新型可更換預(yù)埋槽道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱少杰，于國軍，王凌云，文茜茜，呂 偉

(1. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 河南經(jīng)緯電力科技股份有限公司，河南 鄭州 451464)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，全國很多大中城市陸續(xù)建設(shè)市內(nèi)軌道交通。地鐵的正常運行離不開關(guān)鍵位置處的接觸網(wǎng)。車輛在高速行駛時，負(fù)重會加大，接觸網(wǎng)的抬升量也會增加，尤其在隧道中，一旦發(fā)生行車安全事故，就會造成重大損失，危及乘客生命安全。固定接觸網(wǎng)使用的傳統(tǒng)工藝是直接在管片上打孔，然后進行膨脹螺栓或化學(xué)螺栓的安裝。傳統(tǒng)工藝可控性較低，而且管片為一次性成型部件，一旦在打孔時出現(xiàn)失誤，將很難保證設(shè)計要求，并且植入螺栓在混凝土中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，破壞概率大幅增加。由于具有易腐蝕的特性，因此螺栓耐久性較低，一般使用15～20 a必須進行更換。

針對目前地鐵盾構(gòu)隧道軌旁設(shè)備專用可更換預(yù)埋槽道技術(shù)存在的缺陷，本文中對可更換預(yù)埋槽道的若干技術(shù)關(guān)鍵問題進行研究，對可更換預(yù)埋槽道進行理論設(shè)計及分析計算[1]，提出新型可更換預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，克服現(xiàn)有預(yù)埋槽道錨桿與槽道采用焊接或鉚接方式連接、不可拆卸等缺陷，錨桿與槽道采用螺栓連接，改進密封組件一體化的結(jié)構(gòu)形式，提出2套布置方案，滿足可簡便更換的需要。

1 新型可更換預(yù)埋槽道理論分析

1.1 受拉理論

新型可更換預(yù)埋槽道在受拉時可能發(fā)生的破壞分為預(yù)埋錨桿拉斷破壞和鎖緊螺桿拉斷破壞。

1.1.1 預(yù)埋錨桿抗拉承載力計算

對于錨固黏結(jié)力，當(dāng)達到錨固極限狀態(tài)時，鋼筋拔出力Fl與錨固力平衡，則

Fl=πdlτu

(1)

τu=ft/4α

(2)

式中：d為錨固鋼筋的直徑；l為臨界錨固長度；τu為平均黏結(jié)強度；ft為混凝土抗拉強度設(shè)計值；α為錨固鋼筋的外形系數(shù)，光圓鋼筋的α取值為0.16，螺旋肋鋼筋的α取值為0.13。

1.1.2 鎖緊螺桿抗拉承載力計算

(3)

1.2 受剪理論

1.2.1 錨桿受剪分析

Q=υAgσs

(4)

式中：Q為錨桿所受的剪力；υ為預(yù)埋件錨板與混凝土之間的摩擦系數(shù)，計算中取值為0.7；Ag為預(yù)埋件錨桿截面面積；σs為預(yù)埋件錨桿的屈服強度。

1.2.2 螺桿受剪分析

(5)

1.3 槽道內(nèi)T型螺栓抗滑理論

T型螺栓最主要的性能是防滑。一是要求預(yù)埋槽道與配套連接T型螺栓[2]具有齒牙構(gòu)造，確保機械咬合性能，縱向傳遞荷載，防止力點滑移； 二是采用雙碟鎖緊墊片，其獨特墊圈的內(nèi)側(cè)斜齒面傾斜角度大于螺栓螺紋傾斜角度。裝配時內(nèi)側(cè)斜齒面是相對的，墊圈外側(cè)放射狀的凸紋面的摩擦系數(shù)要比內(nèi)側(cè)斜齒面的摩擦系數(shù)大，且與兩端接觸面成咬合狀態(tài)。

T型螺栓為固定螺栓，因此本文中T型螺栓根據(jù)GB/T 3098.1— 2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[3]中型號為M12的8.8級螺栓的參數(shù)要求，其保證拉拔載荷為51 kN，拉力載荷滿足設(shè)計要求。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的設(shè)計

針對電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)用預(yù)埋槽道的國內(nèi)外相關(guān)專利、文獻，本文中對其結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化設(shè)計。

