基于MidasCivil的衬彻台车受力模拟分析.doc

基于Midas/Civil的衬彻台车受力模拟分析马琴芳（中铁十二局集团第四工程有限公司 西安 710021）摘 要：衬彻台车是二次隧道衬彻不可或缺的有效施工工件。中铁十二局深圳地铁2号线2227标的某台车跨度远大于高度，台车整体受力较大，我们按照实际浇筑混凝土的荷载、施工过程等因素对台车进行了设计改进，并且通过大型建筑结构通用设计软件Midas/Civil对其进行设计分析，经过检算台车设计符合施工要求，结构合理。从而为台车的安全设计估提供了有效依据，并减少了施工事故。关键词：Midas/Civil；衬彻台车；有限元；模拟分析 中图分类号: TV 53 文献标识码: B 文章编号: Force Simulation of Trolley Based on Midas / CivilMa Qinfang（The 4th Engineering Co.,Ltd. Of China Railway 12th Bureau Group,Xian 7101021, China）Abstract: Lining Toru trolley is an indispensable and effective workpiece in the secondary tunnel lining. A trolley in the 2227 subject of Bureau Shenzhen Metro Line 2 of China Railway 12th which has much larger span, we carried it out in accordance with the load of the actual pouring of concrete, the construction process and other factors. we improved it by Midas / Civil design analysis which is universal design software in large-scale building structure .The results of stress analysis meet the construction requirements and the structure is reasonable. The software provides an effective basis for assessing safety of trolley and reduces construction accidents.Key words: Midas / Civil; lining Toru trolley; finite element; simulation0 引言科技的进步发展，给工程设计师们带来越来越多的便利。Atuo CAD的出现，彻底使工程师摆脱夜以继日在图纸进行尺规作图的时代，soidwork的出现甚至连重要的图纸都可以忽略不用。随着计算机的不断发展和有限元理论研究的不断深入，利用有限元软件进行设计已经成为可能，该类软件在建筑行业的广泛使用，使得建筑师们的创作越来越独特和具有创意，建筑的形式也更加多样化，越来越多的工程在设计中需要应用有限元软件来进行分析和设计1。MidasCivil是通用的空间有限元软件和桥梁专用软件的完美结合，程序提供丰富的有限元单元类型，并提供从静力到动力、从线性到非线性的各种高端分析功能，可对预应力桥梁、拱桥、斜拉桥、悬索桥等多种桥梁进行分析；程序融入了中国的公路、铁路、市政桥梁的相应的相应规范，从而为桥梁设计人员提供了从建模、分析到设计及计算书的整体解决方案2。自从2002年11月北京迈达斯技术有限公司成立以来，Midas系列产品已成功应用于国内上万个实际工程项目中，涉及桥梁、建筑、岩土、机械等领域。其中最具代表性的有世界跨度最大的斜拉桥苏通大桥、2008年北京奥运会体育场馆、上海世博会场馆、2010年广州亚运会场馆等。本文主要使用有限元软件Midas/Civil对中铁十二局深圳地铁2号线2227标的某大跨空间台车的内力、应力、变形和稳定性进行分析研究作者简介马琴芳 （1982-），女，河南省三门峡市，硕士，中铁十二局四公司，助理工程师，主要研究工程机械设计仿真，使之在加工和使用过程中可以节约成本和避免无形的安全隐患带来的损失，以确保施工的安全性、经济性。