铁路客运专线衬砌台车门架结构优化

李 宏

(陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000)

铁路客运专线衬砌台车门架结构优化

李 宏

(陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000)

为进一步增强隧道衬砌台车相关方经济用材意识，节约钢材用量，间接减少炼钢污染排放，为控制雾霾改善环境做出间接贡献，针对银西铁路贾塬隧道客运专线台车的门架结构所用2种型材组合方式，采用ANSYS有限元计算方法，把门架的立柱、横梁和立柱大斜撑拟合为梁单元Beam4，其余杆件拟合为杆单元Link8，仿真门架工况施以相同边界条件分别予以检算并做出比较分析，结果表明： 仅单榀门架优化后省材2 t多，经工程应用验证均能满足质量要求，证实台车节材降耗挖潜增效仍有空间。

铁路客运专线隧道； 衬砌台车； 门架结构； 优化

0 引言

我国高铁建设经过十几年的快速发展，已居世界领先水平，目前营运里程突破2万km，依据规划,到2025年营运里程将突破3.8万 km。就银西客专来说，隧道占比23.28%，而隧道衬砌台车是隧道施工过程二次衬砌中必须使用的以钢结构件为主体的非标专用设备，用于对隧道内壁的混凝土衬砌施工，具有施工效率高、表面成型质量好等诸多优点，因而在铁路、公路和水利水电工程中被大量使用。仅在铁路施工中，台车1年的使用量达到5 000多台套，用钢量达到60多万t,成本约计40亿元。目前客运专线隧道断面形式基本定型，但与之施工配套的台车设计加工制造没有统一标准，普通台车技术含量低，易于测绘仿制，加工制造门槛低，基本由小企业和个体户承担制作，而系统性地进行结构分析优化、合理选材做得不够，致使结构形式五花八门；台车结算大多以过磅吨位为准，在一个项目上完成成本摊销，供方赚取微薄的制造费，需方项目竣工后以废旧物资处理获取收益，供需方主要侧重安全考虑，对台车经济用材缺乏足够的重视。韩银红[1]针对普通单线台车做了有限元分析，指出单线隧道台车结构与客运专线双线台车结构有本质的不同；徐爱英[2]、赵增耀[3]没有指明台车的种类用途，用改变结构的方式进行了通过性检算。张柯[4]针对某超大断面市政隧道台车进行了结构优化；李社斌等[5]针对某台车的模板面板厚度进行了优化，没有指明是针对哪一种类型的隧道台车；程伟等[6]针对某小断面门洞台车进行了优化设计；王云[7]尝试基于ANSYS对隧道衬砌台车结构进行分析及优化，理论性强，且没有与之对应的简便交互式软件，不宜推广应用。

以上研究成果缺少台车适用场所和种类用途阐述，没有进行经济指标量化和优化后社会效应的表述。本文在借鉴台车技术参数和边界条件的选用方法的基础上，针对高速铁路客专双线隧道衬砌台车的工程常见门架结构，基于2种型材组合，运用ANSYS计算工具作出对比分析，以期为促进供需方进一步优化台车结构节约钢材消耗量、减少炼钢污染排放以及减少雾霾改善环境做出间接贡献，同时，也希望为竞争激烈的建筑业拓展盈利空间提供一种途径。

1 台车结构组成

铁路客运专线12 m隧道模板台车结构示意图见图1，实物图片见图2。台车由模板总成、门架总成、支撑总成、行走总成、油压与电气系统等组成。

(a) 台车轮廓图

(b) 剖面图

图2 隧道模板台车实物

2 台车受力分析

客运专线双线隧道多为马蹄形和圆形断面[8]。台车模板分为顶部模板和左右侧模板2部分。顶部模板与侧模板是用销轴联接的，侧模板可以绕销轴旋转[1]。

顶部模板的载荷主要是混凝土自重。侧部模板左右对称布置，结构及受力相同，承受混凝土自重较小，主要考虑浇筑混凝土时的侧向压力。台车在混凝土浇筑过程中，模板所受混凝土的自重、浇筑及振捣附加力、混凝土侧压力经两侧对称径向分布的支撑丝杠和顶部支撑构件传递到门架上；根据台车应用实践，台车门架的刚度、强度是保证混凝土面质量和断面侵限的关键所在；控制二次衬砌拱脚内收超差是支护的关键；经过受力分析计算与应用实践得知拱脚内收主要是由台车在浇筑时产生的侧压力造成的。由于结构的对称性,只针对其中的单榀门架分析,即可确保结构的安全[3]。

