（载运工具运用工程专业论文）隧道衬砌模板台车的结构分析.pdf

摘要 摘要 模板台车是隧道施工中用于二次衬砌的一种大型非标机械设备，其主体结 构是板梁结合的钢结构。在铁路、公路及水利水电工程施工中被广泛使用。采 用传统的机械设计方法很难对其各个部件及整体的强度、刚度进行分析计算， 致使产品在设计上存在一些不合理的地方。本文应用大型有限元分析软件 a n s y s 对一种型号的模板台车进行结构静力分析，建立了比较完善的有限元模 型，在计算基础上分析了模板台车的结构稳定性，准确地对模板台车的工况进 行了划分，并对各种工况下模板台车的各部分结构进行了变形及应力分析。 根据对模板台车分析的结果，较全面地了解了模板台车在隧道衬砌施工中 的变形及应力分布特征，找出了模板台车结构中存在的不足，并提出了改进措 施。改进后的模板台车经过复核计算分析证明，大大提高了工作状态的稳定性， 五种工况降低为三种工况，混凝：t 灌注时间可缩短到原来的6 0 ；在大幅提高 允许灌注速度的同时，提高了台车门架的刚度，从而台车的变形量也得到了控 制，台车各部位的应力分布更为合理，保证了台车工作的安全性。 本文的研究结论，为今后模板台车的设计和使用提供了参考和依据。 关键词：隧道衬砌施工，模板台车，结构，有限元分析，a n s y s ，改进 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e lb o a r dt r o l l e yi san o n s t a n d a r dl a r g em e c h a n i c a le q u i p m e n tf o rt u n n e l c o n s t r u c t i o n ，i t sm a i nf r a m ei sap l a t ea n db e a me l e m e n tc o n s t r u c t e ds t e e ls t r u c t u r e i t i sw i d e l yu s e di nt h ec i v i le n g i n e e r i n gf o rr a i l w a y , h i g h w a y , h y d r a u l i cf a c i l i t ya n d h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h et r o l l e y b a s e do ns o l i dm e c h a n i c sc a l c u l a t i o ni sn o tv e r yr a t i o n a l b e c a u s ei ti sv e r yd i m c u l t t oa c c u r a t e l yc a l c u l a t et h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed i s c r e t ef e m m o d e lo ft h ew h o l et r o l l e yi se s t a b l i s h e df i r s t l y t h e nt h ed e t a i l e ds t r e s sa n d d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h ew h o l et r o l l e ya n di t sk e yc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o n a ls t a t i cl o a d sa r eo b t a i n e da c c o r d i n gt of e ma n a l y s i sc a l c u l a t i o n i nt h e e n d ，t h es t r u c t u r a ls t a b i l i t yo ft h et e m p l a t et r o l l e yi sa n a l y z e da n do p e r a t i n gm o d ei s d i v i d e d t h ed i s t o r t i o na n dt h es t r e s sa n a l y s i so ft h et r o l l e yp a r t su n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n gm o d ea r ea n a l y z e de f f e c t i v e l y , t o o t h ed i s t o r t i o na n di t sf e a t u r ea r eu n d e r s t o o dr o u n d l yb a s e do nt h ea n a l y z e dr e s u l t s o ft h et r o l l e y t h es h o r t a g eo ft h et r o l l e