1 台车构造及主要技术条件图1 衬砌台车构造Fig.1 Lining trolley construction1.1 台车构造本论文所要模拟的衬砌台车是加宽加大的，衬彻厚度最深可达到1000mm。全液压二次衬砌台车长度一般分为6m、9m、12m等规格3。图1 为衬砌台车结构示意，衬彻长度为9m。由顶模板，侧模板，底模板，上横梁，液压油缸，丝杆和机械千斤顶，门架，主从行走机构，门架支承千斤顶等组成。1.2 主要技术条件及特点一个工作循环的理论衬砌长度L9m; 台车高度 h=9.6m;轨距 d9.2m;成拱跨度f16m;成拱半径R8.7m;自重 G=123t;轨道中心误差 x5; 浇筑面上升速度4 m/h。一般的台车成拱跨度小，以兰渝铁路变断面单线隧道衬砌台车为例，该台车隧道总高8975 mm，成拱跨度普通为7818mm和V级软岩地段8525mm4。首次设计这种跨度远远大于高度的台车，台车自重大，台车顶部衬彻深度可达1000mm，台车整体受力巨大，台车容易变形，甚至出现重大事故。2 台车设计二次衬砌台车受力分析,主要包括顶模受力分析和边模受力分析。 灌注混凝土过程中衬砌台车除自重外, 主要承受直接作用在模板上的混凝土重力、灌注冲击力和振捣产生的力,作业人员及机具重力5, 此时约束反力直接作用在台车下纵梁上, 整个台车形成底部约束的框架受力结构, 约束反力及衬砌台车各构件受力情况均可通过简化受力计算模式进行分析计算。考虑顶部圆弧半径相同, 圆心角相同, 将一个大圆弧顶模板拆分成多两块半径相同的小模板分别受力，减少最顶端的应力集中导致的变形，两块小模板采用铰接的方式链接；再针对左端侧模板和左端侧模板分分别制作两套模板，每套侧模共用底模，每个侧模板增加12块加强筋。 该方案的优点是: 共用了底部模板,使得顶模板受力传递到侧模板，侧模板和底模板共同承受的顶部压力与侧面受力向抵消。同时在一定程度上减少了安装工作量, 降低了成本.该方案经核算, 模板总重为64t. 下面就对台车模板受力进行以下分析，由于顶模受到混凝土自重(浇筑后初凝前)、施工荷载以及泵送口封口时的挤压力等荷载的共同作用，其受力条件显然比其它部位的模板更加复杂、受力更大、结构要求更高6。在顶模压力计算中把水泥看做流体进行计算。压力主要来自于水泥的自重，混凝土自重由（1）式求得： （1）式中:混凝土容重, 取查 7根据构造物的强度要求，可选用32.5和42.5标号的水泥8。混凝土密度近似取为2.45t/m；S为混凝土衬砌截面面积；为衬彻台车的长度；则水泥重量W=5.31 *106N。台车边模与顶模的结构构造基本一致，而边模一般不承受混凝土白重，荷载较小,台车的侧向应力载荷采用日本歧阜工业公司10.5m液压台车提供的参数9，该值取为Pa=4.7tm2。该数值在目前台车边模板计算中普遍采用。则边模板侧向压力W=21.15*106N。3 Midas分析模型的建立及受力分析用Midas软件进行有限元仿真的基本步骤如下：（1）几何模型的建立，主要是节点和单元的建立：Midas/Civil导入了CAD程序的大部分功能，可以像画图一样非常容易地建立节点和单元。本文所要介绍的台车是加宽加大的，长宽分别为9m和12m，主要有顶模6块，边模12块，小边模12块，门架4榀，如图2所示。（2）输入材料和截面特性：Midas/Civil备有GB（中国），ASTM，AISC，JIS，DIN，BS，EN，KS等的材料和截面特性的数据库（DB），也可以使用用户自己定义的材料和截面。本文使用的主要是Civil数据库中内含的材料Grade3来定义材料；而截面却有多种，模板、门架和行走大梁主要用的是实腹长方形截面，立柱、上横梁和横移梁主要用的是工字形截面，丝杆主要用的是管型截面，这些构件上的加强劲主要用的是槽钢。同时在Midas/Civil中，对于面单元需要将其定义为板单元来进行计算。板单元是由同一平面上的3或4个节点构成的，台车模板上的面板用的是12的钢板而门架上的面板用的18的钢板，所以将其板单元的厚度分别定义为12mm和18mm。（3）边界条件的定义：Midas/Civil所提供的边界条件中除一般的边界条件外，还提供考虑桩的纵向刚性的一般弹性支撑和考虑地基只受单元的只受拉单元10。