3 门架受力图

门架主要由立柱、上横梁、下横梁、斜撑和竖撑组成[4]，受力如图3所示。门架是一个空间的整体桁架结构，台车水平及垂直方向的载荷主要由门架承受。门架整体桁架结构的受力有2种载荷： 门架受水平作用载荷,是经支撑丝杠传递的侧压力；受垂直作用载荷，是经顶模支撑传递混凝土自重与台车自重。

图3 门架结构受力图

4 计算(基于同一种工况下的受力)

4.1 银西铁路贾塬隧道台车主要参数

1)台车轨距8 500 mm；

2)模板半径6 700 mm，圆心距内轨顶面2 430 mm；

3)台车门架榀数为7；

4)1个工作循环衬砌长度为12 m；

5)作用于台车门架的模板及其结构附件竖向重力为273.4 kN；

6)混凝土体积质量取值为2.45 t/m3[7]；

7)混凝土浇筑影响载荷为46.06 kPa，取自日本岐埠工业公司12 m液压台车的计算值[7]；

8)理论衬砌厚度为350～550 mm，考虑超挖最大衬砌厚度计算按经验值800 mm；

9)顶部新浇筑混凝土重力G=19.6 kN/m2。

4.2 计算参数[9-10]

1)泵送混凝土产生的载荷标准值为2 kN/m2；

2)振捣混凝土时产生的载荷标准值为2 kN/m2；

3)顶部模板挤压面载荷p=47 kN/m2；

4)新浇混凝土动力系数取1.2；

5)振捣混凝土时产生的竖向荷载系数取1.4；

6)倾倒混凝土时产生的竖向荷载系数取1.4；

7)Q235钢,弹性模量2.1×105N/mm2,泊松比0.3；

8)支撑系统累计变形值≤4 mm;

9)结构计算安全系数1.15。

4.3 计算载荷设计值

1)新浇筑混凝土对模板的侧压力设计值

F设=46.67×1.2=56 kN/m2;

2)顶部新浇筑混凝土重力设计值

G设=19.2×1.2=23.52 kN/m2;

3)泵送混凝土时产生的载荷设计值

Q1设=2×1.4=2.8 kN/m2;

4)振捣混凝土时产生的载荷设计值

Q2设=2×1.4=2.8 kN/m2。

4.4 载荷组合

1)边模板传递压力S1=56+2.8=58.8 kN/m2;

2)来自顶部模板压力S2=23.52+2.8+47=73.32 kN/m2;

3)台车模板部分及其附件质量竖向作用于单榀门的压力设计值G1=273.4/6=45.57 kN;

4)载荷组合经支撑丝杆传递到门架上的集中作用力见表1。

表1 门架受力力值

4.5 有限元分析

为便于说明问题，化繁为简,文中仅就工程实践中常用台车门架的一种结构型式2种用材情况，采用ANSYS有限元计算方法对门架的强度、位移进行分析。上横梁、下横梁、立柱和大斜撑为梁单元Beam4，小斜撑、竖撑和横撑为杆单元Link8[11]。

4.5.1 第1种型材有限元计算

按门架受力不利情况考虑，F8按垂直载荷加载，F3按水平载荷加载。依据ANSYS分析需要赋予材料属性，如表2所示。

表2 第1种型材属性

建模定义材料属性划分网格，加载施加约束见图4，求解后的位移云图见图5，应力云图见图6。

图4 门架加载施加约束图

图5 组合型材1门架位移云图(单位: mm)

Fig. 5 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: mm)

图6 组合型材1门架应力云图(单位: MPa)

Fig. 6 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 1(unit: MPa)

4.5.2 第2种型材有限元计算

下横梁、立柱和上横梁用同一型号规格材料H400×300×12×14，其余材料不变。第2种型材应力和位移云图计算结果分别如图7和图8所示。

图7 组合型材2门架位移云图(单位： mm)