ys t r u c t u r ei sf o u n do u ta n dt h e ni m p r o v e d t h ec h e c kc a l c u l a t i o ns h o w st h a ts t a b i l i t yo ft h et e m p l a t et r o l l e yi si m p r o v e dg r e a t l y t h eo p e r a t i n gm o d ei sd e c r e a s e df r o mf i v et ot h r e ea n dt h ep e r f u s i o nt i m ei s d e c r e a s e dt o6 0 a tt h es a m et i m e ，t h er i g i d i t yo ft h et r o l l e yf l 翟m ei si m p r o v e d g r e a t l ya n dt h ed i s t o r t i o ni sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n c o n d i t i o ni sm o r er a t i o n a la n dt h es a f e t yi sg u a r a n t e e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f t h i sp a p e r , t h er e f e r e n c eo f d e s i g na n du s ef o r t h et r o l l e y i sp r o v i d e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：t u n n e lc o n s t r u c t s ，m o d e lb o a r dt r o l l e y , s t r u c t u r e ，f e ma n a l y s i s ， a n s y s ，i m p r o v e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 掣斗 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着我国经济建设的迅速发展，全国公路、铁路、城市基础设施的建设规 模和速度得到了空前发展，隧道、桥梁和各类地下工程的修建十分广泛，其中 隧道工程占很大比例。 隧道衬砌模板台车是隧道混凝土衬砌施工中的一种专用施工机械设备，在 铁路、公路及水利水电隧道施工中被广泛应用。采用隧道衬砌模板台车，可大 大提高隧道混凝土衬砌的施工质量和施工机械化程度，减少对洞内其它施工作 业的干扰，加快施工进度，提高施工效率。但是，目前在隧道衬砌模板台车的 设计中还存在着对模板台车的结构受力计算粗略的问题，从而导致对模板台车 各部分在混凝土灌注过程中的受力和变形情况了解不够，使模板台车在设计上 存在一些不合理的地方，影响施工进度和隧道衬砌质量，有时还会造成安全事 故。因此必须应用现代设计方法对模板台车进行结构分析，以便保证其强度和 刚度，提高模板台车工作的可靠性和稳定性，同时降低制造成本。 随着机械设计与有限元法相结合，通过建立有限元模型，使得对模板台车 这种型式各异、种类繁多的非标机械产品进行全面的受力和变形分析变为可能。 通过计算分析，建立模板台车完善的数据资料，从而为模板台车的结构优化设 计以及施工应用提供参考依据【h j 。 1 2 有限元法的国内外发展概况 1 2 1 有限元法概述 有限元法的提出及研究工作的迅速发展是有其工程背景的。在工程技术和 科学研究中，常常会遇到大量的常微分方程、偏微分方程及相应的边界条件来 描述场的问题。对于大多数问题，由于物体的几何形状比较复杂或问题的某些 第錾绪论 特征是非线性，就需要研究它的数值解法，以求出近似解。随着各种数值解法 研究的丌展及计算机技术的迅速发展，有限元法应运而生，目i j i 应用有限元法 解决问题已相当成熟。 有限元法的基本思想是将一个连续的求解域离散化，即分割成彼此用结点 ( 离散点) 互相联系的有限个单元，在单元体内假设近似解的模式，用有限个结 点上的未知参数表达单元的特性，然后用适当的方法，将各个单元的关系式组 合成包含这些未知参数的方程组，得出各结点的未知参数，利用插值函数求出 近似解。对于力学问题来说，如果以位移作为基本未知量，则单元的未知参数 是节点位移值，由节点位移可确定单元内的近似位移函数。然后建立节点力与 节点位移之问的刚度矩阵，并确定对于各种荷载下的等效节点荷载，根据单元 之间通过节点的连接情况集合成总体平衡方程。由代数方程组解出位移，就得 到了近似解。根据节点的位移可以求出单元的变形和内力。 有限元法按照所选用的基本未知量和分析方法的不同，可以分为两种基本 解法：位移法和力法。力法求解精度高，而位移法则求解较简单，计算规律性 强，且便于程序计算。因而，用有限元法进行结构分析时，大多采用位移法【侧。 