鋼結構盾構始發架安全受力性能分析

張書偉　張昌明　邢　楊（中國建筑第六工程局有限公司地鐵公司，天津 300000）

鋼結構盾構始發架安全受力性能分析

張書偉張昌明邢楊
（中國建筑第六工程局有限公司地鐵公司，天津 300000）

隨著盾構技術日漸成熟，其已被隧道工程項目廣泛應用。盾構始發架（盾構始發基座）作為盾構機支撐載體，在盾構機的重壓之下，其受力變形直接影響盾構始發的順利完成。本文以我單位自主研發的鋼結構盾構始發架為研究對象，采用大型有限元分析軟件ABAQUS對其進行計算機建模，其上受盾構機壓力作用下研究始發架的強度、剛度等。

ABAQUS；盾構機始發架；有限元計算；應力應變

隨著地下隧道工程的蓬勃發展，盾構施工方法被廣泛采用。盾構機自身重達300多t，為確保盾構機的支撐安全，盾構始發順利完成，要求始發基座必須具有足夠的剛度、強度和穩定性。

1 研究背景

盾構機吊裝、始發掘進過程中，始發架是支撐其巨大重力的重要構件，盾構機吊裝、始發掘進過程中，始發架是支撐其巨大重力的重要構件，鋼結構盾構始發基座，它的自重小，安裝方便，并能保證足夠的強度、剛度、穩定性；不同施工條件的需求，在設計上自身具有充足的變更協調優勢；并且拆裝之后，可再次使用，節省了材料成本。

始發架整體長9.365m，寬4.900m，高1.253m，主要由25B槽鋼、10B槽鋼、30mm厚鋼板為材料焊接而成，左右對稱，中間由法蘭連接起來，便于裝卸。

2 模型建立

圖 1 有限元模型

表 1 始發架模態分析結果

2.1 建模方法

ABAQUS提供了多種建模方法，為了確保結果的可靠性、準確性，筆者針對始發架采用實體建模。

2.2 模型的簡化。

（1）法蘭盤簡化

由于該模型左右對稱，整體由相同兩部分用法蘭連接而成，法蘭主要起到連接和傳力的作用，維持了結構的整體性。但是法蘭的存在給建模以及后續的計算帶來了極大不便。因此，在建模中將其省略。由模型對稱特點及受力情況可以推斷出，法蘭在整個受力過程中以受拉為主，剪力很小，此種簡化不會對整體研究結果帶來較大影響。

圖2 始發架Mises應力云圖

圖3始發架位移云圖

（2）斜肋板簡化

始發架中斜肋板主要起到維護結構整體性，結構傳力均勻，約束結構的整體變形，但是其并非結構的主要承力構件，而且它的存在對結構的建模分析帶來的不利影響，計算過程中出現了大量畸形單元，影響了計算效率和計算結果的準確性，為此，將其省略不計。

（3）內側橫梁簡化

內側橫梁在結構中主要起到維護結構整體性的作用，當始發架受到盾構機巨大壓力的作用下，上部橫梁以及下部斜支撐梁起到主要受力及傳力的作用，內側橫梁幾乎不受豎向力的作用，只是在橫向上維持結構的穩定性，在后面分析結果中也可以印證這一觀點，于是將其省略，這樣在不影響計算結果的情況下給建模帶來了很大便利，縮減了計算單元的數量，提高了計算效率。

經過上述簡化后，最終建立模型如圖1所示。

2.3 單元劃分

始發架建模中單元類型在結構模態分析中采用C3D20R單元（二次完全積分單元），完全積分的線性單元在每一個方向上采用2個積分點，單元具有規則形狀（邊是直線并且邊與邊相交成直角）時，所用的Gauss積分點的數目足以對單元剛度矩陣中的多項式進行精確積分；而在受力分析時采用C3D8R單元（二次縮減積分單元），減縮積分單元比完全積分單元在每個方向上少用一個積分點，降低計算成本，提高計算效率。