本文建立的模型是三维空间结构分析程序，故每个节点有6个自由度（Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz）。如图3所示，这6个自由度在模型中是由6个三角形按顺序的6边形表现的，被约束的自由度其三角形颜色会变成绿色，以便区分。（4）定义荷载：Midas/Civil中为进行各种结构分析而提供了多种荷载类型，本文对于衬砌上浇筑砼荷载认为是液体荷载，采用Midas软件提供的“液体压力”荷载加载，计算时认为拱项压为P0=0，拱脚压力P1=rh，r为砼容量，取2.45t/m2，h为拱高，h=8.7m，期间线性变化。由于把砼完全按流体计算，此荷载较实际大得多，故振动冲击荷载不同时考虑11,12。 图2 台车模型图Fig.2 Lining trolley model 图3 台车边界条件、荷载图.载荷从顶端2.5 t/m2逐渐增大到底部达到19.0 t/m2（箭矢长度代表载荷大小）Fig.3 Trolley boundary conditions, load chart. The load is gradually increasing from the top 2.5 t/m2 the bottom of 19.0 t/m2（5）运行结构分析：建立模型并输入所有参数后，即可运行结构分析。4 结果分析 图4 台车受力位移图.右方数据显示红色为最大变形区域，其变形值为5.8mm.Fig.4 the force displacement diagram of Trolley。The data on the right display that the red stands for the maximum displacement area and the value is 5.8mm.图5 台车模板应力图。右方数据显示红色为最大受力区域，其面板正应力为95.3MPa. Fig.5 Stress diagram of Trolley template.The data on the right display that the red stands for the maximum stress area of the front-panel and the value is 95.3MPa.(1)总体受力分析运用弹性力学的能量变分原理，将表面模板结构与钢筋骨架看成复合结构考虑各截面之间的相互影响通过midas软件加力受力分析，如图4所示，台车主要受力部分是门架总成，它承受台车的主要受力结构，其中颜色最深处也就是受力最大处是门架连接部分，此处如果没有连接好或者使用材料的许用应力不够，就会出现台车跑模变形等事件发生，根据图4可以看出台车的最大变形为5.8mm,符合使用标准。（2）面板受力分析面板受力分析如图5，可以看到受力最大处在两边，面板正应力95.3MPa=215MPa (取钢结构设计规范GBJ17-88)，满足抗弯强度要求。（3）梁单元应力受力分析图6台车梁单元应力图. 右方数据显示红色为梁的最大受力区域，梁的最大弯曲应力为81.9MPa.Fig.6 Stress diagram of rolley beam. The data on the right display that the red stands for the maximum stress area of beam and the value is 81.9MPa梁进入弹塑性的阶段，粱的最大弯曲应力=81.9Mpa；对于A3钢，s=160 Mpa,所以，梁的强度满足要求。5 结论本文对大横跨台车设计，通过拆分顶模板为两同等半径的两部分，以及把侧模板和底模板共板加工，这些方法有效缓解顶模板受力过大，并且节约了建筑成本。同时本文提供了一种有效的利用有限元数值模拟软件midas计算分析工程中常用的二次衬彻台车受力分析的方法，并对台车总体受力变形和各个结构部件受力变形进行了分析，从而确定台车受力是否符合标。经过计算台车受力完全符合工程标准，台车刚度满足了混凝土施工要求。此台车已经在深圳地铁项目中使用，台车衬砌隧道软岩断面时，顶部衬砌轮廓线与理论轮廓线比较,存在的最大误差为16mm, 顶部和下部模板实际轮廓线与隧道断面衬砌轮廓线完全吻合.衬彻水泥面形状美观，连接缝很小。 参考文献1 桂满树，高德志.通过有限元结构分析与设计软件MIDA