1 2 2 有限元法的国内外发展现状 有限元法的发展，从应用数学的观点来看，其基本思想的提出可以追溯到 四十年代初，数学家r c o u r a n t 第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续 函数和最小势能原理相结合，求解s t v e n a n t 扭转问题。有限元法是在5 0 年代中 期作为结构分析的矩阵法推广应用到固体力学中的。1 9 5 4 年联邦德国阿亨大学 的j h a r 鲫- i s 教授用系统的最小势能原理得到了系统的刚度方程，使得结构矩 阵分析法可以用来对连续介质进行分析。 航空事业的发展促进了有限元法的研究应用，1 9 5 6 年美国波音飞机制造公 司的m t u t n e r 、r w c l o u g h 等人在分析大型飞机结构时，第一次采用直接刚度 法给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计 算机求解复杂弹性平面问题的新局面。c l o u g h 教授在1 9 5 7 年就提出了“有限元 法”的术语，并让加利福尼亚大学的学生用此方法在大翼结构分析中计算蒙皮 的特性。第一个应用“有限元”术语的文献是发表于1 9 6 0 年9 月在p a p i t t s b u r g ( 匹 兹堡) 举行的第二届美国工程师学会电子计算的会议计录，其中提到了“飞机应 力分析的有限元法”。1 9 6 3 年至1 9 6 4 年，j e b e s s e l i n g 等人证明了有限元法是基 第一章绪论 于变分原理的r i t z 法的另一种形式，1 9 6 9 年j t q d e n 教授又将有限元法扩展应 用于加权余量法( g a l e r k i n ) ，同年英国q c z i e n k i e w i e x 教授提出等参元的概念， 从而使有限元法更加普及与完善，在理论和实际方面都得到了飞速发展。【7 9 1 六十年代后期，人们开始利用计算机研究自动划分网格的方法，至今己提 出了很多种自动划分法。有限元网格划分的算法比较复杂，通常分为二维网格 划分算法和三维网格划分算法。在有限元前处理方面，二维有限元的前处理相 对比较成熟，现在正向自适应方向发展：三维有限元的前处理，因为结构形状 各式各样，非常复杂，目前尚未提出一种通用的自动生成有限元网格的方法， 每种方法都只对某一类结构有效。三维有限元网格生成大致口丁分为两种类型： 一种是在图形处理软件中把几何模型的框线、几何数据和体素的拓朴关系等数 据进行加工，剖分成有限元所需的网格，然后输入有限元分析所需的数据中， 生成有限元分析程序需要的网格文件；另一种是单独为某一个有限元分析程序 服务的前处理模块，并与有限元程序集成为一套完整的有限元分析系统。p 1 恐一 有限元法可以求解结构力学和固体力学的各类问题，它的应用己由平面问 题扩展到空间问题，板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力学问题， 由固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料，应用领域从航空技术扩展到土木建筑、机械制造、 水利工程、造船及原子能等领域h “”】。 在我国，有限元法已经受到充分重视。随着计算机技术的发展，有限元法 作为一个具有坚实理论基础和广泛应用的数值计算工具，必将在我国国民经济 建设和科学技术研究中发挥巨大的作用，有着极其广阔的前景。 1 3 应用有限元法解决问题的基本过程 有限元法是一种非常有效的现代分析方法，是工程方法和数学方法相结合 的产物，可以解决过去用解析法无法求解的复杂结构问题。下面简要介绍有限 元法的一些基本知识和应用有限元法解决问题的基本过程。 1 3 1 分析步骤 ( 1 ) 明确结构分析的目的和要求，确定问题的类型和规模。 应力应变分析是有限元法求解的基本目的。一般来讲，工程结构构件严格 第拳绪论 说束都是一个空h j 物体，属f 王维问题，但在某些情况f 町以简化成一维梁杆 问题或一：维平面问题。 ( 2 ) 选择合适的有限元分析程序。 目前世界各国已开发出多种用于结构分析的大型通用有限元分析软件，如 a d i n a 、a s k a 、a n s y s 、s a p 、m s c n a s t r a n 、p d a p a l r a n g 等，在我 国应用最为广泛的结构静力、动力分析程序有a n s y s 、s a p 和a l g o r 等。经 过多年来的结构分析应用证明，这些程序的计算结果是稳定口丁靠的。 ( 3 ) 建模。 选择合适的单元类型，并将结构离散化，确定荷载、温度以及边界约束条 件，建立有限元模型。有限元模型应在保持分析对象的原有结构、边界约束、 边界温度以及载荷等基本性质的前提下，把结构进行简化，使之既有一定的精 度，又便于计算。在建模过程中，一些重要的原理如叠加原理、圣维南原理、 解的唯一性原理等可作为简化的理论根据，同时还可以充分利用结构和荷载的 对称性、反对称性、重复性和相似性进行简化。 ( 4 ) 计算。 首先根据应用程序的要求输入原始数据进行计算。计算完毕后，可以用输 出设备输出节点位移、单元应力、节点应力、变形网络图、等位移线图、等应 力线图、等效应力分布图等等。 ( 5 ) 计算结果分析。 