧道軌下襯砌棧橋結構強度分析及優化設計

樓 飛/LOU Fei

（南京師范大學 中北學院，江蘇 丹陽 212300）

隨著我國基礎建設不斷發展，對隧道施工質量提出了更高的要求，特別是在高速鐵路隧道施工中，對施工斷面大，隧道底部結構復雜的仰拱具有特殊要求，隧道仰拱部位的施工方法與施工質量將對隧道運營期間的安全性、耐久性產生重大影響。在高速鐵路隧道施工時，要避免仰拱連接處出現較大的應力集中，仰拱混凝土需分段連續澆筑，仰拱與仰拱填充必須分層澆筑，一次成型不留縱向施工縫。因此，一套施工方便、快速、經濟且能有效保證施工質量的設備系統是提高經濟效益及加強施工機械化配套的關鍵。在如此行業發展的背景下，隧道軌下襯砌棧橋在隧道建設中已被廣泛應用，成為隧道建設中必不可少的一種機械設備。

為了避免隧道軌下襯砌棧橋在施工作業中出現重大安全問題，大部分設計方案都比較保守，安全系數過高，從而導致設備整體質量過大，用料浪費，造價偏高。目前國內外對隧道軌下襯砌棧橋的設計方案不少，但對其進行結構優化設計的相關研究并不多見。因此，開展軌下襯砌棧橋結構優化設計相關工作對提高設備性能，降低能耗，節約施工成本等方面具有重要意義，對今后鐵路隧道襯砌施工設備的研制具有較高的實用價值。

1 襯砌棧橋功能概述與分析結論

1.1 機械系統功能概述

軌下襯砌棧橋的主體結構為針梁模塊化拼裝形式，工作具有適于變跨、方便運輸、快速拼裝等特點。設計的最大施工長度24m，主體棧橋行車道寬度3.5m，仰拱加回填高度2m，前、后坡橋坡度不大于15%，允許通過的最大載荷50t，棧橋總長40m，可以自行實現縱向移動作業，移動速度可以達到6m/min。該工裝設備具備自行式仰拱棧橋、矮邊墻弧形模板、仰拱和填充層鋼端模、仰拱環向止水帶夾具、縱向止水帶夾具等使用功能，并可以配套清底功能和模板振搗裝置。棧橋主要由主橋，引橋，行走系統和模板系統組成。

1.2 初始設計結構強度分析結論

棧橋上下主梁為焊接拼接的箱型截面，跨度為30.8m，橋面橫梁為焊接工字形截面，橋面寬3.4m，連接上下縱梁的斜撐以及右邊的支撐均為焊接工字形截面，上縱梁與外部支撐梁、外部支撐梁與下縱梁之間用圓管構成。在ABAQUS 中構建有限元模型并分析基頻為3.26Hz。按照公式1 可以計算汽車沖擊載荷系數為0.19。

其中，f為基頻，μ為沖擊載荷系數。通過施加載荷和約束之后計算得到的作用設計荷載時，整個結構最大Mises 應力為303MPa。考慮到材料為Q345，強度符合要求，但整個棧橋承重主體的總重為48t，對材料和質量的優化，將在后續章節展開詳述。

2 襯砌棧橋靜力學建模

為了對襯砌棧橋結構進行優化，本節將以最不利的載荷施加形式，對襯砌棧橋進行靜力學建模。軌下襯砌棧橋為左右兩條行車道，現將過車棧橋簡化為2 套簡支梁結構，單套受力為總承載力的1/2。按照初始設計參數，主橋總長度為31.36m，在使用時前后都有支撐，支撐點跨度為26m。荷載施加情況如圖1 所示。汽車沖擊載荷系數為0.19 模擬載荷，因此在車前輪施加40.8kN 壓力，后輪分別施加123.6kN 的壓力，右側，懸掛襯砌模板處，施加4 個豎直向下的力各28kN。

