钢结构盾构始发架安全受力性能分析

张书伟　张昌明　邢　杨（中国建筑第六工程局有限公司地铁公司，天津 300000）

钢结构盾构始发架安全受力性能分析

张书伟张昌明邢杨
（中国建筑第六工程局有限公司地铁公司，天津 300000）

随着盾构技术日渐成熟，其已被隧道工程项目广泛应用。盾构始发架（盾构始发基座）作为盾构机支撑载体，在盾构机的重压之下，其受力变形直接影响盾构始发的顺利完成。本文以我单位自主研发的钢结构盾构始发架为研究对象，采用大型有限元分析软件ABAQUS对其进行计算机建模，其上受盾构机压力作用下研究始发架的强度、刚度等。

ABAQUS；盾构机始发架；有限元计算；应力应变

随着地下隧道工程的蓬勃发展，盾构施工方法被广泛采用。盾构机自身重达300多t，为确保盾构机的支撑安全，盾构始发顺利完成，要求始发基座必须具有足够的刚度、强度和稳定性。

1 研究背景

盾构机吊装、始发掘进过程中，始发架是支撑其巨大重力的重要构件，盾构机吊装、始发掘进过程中，始发架是支撑其巨大重力的重要构件，钢结构盾构始发基座，它的自重小，安装方便，并能保证足够的强度、刚度、稳定性；不同施工条件的需求，在设计上自身具有充足的变更协调优势；并且拆装之后，可再次使用，节省了材料成本。

始发架整体长9.365m，宽4.900m，高1.253m，主要由25B槽钢、10B槽钢、30mm厚钢板为材料焊接而成，左右对称，中间由法兰连接起来，便于装卸。

2 模型建立

图 1 有限元模型

表 1 始发架模态分析结果

2.1 建模方法

ABAQUS提供了多种建模方法，为了确保结果的可靠性、准确性，笔者针对始发架采用实体建模。

2.2 模型的简化。

（1）法兰盘简化

由于该模型左右对称，整体由相同两部分用法兰连接而成，法兰主要起到连接和传力的作用，维持了结构的整体性。但是法兰的存在给建模以及后续的计算带来了极大不便。因此，在建模中将其省略。由模型对称特点及受力情况可以推断出，法兰在整个受力过程中以受拉为主，剪力很小，此种简化不会对整体研究结果带来较大影响。

图2 始发架Mises应力云图

图3始发架位移云图

（2）斜肋板简化

始发架中斜肋板主要起到维护结构整体性，结构传力均匀，约束结构的整体变形，但是其并非结构的主要承力构件，而且它的存在对结构的建模分析带来的不利影响，计算过程中出现了大量畸形单元，影响了计算效率和计算结果的准确性，为此，将其省略不计。

（3）内侧横梁简化

内侧横梁在结构中主要起到维护结构整体性的作用，当始发架受到盾构机巨大压力的作用下，上部横梁以及下部斜支撑梁起到主要受力及传力的作用，内侧横梁几乎不受竖向力的作用，只是在横向上维持结构的稳定性，在后面分析结果中也可以印证这一观点，于是将其省略，这样在不影响计算结果的情况下给建模带来了很大便利，缩减了计算单元的数量，提高了计算效率。

经过上述简化后，最终建立模型如图1所示。

2.3 单元划分

始发架建模中单元类型在结构模态分析中采用C3D20R单元（二次完全积分单元），完全积分的线性单元在每一个方向上采用2个积分点，单元具有规则形状（边是直线并且边与边相交成直角）时，所用的Gauss积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分；而在受力分析时采用C3D8R单元（二次缩减积分单元），减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点，降低计算成本，提高计算效率。