根据所建模型得出的计算结果，分析结构的控制应力及截面，为结构设计 方案的优化提供可靠的参考依据。 1 3 2 单元类型 在建立有限元模型时，单元类型的选择往往在保证分析结果满足工程要求 的前提下，根据结构构件的几何形状和受力特点进行简化，以达到简化分析模 型，减少计算时间和降低分析费用的目的。一般有以下几种情况： ( 1 ) 一维杆件选用梁单元和杆单元。 在工程结构中，如果构件一个方向的几何尺寸远大于其余两个方向的几何 尺寸，则这种构件往往可以简化为一维杆件。 ( 2 ) 二维板件选用板壳单元和膜单元。 如果构件两个方向的几何尺寸为同一数量级、另一方向的几何尺寸较之小 第章绪论 一个数量级，则往往简化为二维构件。 ( 3 ) 三维构件选用：维体单元。 如果构件三个方向的几何尺寸属于同一数量级，则一般作为三维问题。 综上所述，建立结构分析的有限元模型，应根据构件的具体情况进行适当 简化，以达到使计算结果满足精度要求、同时又使分析模型简单的目的。 1 3 3 结构离散 利用有限元法对工程结构进行分析时，首先要将结构划分为有限个单元， 这些单元通过节点相互联结，构成一个与真实结构等价的计算模型，这个过程 称为结构的离散化。建立工程结构有限元模型的主要任务是结构的离散化。 一般说来，结构的有限元离散化包括三个方面的内容：结构本身的离散化、 作用于结构上的力系的离散化和结构边界条件的离散化。结构离散化应根据分 析结果的具体要求，综合考虑结构、力系和边界条件三方面的因素。离散化的 质量取决于分析人员的素质、经验和能力。 结构离散化一般涉及单元类型的选择、组合形式的确定、单元网格的布局、 单元形式的状态以及单元和节点的信息化处理等。 ( 1 ) 不连续处的自然分割。 工程结构在几何形状、荷载分布、材料特性等方面存在着许多不连续处， 一般情况下，在离散过程中应把有限元模型的节点、单元的分界线或分界面设 置在相应的不连续处。 ( 2 ) 单元网格的布局和过渡。 有限元模型单元网格的分布是指单元网格的疏密程度及其分布状态。确定 网格疏密程度的一般原则是：计算结果的精度要求较高的，网格划分密一些： 反之，网格划分稀疏一些。合理的网格分布状态应同结构的应力梯度相一致。 ( 3 ) 几何形状的近似。 结构离散化使结构的边界变成了单元边界的集合，由于单元边界一般是直 线或平面，因而会产生结构几何形状的离散化误差。 ( 4 ) 单元形状的选择 单元形状包括单元的形状、边中节点位置、细长比等。在结构离散化过程 中必须合理选择单元形状。一般为了保证有限元分析的精度，必须使单元的形 状尽可能规则。 第。事绪沦 1 3 4 边界条件的确定 确定边界条件是建立有限元分析模璎的重要一环，合理确定有限元模型的 边界条件是成功地进行结构有限元分析的基本条件。 ( 1 ) 边界位置的确定。 在建立连续弹性体局部区域的有限元模型时，往往取该局部区域为隔离体， 取其隔离边界条件为零位移，并通过试探确定零位移边界的位置。 ( 2 ) 边界条件的确定。 在建立有限元模型时，必须研究如何给定边界位置上的边界条件，以反映 相连接结构的状况。确定这种问题的边界条件是用简单支撑的链杆代替相连接 的结构，使替代后结构的系统刚度等价于原结构的系统刚度。蝴j 。 1 4 本文的主要工作 本文采用通用有限元分析软件a n s y s 对一台长1 2 m 的铁路隧道衬砌液压 模板台车进行结构分析。通过建立完善的模板台车有限元模型，分柝计算模板 台车工作中各部分的变形及应力分布情况，并在分析结果基础上对模板台车的 结构设计提出改进措施，同时为模板台车的施工应用提供参考依据。 本文所作的主要工作包括以下几个部分： ( 1 ) 建立模板台车的有限元模型； ( 2 ) 对该模板台车进行结构分析计算； ( 3 ) 根据分析结果对该模板台车的结构设计提出改进措施； “) 对改进后的模板台车进行复核结构分析。 第 章模板台寸的结构硬存限元模喇的建立 第二章模板台车的结构及有限元模型的建立 2 1 模板台车的结构 2 1 1 模板台车概述 隧道施工中一个重要工序是隧道的混凝土二次衬砌。多年来，国内各施工 单位在隧道衬砌施工中大多采用的是自行设计的简易衬砌设备，其中易拆装的 工字钢衬砌拱架使用较多。但传统的衬砌台架施工方法不仅施工工序复杂，而 且很难克服施工缝错台等问题，已经不能满足现代工程的施工质量及外观要求， 利用隧道衬砌模板台车的模注施工方法逐渐被广泛采用。 隧道衬砌模板台车是一种专用机械施工设备，使用模板台车不仅可以避免 施工干扰、提高施工效率，更重要的是大大提高了隧道的衬砌施工质量，同时 也提高了隧道施工的机械化程度。 按照隧道衬砌断面形状的不同、灌注混凝土方式的不同，模板台车通常分 为以下几大类： ( 1 ) 单线铁路边顶拱模板台车； ( 2 ) 双线公路边顶拱模板台车； ( 3 ) 三线公路模板台车； ( 4 ) 全断面浇筑用全圆模板台车； ( 5 ) 城门洞形模板台车； ( 7 ) 城市地铁用模板台车； ( 8 ) m 形隧道用模板台车。 按照模板台车行走和动力的不同，模板台车也常分为： ( 1 ) 机械拖行式模板台车； ( 2 ) 机械白行式模板台车； ( 3 ) 全液压自行式模板台车； ( 4 ) 机械和液压式模板台车【2 1 , 2 2 1 。 