圖1 棧橋受力簡圖

根據受力圖可以繪制出棧橋所受到的剪力圖如圖2 所示，利用剪力和彎矩的關系，可以知道，在棧橋中間處是剪力為零的點，是棧橋所受到的最大彎矩點。計算得到梁的最大彎矩為Mmax=2885kNm。

圖2 棧橋剪力圖

假設梁采用關于中性軸的對稱結構，選用更加經濟的Q235 作為主體材料，在危險截面處，梁的最大正應力不得超出材料屈服強度σb=235MPa，最大切應力不超出0.8σb，即188MPa。

根據抗拉強度要求可得到抗彎截面系數

工程中，可以利用抗彎截面系數和截面面積的比值，即W/A，評估該截面梁的抗彎能力。如圖3 所示，是常用不同截面梁及其抗彎截面系數和截面面積的比值。

圖3 不同截面抗彎能力

從圖3 可以看出，工字型截面有對稱結構，W/A數值最大，在相同質量和跨度的前提下，工字型截面具有更好的抗彎屬性。因此，后續優化設計將以工字型截面梁作為棧橋的主要構成元素。

3 軌下襯砌棧橋優化設計方案

相比于初步設計的針梁結構，為了進一步提升棧橋承載能力，本節分別從降低機械結構的復雜性，提高材料的利用率2 個方面出發，提出了箱式梁結構和變截面梁結構，共2 套優化設計方案。

如圖4 所示，這種半封閉式箱梁結構使用63B 工字鋼作為棧橋主體，配合使用厚度為10mm 的防滑鋼板、加強筋板構建焊接式襯砌棧橋承重主體。通過三維軟件建模可以計算得到截面的抗彎截面系數W為1.23×107mm3，總質量為38.5t。

圖4 箱式梁結構三維圖

如圖5 所示，這種變截面梁結構使用28A 工字鋼作為棧橋主體，配合使用厚度為10mm 的防滑鋼板、加強筋板構建魚腹式襯砌棧橋承重主體。通過三維軟件建模可以計算得到截面的抗彎截面系數W為1.25×107mm3，總質量為32.5t。

圖5 變截面梁結構三維圖

4 基于ABAQUS的棧橋強度分析

針對優化設計模型，利用有限元分析軟件對第3 節提出的2 套優化方案分別進行強度分析。分析過程中采用的方法和步驟簡述如下。

1)考慮到2 維梁單元是以中性層所在變形為零的基礎上提出的，為了提高分析求解精度，首先利用Hypermesh 進行前處理，用手工劃分三維6 面體網格的方式，獲得如圖6 所示棧橋的孤立網格模型。

圖6 棧橋孤立網格模型

2）過車的載荷通過車輪施加，將車輪作為剛體，通過定義接觸和壓力的方式，模擬最不利的載荷工況。

3）分析強度之前，先利用模態分析求解結構的基頻，利用公式（1），求解沖擊載荷系數，在考慮汽車振動產生沖擊的前提下進行強度分析，以求更加真實的仿真環境模擬，如圖7（a）所示，箱梁結構棧橋的基頻為5.512Hz，換算得到沖擊載荷系數μ=0.286，修正后的車前輪施加44.1kN 壓力，后輪分別施加133.6kN 的壓力；如圖7（b)所示，變截面梁結構棧橋的基頻為2.2284Hz，換算得到沖擊載荷系數μ=0.126，修正后的車前輪施加38.7kN 壓力，后輪分別施加126.4kN 的壓力。

圖7 棧橋基頻求解

5 結語

將初始設計和優化設計的分析結果匯總如表1 所示，變截面梁結構能夠在確保結構強度的前提下，實現有效減重，為軌下襯砌棧橋結構優化設計提供了參考依據。

表1 不同結構棧橋架構強度對比

在完成模型前處理之后，按照實際工況，定義邊界條件和修正后的載荷參數。得到棧橋在最不利載荷條件下的強度分析云圖。從圖8 可以看出，箱梁結構的最大Mises 應力為214.6MPa，變截面梁的最大Mises 應力為236MPa，均小于初始設計的針梁結構，在強度提升方面具有明顯效果。

圖8 棧橋強度分析求解