最终网格划分结果如图3所示，共计59944个单元。

2.4 本构关系的选取

本文采用《钢结构设计规范2013》提出的两线段式本构模型，符合实际钢材料的变形特点，提高工况的计算效率。

3 始发架结构模态分析

始发架ABAQUS建模完成后，首先进行模态分析，通过观察其振动频率和振型，了解其振动特性，检验模型建立的合理性，以便后面受力分析的顺利进行。

从始发架有限元建模模态分析结果可以看出：（1）由于该结构对称性导致模型前两阶振型完全相同；（2）从前两阶振型可以看出该阵型属于局部振型，说明该结构在上端局部位置设计的刚度较弱，已引起结构的局部振动，此位置有可能会是本模型在后面受力分析中的薄弱环节，应注意加强；（3）该结构在第三阶振型中表现为整体振型，变形协调规则，结构整体性较强；（4）从整体上看，该结构基频数值较大，说明始发架整体刚度较大，对该结构设计方面起到了肯定的作用。

4 始发架结构受力分析

始发架主要作用是承受盾构机的巨大压力，保证盾构机顺利始发，由此，根据实际情形自行设计研究工况：将盾构机整体300t以重力形式均匀作用到始发架上端支撑横梁上，始发架底端固定，计算其应力应变情况。此种工况设计源于实际工程项目需要，具有一定实际意义。

下面为计算结果。

图2为始发架在盾构机重力作用下整体Mises应力，从图中可以清楚的看到应力较大区域主要集中在始发架上部支撑横梁及与其连接的侧向支撑上，二者的连接处由于出现拐角和凹槽导致应力集中，应力偏大现象尤为明显。说明此处即为该结构支撑盾构机的薄弱环节，也是最需加强的部位。

通过读取数据得知，始发架在承载300t盾构机重力荷载作用下最大Miss应力为136.9MPa，根据《钢结构设计规范2013》，Q345钢极限拉伸应力为345MPa，可以判断在受力分析的角度，工况中出现最大应力远远小于钢的极限拉伸应力，始发架强度符合设计及规范要求。

图3为始发架在盾构机重力作用下整体位移云图，从图中可以清晰看出：（1）结构位移变形呈现从下至上递增的趋势，位移最大处出现在始发架顶端，这是由于下部固定，上端承载所致，结果合情合理；（2）水平上看，变形较为规则，左右对称，沿横梁方向周期性变化，符合多点支撑梁应力应变变化规律；（3）通过前面应力分析，侧向支撑的轴向压力主要来自盾构机的重力荷载，也是整体结构主要承力构件，由于侧向支撑的强力支撑作用，约束始发架结构整体变形，通过读取具体数值可以看出，始发架在重压之下的最大位移值为0.3022mm，位移变形控制的非常小，其刚度完全符合工程要求。

结语

随着盾构施工方法的广泛使用，盾构机已成为盾构方法的核心机具，钢结构始发架不仅能够保证提高大而重的盾构机牢固、稳定的支撑，并且自身占用空间较小，可多次使用，节省材料及成本，其应用会更加广泛。该始发架设计过程中，保证盾构机吊装、盾构始发过程中牢固、稳定是设计的关键所在。钢结构的力学性能较为稳定、可控性较强，合理运用力学原理，优化结构传力路径，减少结构局部应力集中现象的出现，使结构整体各个部分荷载分担均衡，充分发挥结构的承载能力具有重要的理论意义。空间占用较小、回收再利用极大降低成本，非常具有现实意义。本文通过大型有限元分析软件ABAQUS对始发架建模分析，从模态、应力、变形的角度对其进行设立工况深入研究，最终得出满意的结果：该始发架在强度、刚度上完全符合设计及规范要求。

[1]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2]钢结构设计规范（GB 50010-2013）[S]. [3]中华人民共和国行业标准.公路隧道设计规范[M].北京：人民交通出版社，1990.

[4]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[5]王金昌，陈页开.ABAQUS子土木工程中的应用[M].浙江：浙江大学出版社，2006.

[6] Anil K. Chopra. Dynamics of Structures [M]. Tsinghua University Press, 2004.

U45

A