一7 一 第章楼板台1 r 的结构成自j 限兀模，_ 的建赶 2 1 2 模板台车的结构及工作原理 图2 1 所示，为本文进行结构分析的大别山隧道衬砌液压模板台车的结构 图，台车全长1 2 m ，其结构大致由模板部分、门架体部分、行走系统、支撑机 构、平移系统及其它附属装置等几大部分组成。虽然模板台车型式多样，但其 结构基本相同。 项架总成；垂直油缸、项架千斤顶；项模、侧模；门架：模板千斤顶 侧模油缸；门架立柱撑地千斤顶；模板撑地千斤项；门架纵粱千斤顶； 行走系。 图z _ 1 模板台车结构示意图 ( 1 ) 模板及顶架总成： 模板由项模和侧模组成，每节模板长1 5 m 。左右顶模之间通过法兰螺栓联 接成整体，顶模与侧模间采用铰接机构，通过铰接轴相连，用于立模和收模。 两节模板之间皆由法兰螺栓联接。模板上开有品字型排列的工作窗项部安装 与输送泵接口的注浆装置。模板由面板、法兰板、加强角钢、模板纵拉槽钢等 组成，面板采用厚1 2 r a m 钢板，各加强筋采用7 5 5 0 x 6 的角钢，以加强模板整 体刚度。模板由5 根模板纵拉槽钢、4 4 个模板千斤顶、6 个侧模油缸与门架相 连。 顶模下面有以工字钢为主的顶架总成做支撑，项架主要承受浇注时上部混 凝土及模板的自藿，通过顶架下部的6 个垂直油缸和4 个项架千斤顶传力给门 8 第一章模板台1 的结构及有限兀模掣的建立 架。 ( 2 ) 门架总成：门架是整个台车的主要承重部分，它是由门架纵梁、门架立 柱、门架横梁、门架斜撑、门架纵拉槽钢等构件通过螺栓联接而成，各横梁间 及立柱间通过纵粱及斜拉角钢联接。立柱、横梁、纵梁采用h 型钢并焊，保证 整个门架的强度、刚度和稳定性。 ( 3 ) 撑地千斤顶：包括门架纵梁支承千斤顶、立柱撑地千斤顶和模板撑地千 斤项。立柱撑地千斤顶斜撑在立柱下部的内侧，承受横向力，改善立柱和纵梁 的受力条件：门架纵梁支承千斤顶支撑在门架纵梁与钢轨之间，承受模板台车 和混凝土的重量，改善门架纵梁的受力条件，保证模板台车工作时门架的稳定。 另外，在侧模的下面设有撑地千斤顶，支撑来自侧模的压力。 ( 4 ) 行走系统：行走机构安装在门架的底纵梁下部，采用电机减速器直联驱 动系统，保证行走平稳可靠。 ( 5 ) 液压系统：模板台车采用额定压力1 6 m p a 的液压系统。液压泵站由手 动多路控制阀操作，控制6 个垂直油缸，6 个侧模油缸，2 个平移油缸。垂直油 缸和侧模油缸均采用液压自锁式，可保证定位精确稳固。手动多路控制阀共1 4 路，可对每个油缸单独控制，保证个油缸准确定位。平移机构用来调整模板中 心线与隧道中心线一致。 模板台车的工作原理：模板衬砌台车外轮廓与隧道衬砌理论内轮廓面一致， 通过封堵模板端部的开挖仓面，使模板与洞壁形成封闭的环形仓，然后灌注混 凝土形成隧道的衬砌。模板台车动力为电机驱动；行走系统为轨行式行走系统； 模板台车通过液压油缸完成立模、收模及模板中心偏差的调整等动作：台车立 模到位后，需要使用模板千斤顶把模板与门架体连成整体，以承受混凝土灌注 过程中的施工荷载【2 3 2 4 】。 2 2a n s y s 软件与a n s y s 单元 2 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、匹兹堡大学力学系教授j o h n s w a n s o n 博士手1 刍7 0 年仓憷发展起来的，总部设在美国宾夕法尼壶州的匹兹堡：目前是 世界c a e 行业最大的公司。近3 0 年来，a n s y s 公司直致力于分析设计软件 9 第：章枚扳台下的结构成仃限儿模刑的建正 的开发、维护及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术， 领导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用 户群。 a n s y s 程序是一个功能强大的大型通用有限元分析软件，融结构、热、流 体、电磁、声学分析于一体，町广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程等一般工业及科学研 究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、 电磁分析、流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变有 限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 进行扩展宏命令的功能。 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型：分析计算模块可以包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析，以及 多物理场耦合问题，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结 果以彩色等值线显示、梯度显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透 明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲 线形式显示或输出。 