隧道自行式仰拱栈桥有限元分析

罗怀钱，郑军，高旭东，邓洋，刘伟

（中铁工程服务有限公司，四川 成都 610083）

随着我国基础建设的不断进步，隧道及地下空间开发得到了迅猛的发展。仰拱栈桥作为铁路隧道施工中的重要设备，对隧道的施工进度和围岩的安全稳定至关重要。在传统的施工方法中，工人劳动强度大，施工成本高，施工质量较差，往往存在填充不满、混凝土开裂、以及道床翻浆冒泥等缺陷。因此，在仰拱施工中，必须有效地组织施工工序，不能贸然推进。为了加快施工进度，保证隧道施工安全以及隧道施工质量，开发了适合隧道工程施工自行式移动仰拱栈桥。仰拱栈桥作为仰拱全幅施工时洞内过往交通的重要承载件，对仰拱栈桥进行结构受力分析，对提高仰拱栈桥的可靠性、安全性以及降低成本具有重要的意义。笔者采用三维软件对仰拱栈桥进行建模，采用FEM对仰拱栈桥进行结构分析，获得栈桥的应力和变形情况，为仰拱栈桥的结构设计提供依据，对仰拱栈桥的结构优化提供参考。

1 工况条件

在仰拱施工中，地质条件极为恶劣。栈桥前端为高低不平的地面，往返于隧道掌子面及洞口的车辆将在栈桥上来回运输渣料，因此要求栈桥必须具有足够的强度和刚度满足隧道的正常施工。选定栈桥设计跨距为17.5m，宽度3.25m，设计载荷50t。见图1。

图1 栈桥主梁受力分析

其中，A、D为栈桥前后支撑点，B点为渣土车后轮位置，C为渣土车前轮位置，P为渣土车载荷。求得A、D点出的支反力FA和FD分别为：

易知，在主梁上B、C两点处的弯矩较大，得B、C点的弯矩表达式：

则有B点处的弯矩：

故当取8m时，B点弯矩取最大值：

按相同方法核算C点处的最大弯矩：

故当x取5.75m时，C点弯矩取最大值：

2 自行式仰拱栈桥有限元分析

2.1 自行式仰拱栈桥有限元模型建立

为降低有限元分析时间，对栈桥主要承载部件进行分析，对结果影响不大的结构进行简化处理，简化后的栈桥模型如图2所示，材料参数如表1所示。

图2 简化后的栈桥模型

表1 栈桥材料参数表

将三维实体模型导入有限元软件进行有限元分析，接触设置为Bonded（绑定），忽略间隙与穿透，接触区域无滑移。采用六面体网格对模型进行网格划分，并对桥面和主梁连接薄弱部位进行网格加密处理，如图3所示。

图3 栈桥主体网格

2.2 约束条件和载荷

栈桥工作过程中，一端由支撑腿与地面固定，另一端通过连接法兰与支撑座连接，均作为固定约束，如图4中黄色位置所示。对栈桥在危险截面位置处加载渣土车载荷，并在重心处加载自重。

图4 边界条件

2.3 有限元分析结果分析

从图5可知，栈桥在工作条件下，应力较大部分在栈桥支撑腿和栈桥桥面的连接部位，最大等效应力为137MPa，此外主梁中部危险位置处主梁应力为40MPa。栈桥材料为Q235B，许用应力为235/1.5=156MPa,仰拱栈桥采用本方案制作，能满足工地上车辆的通过要求。

图5 栈桥等效应力云图

图6 栈桥等效变形云图

从图6可知，栈桥变形集中在栈桥中部危险位置，最大变形量为7.76mm。仰拱栈桥的设计长度为17.5m，当车辆满载通过时，若栈桥的挠度过大，将导致栈桥发生较大振动，使栈桥处于不安全状态。对于梁的挠度，其容许值通常用容许的挠度与梁跨长的比值。栈桥最大挠度值为7.76mm，小于规范要求，满足设计。该型号栈桥在某铁路隧道施工中应用效果良好，安装方便快捷，可靠性高，得到施工方的一致高度评价。

3 结语

（1）通过对仰拱栈桥的结构仿真分析可知：设计仰拱栈桥的最大应力为164.85MPa；最大变形为9.24mm，强度和刚度均能满足设计要求。

（2）该仰拱栈桥在某铁路隧道施工中应用效果良好，安装方便、成本低，具有较高的应用价值。

（3）通过仰拱栈桥的有限元模拟和现场应用情况，验证了对仰拱栈桥进行有限元模拟在前期设计中的可参考性，有限元模拟方法在仰拱栈桥的前期开发、优化设计具有重要的指导意义。