Fig. 7 Displacement nephogram of door frame with material combination mode No. 2 (unit: mm)

图8 组合型材2门架应力云图(单位： MPa)

Fig. 8 Stress nephogram of door frame with material combination mode No. 2(unit: MPa)

门架所用材料Q235钢屈服强度σs=235 MPa，取安全系数1.15，则其许用应力[σ]=235/1.15=205 MPa。2种用材通过ANSYS计算对比得知，第1种选材最大应力为75.36 MPa，第2种选材最大应力为144.771 MPa，小于许用应力205 MPa，符合强度要求；位移情况，门架底脚为最大值，2种用材分别是2.108 mm和2.706 mm，对台车门架来说可以忽略这种微小的差异，小于规定4 mm的要求，满足施工要求。显然第2种用材更为经济合理。

4.6 2种选材门架质量对比

在2种计算中，只是对门架的立柱和上、下横梁材料做了调整，按中心线计算材料长度，累计为8 500+5 250+5 250=19 000 mm，型材□700×500×12×12质量为221.6 kg/m，型材H400×300×12×14质量为101 kg/m，单榀门架质量差为2 291.4 kg。1台12 m长台车一般由7榀门架组成，单个台车总的质量差为7×2 291.4=16 037.7 kg，约计16 t，也就是说，在满足使用要求的情况下，1台台车仅就门架而言节省16 t 钢材，按铁路施工年需用量5 000台计算,可节约 8万t 钢材，直接成本约计4亿元。质量轻了各项成本也会随之有所降低，比如运输费用、搬运费和装卸费等[12]；立柱和横梁杆件采用同一种型材，便于工序化作业[13]，制造成本也会降低，为供需双方提高盈利能力创造一条途径；节约了钢材，减少了炼钢的污染排放，间接改善了环境，对缓解工业化带来的雾霾大有好处。2010年2月26日《经济日报》中的“再识1 t钢”一文指出： 据统计，每炼1 t钢，要消耗0.6～0.8 t标准煤、1.50～1.55 t铁矿石、80～150 kg废钢、3～6 t水。中国钢铁工业的能耗总量占全国能源消费总量的15%左右，占全国工业能源消费总量的23%；钢铁产业从原料到成品的货运总量占全国总货运量的22%左右；在全部工业行业中，钢铁行业排放的废水占10.75%，排在造纸、化工、火力发电之后，列第4位，排放的废气占17%，仅次于火力发电业和非金属矿物制造业；二氧化硫排放量占5.6%，次于火力发电业和非金属矿物制造业，与化工行业并列第3。

5 结论与讨论

1)基于工程实践中所用客运专线双线台车门架在相同结构型式下的不同型材组合，运用ANSYS有限元建模计算分析，均能保证隧道二次衬砌质量，材料消耗差异较大。

2)从检索文献来看，在台车优化方面有不少论述，但指向性不明确，没有说明是针对哪一种类型和用途的台车进行的，基本是按厂家提供的图纸技术要求进行通过性的检算，并没有进行经济量化分析和对社会效益的关注。针对以上不足，本文明确了是针对客运专线台车门架部分的优化，并对其经济性和社会效益做了阐述。

3)本文旨在引导台车相关方进一步优化设计、合理用材，进行标准化设计，达到省料轻便、节约资源，能使1部台车在多个项目施工中主要部件能周转循环使用。对使用方可减少采购成本、提高利润，对卖方可以促进行业的良性发展，符合国家倡导的低碳循环经济发展的要求。更为重要的是，通过减少钢材的消耗量，间接地改善环境，为治霾做出贡献。

4)我国高铁建设的成功经验和产生的巨大经济联动作用将惠及世界，高铁施工装备将形成中国标准，适应全球高铁时代的到来，开发客运专线台车参数化设计软件将助推台车的标准化设计与制造。

5)本文只是对客运专线台车现用常见的一种门架结构的2种型材作了对比研究，没有做到极限组合优化，下一步可再考虑设计一种更加合理的门架结构型式。

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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, 甘肃会宁人,2014年毕业于石家庄铁道大学,机械工程专业，硕士，高级工程师，现从事工程机械运用与维护领域的科研和教学工作。E-mail: 850779930@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.017

U 455.3

A

2096-4498(2017)12-1622-05