a n s y s 软件提供了2 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和 材料；完全交互式的前、后处理模块，大大减轻了用户创建工程模型、生成有 限元模型以及分析和评价计算结果的工作量。 2 2 2a n s y s 的梁单元 a n s y s 共有9 种梁单元，b e a m 3 、b e a r n 4 、b e a m 2 3 、b e a m 2 4 、b e a m 4 4 、b e a m 5 4 、 b e a m l 6 1 基于e u l e r - b e m o u l l i 梁理论，b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 单元基于t i m o s h e n k o 梁理论。其中，b e a m 3 是用于平面结构分析的弹性梁单元，b e a m 2 3 、b e a m 2 4 主 要用于结构的弹塑性分析，b e a m 4 4 、b e a m 5 4 专为变截面梁而设计，b e a m l 6 1 只 能用f 动力分析中。考虑到本文分析的结构为空间等截面杆件组成的钢结构， 根据规范要求，结构构件的内力应按弹性受力阶段确定，所以f 面主要介绍 b e a m 4 、b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 单元。 ( 1 ) b e a m 4 单元。 b e a m 4 是基于e u l e r - b e r n o u l l i 理论的三维弹性梁单元，采用了主自由度的 一1 0 第章模板台1 一的结构及有限元模型的建立 原理，形函数采用h e r m i t i a n 多项式，不考虑截面的横向剪切变形和翘曲，忽 略了剪切变形的影响( 但可以通过输入实常数的方法来进行修正) ，应用了中 线的法线在变形后仍保持和中面垂直的直法线假设( 实际上就是要求挠度的一 阶导数保持连续) 。该单元可以承受拉、压、弯、扭，单元每个节点有六个自 由度：工、 z 三个方向的线位移和绕x ，y - ，z 三个轴的角位移。可用于计算 应力刚化及大变形问题。b e a m 4 单元坐标系和参数见图2 2 。 图2 - 2b e a r a 4 梁单元示意图 ( 2 ) b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 单元。 b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 单元采用的是考虑了剪切变形影响的t i m o s h e n k o 梁理 论。两者的主要区别在于b e a m l 8 8 为两节点单元，b e a m l 8 9 为三节点单元，相 对于b e a m l 8 8 单元多了一个中间节点。 b e a m l 8 9 是三维二次梁单元，如图2 3 所示，节点为i 、j 、k ，每个节点有 六个或七个自由度。自由度个数取决于k e y o p t ( 1 ) 的值：k e y o p t ( 1 ) = o ( 缺省) 时，每个节点有六个自由度，即节点坐标系的x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴 的转动；k e y o p t ( 1 ) = 1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度 ( 横截面的翘曲) 。虽然考虑了横向剪切力对变形的影响，但是由于该单元的 剪应力与应变为一阶变形理论，所以该单元只适合分析从细长至中等深度的梁 结构，对于严格意义上的深梁，a n s y s 建议采用s o u d 单元进行分析。在实 际使用该单元的时候必须要注意的一点是，实际杆件的柔度系数不宜小于3 0 ， a n s y s 推荐的柔度系数计算公式为 g r j u e 1 ( 2 一1 ) 第一章模扳台乍的结构硬彳j 限几模掣的建芷 式中，仁剪切模量； 一横截面积： 厶一杆件的长度； e - - - 弹性模量； 瑚性矩。 上述公式是以悬臂梁受均匀荷载推导而来的，其它梁可以参考该值，如矩形 钢梁 g a l 2 ：1 2 g b 。h 1 2 3 0 e i e b h 5 即 一h 2 5 5 ， 图2 - 3b e a m l 8 9 粱单元 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 本单元引入了s t v e n a n t 扭转翘曲函数，但是不考虑截面的局部屈服情况， 在扭矩作用下，如果杆件发生过大的非弹性变形，则程序的计算结果将不可靠。 对于剪切应力和应变，本单元认为是弹性的，对于具有双线性各向同性强化或 者多线性各向同性强化的各向异性材料，可以通过修改实常数来修正横向剪切 刚度矩阵。在进行非线性分析时，可以定义多种材料本构关系，其前后处理功 能比e u l e r - b e m o u l l i 粱单元强大。本单元非常适合于分析线性、大角度转动或非 线性大应变问题。