最終網格劃分結果如圖3所示，共計59944個單元。

2.4 本構關系的選取

本文采用《鋼結構設計規范2013》提出的兩線段式本構模型，符合實際鋼材料的變形特點，提高工況的計算效率。

3 始發架結構模態分析

始發架ABAQUS建模完成后，首先進行模態分析，通過觀察其振動頻率和振型，了解其振動特性，檢驗模型建立的合理性，以便后面受力分析的順利進行。

從始發架有限元建模模態分析結果可以看出：（1）由于該結構對稱性導致模型前兩階振型完全相同；（2）從前兩階振型可以看出該陣型屬于局部振型，說明該結構在上端局部位置設計的剛度較弱，已引起結構的局部振動，此位置有可能會是本模型在后面受力分析中的薄弱環節，應注意加強；（3）該結構在第三階振型中表現為整體振型，變形協調規則，結構整體性較強；（4）從整體上看，該結構基頻數值較大，說明始發架整體剛度較大，對該結構設計方面起到了肯定的作用。

4 始發架結構受力分析

始發架主要作用是承受盾構機的巨大壓力，保證盾構機順利始發，由此，根據實際情形自行設計研究工況：將盾構機整體300t以重力形式均勻作用到始發架上端支撐橫梁上，始發架底端固定，計算其應力應變情況。此種工況設計源于實際工程項目需要，具有一定實際意義。

下面為計算結果。

圖2為始發架在盾構機重力作用下整體Mises應力，從圖中可以清楚的看到應力較大區域主要集中在始發架上部支撐橫梁及與其連接的側向支撐上，二者的連接處由于出現拐角和凹槽導致應力集中，應力偏大現象尤為明顯。說明此處即為該結構支撐盾構機的薄弱環節，也是最需加強的部位。

通過讀取數據得知，始發架在承載300t盾構機重力荷載作用下最大Miss應力為136.9MPa，根據《鋼結構設計規范2013》，Q345鋼極限拉伸應力為345MPa，可以判斷在受力分析的角度，工況中出現最大應力遠遠小于鋼的極限拉伸應力，始發架強度符合設計及規范要求。

圖3為始發架在盾構機重力作用下整體位移云圖，從圖中可以清晰看出：（1）結構位移變形呈現從下至上遞增的趨勢，位移最大處出現在始發架頂端，這是由于下部固定，上端承載所致，結果合情合理；（2）水平上看，變形較為規則，左右對稱，沿橫梁方向周期性變化，符合多點支撐梁應力應變變化規律；（3）通過前面應力分析，側向支撐的軸向壓力主要來自盾構機的重力荷載，也是整體結構主要承力構件，由于側向支撐的強力支撐作用，約束始發架結構整體變形，通過讀取具體數值可以看出，始發架在重壓之下的最大位移值為0.3022mm，位移變形控制的非常小，其剛度完全符合工程要求。

結語

隨著盾構施工方法的廣泛使用，盾構機已成為盾構方法的核心機具，鋼結構始發架不僅能夠保證提高大而重的盾構機牢固、穩定的支撐，并且自身占用空間較小，可多次使用，節省材料及成本，其應用會更加廣泛。該始發架設計過程中，保證盾構機吊裝、盾構始發過程中牢固、穩定是設計的關鍵所在。鋼結構的力學性能較為穩定、可控性較強，合理運用力學原理，優化結構傳力路徑，減少結構局部應力集中現象的出現，使結構整體各個部分荷載分擔均衡，充分發揮結構的承載能力具有重要的理論意義。空間占用較小、回收再利用極大降低成本，非常具有現實意義。本文通過大型有限元分析軟件ABAQUS對始發架建模分析，從模態、應力、變形的角度對其進行設立工況深入研究，最終得出滿意的結果：該始發架在強度、剛度上完全符合設計及規范要求。

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