当n l g e o m 打斤时，b e a m l 8 9 的应力刚化在任何分析中都 一1 2 一 第 章模板台乍的结构及订限无模犁的建立 是缺省项。应力刚化选项使本单元能分析弯曲，横向及扭转稳定问题。 b e a m l 8 9 可用于任何采用s e c t y p e 、s e c d a l a 、e c o f f s e t 、s e c w r r r e 及s e c r e a d 命令定义的横截面，本单元支持弹性、蠕变及塑性模型。 ( 3 ) 两种梁单元的对比。 b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 相对b e a m 4 的第一个突出点是具有更出色的截面数据定 义功能和可视化特性( 横截面指垂直于梁轴线的截面形状) 。a n s y s 提供了l1 种常用梁截面形状，并支持用户自定义截面形状。当定义一个横截面时，a n s y s 建立一个9 节点的数值模型来确定梁的截面特性( 如l y y , l z z 等) ，并通过求解 泊松方程得到弯曲特征。第二个突出点是b e a m l 8 8 与b e a m l 8 9 自动考虑剪切变 形。采用b e a m l 8 8 或b e a m l 8 9 建模时，均可采用自定义截面和内置的1 1 种截 面。内置截面均未考虑型钢截面的倒角，截面的惯性矩会有一定的误差，但是 对于常见的截面形式，直接采用a n s y s 提供的截面误差较小。对于一些组合 梁，自定义截面时应计入型钢倒角。b e a m 4 单元采用的是直接输入实常数的方 法，即直接输入截面特性( 面积、两个主轴的惯性矩、高度、宽度) 。 2 2 3a n s y s 的杆单元 a n s y s 中共有杆单元9 种，在工程结构分析中主要采用的是l i n k l 、l i n k 8 、 l i n k l 0 。其中l i n k l 单元主要用于平面结构的分析，可以受拉或受压；l i n k 8 单 元用于空间结构分析，可以受压或者受拉；l i n k l 0 单元主要用来模拟缆索的松 弛或链条的松弛，只能单向受拉或单向受压。其中l i n k 8 单元是有着广泛工程应 用的杆单元。它可以用来模拟桁架、 。1 绳索、铰链、弹簧等结构。如图2 4 所 示，此三维杆单元只可以承受单向的 拉伸或者压缩，就像在铰接结构中的 。 表现一样，本单元不承受弯矩。单元 的每个节点上有三个自由度，a p x 轴、y 轴和z 轴方向的平移自由度。 可考虑塑性、蠕变、应力强化以及大 变形效应。 1 3 一 图2 - 4l i n k 8 单元 第_ 二章模板台乍的结午 ：| 及百5 几模掣的建芷 2 2 4a n s y s 的壳单元 s h e l l 6 3 既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。 单元每个节点具有6 个自由度：沿节点坐标系x ， ，z 方向的平移和沿节点坐标 系x ，y ，z 轴的转动。可以考虑应力刚化和大变形，在大变形分析( 有限转动) 中可以采用不变的切线刚度矩阵。类似的单元还有s h e l l 4 3 、s h e l l l 8 1 ( 塑性 功能) 和s h e l l 9 3 ( 中间节点) 。 s h e l l 6 3 单元的几何形状、节点位置及坐标系如图2 5 所示，定义单元需 要四个节点、四个厚度、一个弹性基础刚度和正交各向异性的材料。正交各向 异性的材料参数的方向依据单元坐标系，单元的砖由可以转动一个角度t h e t a ( 度数) 。在单元的面内，其节点厚度为输入的四个厚度，单元的厚度假定为 均匀变化。如果单元厚度不变，只需输入t k ( 1 ) o j 可；如果厚度是变化的，则四 个节点的厚度均需输入。对于一些非均匀或者夹心壳的情况，本单元提供了以 下实常数：r m i 是由壳体本身的抗弯刚度与按照输入厚度计算得出的抗弯刚度 的比值，r m i 默认为1 0 。c t o p 和c b o 堤从中面到上、下两面纤维的距离以 用来计算应力，c t o p 和c b o t 均为正数。假定中面位于用来计算应力的上下 两面纤维的中间，如果没有输入c t o p 和c b o t , 应力根据输入的厚度进行计算。 a d 脚删为单位面积上的附加质量。 r r 图2 - 5s h e i l 6 3 单元 压力可以作为表面荷载，按照图s h e l l 6 3 上显示的圆圈内数字表示的单元 1 4 第章模板台午的结构及有限几模犁的建立 表面输入，指向单元的荷载为正。边界压力输入值为单位长度上的力。侧向荷 载可能是一个作用在节点上的等效( 集中) 单元荷载( k e y o p t ( 6 ) = o ) ，或者是分 配在单元面i - ( k e y o p t ( 6 ) = 2 ) 。在以平面单元代替曲面的情况或者单元支撑在弹 性地基上时，因为消去了一些假定的弯曲应力，等效单元荷载可以得到更为精 确的应力结果。 如果需要的话，k e y o p 聊j 可以用于忽略抗弯刚度或者忽略薄膜刚度的情 况。忽略弯曲刚度时将运用减缩的平面质量矩阵。k e y o p t ( 2 ) 用来在大变形分析 中激活一致切线刚度矩阵( 即：一个矩阵由主切线刚度矩阵加上调和切线刚度 矩阵而得) 。在几何非线性分析如非线性屈曲或者后屈曲分析中，打开这个选 项可以更快得到收敛。不过，在模拟一根刚性杆或一群耦合节点时，不应该激 活本单元的这个选项，因为结构内刚度突然的变化使得调和切线刚度矩阵不适 合这种情况。 k e y o p t ( 3 ) 允许你考虑( k e y o p t ( 3 ) = 0 o r2 ) 或者抑$ 1 ( k e y o p t ( 3 ) = 1 ) 插值形 函数的附加项。它还允许你选择平面内转动刚度的类型： k e y o p t ( 3 ) = 0 或l 激活弹簧性质的单元z 轴平面内转动刚度； 。k e y o p t ( 3 ) = 2 激活更实际的平面内转动刚度( a l l m a n 转动刚度一程序使 用默认的罚常数值为d l = 1 o e 6 、d 2 = 1 0 1 3 3 ) ； 使用a l l m a n 刚度经常能加强在平面壳结构( 即：平面壳或者壳里的平面部 分) 的大变形( 有限转动) 分析中的收敛能力； k e y o p t ( 7 ) 允许使用减缩质量矩阵( 转动自由度被删除) 。这个选项在质量 荷载作用下的薄壳中对改善弯曲应力很有用处。 k e y o p t ( 8 ) 允许使用减缩应力矩阵( 转动自由度被删除) 。这个选项在一些 曲壳结构的线性屈曲分析中对改善模态形状和更精确的荷载倍数很有用处 【2 5 2 7 1 。 2 3 模板台车有限元模型的建立 2 3 1模板台车有限元模型中构件单元类型的选择 模板台车的结构比较复杂，它包括两种类型的基本结构j i 架结构和模板 结构。 1 5 第一漳模扳台1 的结构及有限几模掣的建i z 门架结构为空问杆系模型，即所有杆件均采用梁单元或杆单元。其中门架 横粱、门架纵梁、门架立柱、门架斜撑、门架纵拉槽钢、门架斜拉角钢、垂直 油缸、顶架横粱、顶架纵梁、顶架干斤顶等构件之间的连接均为刚接形式，所 以这些杆件采用三维弹性梁单元b e a m 4 ：侧模油缸、模板千斤顶、撑地千斤顶与 门架、模板纵拉槽钢之间的连接均为铰接形式，所以它们采用三维杆单元l i n k 8 。 车轮组上端与门架的连接为刚接形式，因此将整个车轮组简化为门架立柱的延 伸部分。 模板结构为梁壳模型。模板面板采用s h e l l 6 3 壳单元，模板加强筋( 角钢) 均采用具有可视化截面的b e a m l 8 9 梁单元；模板法兰由于在模板工作状态中对 模板起加强筋的作用，所以也采用b e a m l 8 9 梁单元。在几何建模过程中，要注 意将面板以加强筋的线为边分为若干个小几何面，以确保加强筋与面板的有效 连接。模板纵拉槽钢与法兰之间为刚接，所以模板纵拉槽钢采用三维弹性梁单 元b e a m 4 ，图2 6 所示为建立的模板台车的有限元模型。 图2 6 模板台车有限元模型示意图 2 3 2 边界约束的处理 有限元计算中，对边界约束与载荷的处理是最为重要的环节，模板台车在 施工过程中，由于隧道环境恶劣，条件简陋，支撑约束也一般是因地制宜，计 算模型中很难找到完全合理的约束方式来模拟。 1 6 第一：萼模扳台午的结构及有限几模刑的建1 ， 为此本文采用了以下几种边界条件的处理方式。 ( 1 ) 门架纵梁支承千斤顶与门架纵梁底部接触处的处理。 实际施： 中，模板台车沿轨道移动就位后，由施工人员支撑门架纵梁支承千 斤顶。由于门架纵梁支承千斤顶与钢轨、门架纵梁之间没有固定连接，所以认 为门架纵梁支承千斤顶对门架纵梁只有高度方向( 总体坐标y 向) 的支撑力，故 只约束支撑点高度方向( 总体坐标y 向) 位移自由度u y 是合理的。 ( 2 ) 车轮与钢轨接触处的处理。 工作时台车车轮与钢轨始终保持接触，约束其兄y 二向位移自由度u x 、 u y ，并根据模型计算需要约束一端车轮的z 方向位移自由度c ，z 。 ( 3 ) 门架立柱撑地千斤顶、模板撑地千斤顶与地面的接触。 在模型中将门架立柱撑地千斤顶、模板撑地千斤顶与地面的接触处处理为 约束千斤顶底端的兄y ，z 三向位移自由度【，u y 【，z 。 图2 7 所示为模板台车的边界约束情况。 图2 7 模板台车有限元模型边界约束示意图 2 33 载荷的施加与载荷分析 模板台车计算载荷时主要考虑模板台车工作时受到混凝土的压力，同时也 要考虑模板台车的自重。模板台车在工作时受到混凝土压力由混凝土流体静压 1 7 第一：章模板台下的结构技百限兀模掣的建芷 力、震捣力、混凝上入仓产7 的冲击力组合而成，与混凝：t 流体静压力相比入 仓冲击力影响很小，可忽略。因此，混凝：t 未发生初凝情况下，台车模板所承 受载荷可以按流体静压力计算，计算公式为 p = r h( 2 - 4 ) 式中7 为钢筋混凝土比重( 取f2 5 0 0 k g f m 3 ) ，h 为混凝土灌注高度。 目前，我国主要采用这种计算方法进行模板台车的强度校核。 根据隧道衬砌施工的程序以及模板台车的自身结构特点，模板台车有限元 模型的载荷状况大致划分为三种： ( 1 ) 灌注模板下部混凝土时的载荷：如图2 8 所示，当灌注模板下部混凝土 时，混凝土对模板的压力按流体静压力计算，有横向水平压力，也有向上的浮 力，此时要考虑两个问题：一个是模板下端、门架纵粱的应力及最大横向位移 的大小；二是向上的浮力及横向压力是否会使车轮浮起或钢轨侧滑，从而产生 “跑模”现象