文獻[4]中設(shè)計了一種多孔預(yù)埋槽道，槽道與多根錨桿固定連接，槽道底部設(shè)計多個條形通孔用于安裝T型螺栓，通孔的設(shè)計使T型螺栓安裝在可以調(diào)整位置的基礎(chǔ)上，被安裝的設(shè)備不易移動或掉落，提高了預(yù)埋槽道的強度。文獻[5]中設(shè)計了一種預(yù)埋槽道及波形螺紋錨桿，通過將錨桿表面設(shè)計為螺紋的方法增強了錨桿與混凝土之間的握裹力。文獻[6]中設(shè)計了一種預(yù)埋槽道及頂部截面為蘑菇型的錨桿，錨桿頂部蘑菇型的設(shè)計容易使其插入鋼筋網(wǎng)中，避免了錨桿撐住鋼筋或者鋼筋或錨桿互相受力變形的問題。這些設(shè)計解決了傳統(tǒng)工藝螺栓易脫落的問題，但槽道與錨桿焊接固定，在槽道磨損的情況下不容易更換。

文獻[7]中設(shè)計了一種可拆卸預(yù)埋槽道，槽道背面設(shè)置有通孔，螺栓穿過通孔與錨桿連接，如果槽道發(fā)生銹蝕，可以通過拆卸螺栓更換槽道。文獻[8]中設(shè)計了一種可更換式槽道，結(jié)構(gòu)簡單，方便更換，提高了工作效率。文獻[9]中設(shè)計了一種地鐵用可更換式槽道，槽道與錨桿通過螺栓連接，且錨桿外部設(shè)置了套管，錨桿和槽道均可以進行更換，增加了使用壽命。這些設(shè)計解決了錨桿可更換的問題，節(jié)省了人力、物力，但錨桿都設(shè)置為光滑表面，沒有考慮錨桿與混凝土之間的作用力，錨桿容易被沉重的接觸網(wǎng)裝置拉出。

在目前預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)形式、預(yù)埋槽道的技術(shù)要求和現(xiàn)有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，通過考慮槽道可更換和錨桿抗拔性能[10]，本文中設(shè)計了一種新型可更換預(yù)埋槽道的結(jié)構(gòu)形式，即預(yù)埋錨桿采用單層翼緣螺紋錨桿，如圖1所示。

圖1 單層翼緣螺紋錨桿

更多的翼緣使槽道口周圍混凝土拉應(yīng)力變大。由于混凝土的軸心抗拉強度較低，其損傷大部分都是受拉開裂造成的，因此對于拉應(yīng)力的增大的設(shè)計方案是不合適的，同時多翼緣方案的加工也較為復(fù)雜。綜合考慮各種設(shè)計方案中預(yù)埋槽道及混凝土的力學(xué)特性、預(yù)埋槽道的加工及安裝的復(fù)雜程度，確定單層翼緣錨桿方案作為最優(yōu)化的方案。

基于所選定的方案，提出2套新型可更換預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案。第1套優(yōu)化方案的技術(shù)目標(biāo)是在任何位置的一個錨桿失效情況下，通過連接相鄰備用預(yù)埋錨桿(承載力按30 kN設(shè)計)，可保證預(yù)埋槽道正常工作。第2套優(yōu)化方案的技術(shù)目標(biāo)是在任何位置的一個錨桿失效情況下，失效錨桿相鄰的2個錨桿(承載力按45 kN設(shè)計)承擔(dān)該失效錨桿的荷載，無需備用錨桿即可以達到要求。根據(jù)此目標(biāo)，本文中提出了2種翼緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，分別對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行有限元分析[11]。

在第1套優(yōu)化方案中，選定鎖緊螺桿直徑為12 mm，設(shè)錨桿半徑為R，由螺桿受剪公式(5)可得錨桿半徑R為9.4 mm，故選定預(yù)埋錨桿直徑為20 mm。C50等級的混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa,設(shè)翼緣半徑為r,由公式F=32.4π(r2-12)可得出翼緣半徑r為19.87 mm，因此該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中選定翼緣直徑為38 mm。

在第2套優(yōu)化方案中，選定鎖緊螺桿直徑為14 mm，由螺桿受剪公式(5)可得出錨桿半徑R為11.3 mm，故選定預(yù)埋錨桿直徑為24 mm。同樣，取C50等級的混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa，由公式計算可得出翼緣半徑r為24.2 mm，因此該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中選定翼緣直徑為48 mm。

2套結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有限元結(jié)果與討論

3.1 有限元模型建立

3.1.1 材料選擇

與現(xiàn)有預(yù)埋錨桿不同，模型共包括外部混凝土、預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿、T型螺栓和槽道共5個部分。其中外部混凝土部分采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型進行定義，可以用來模擬混凝土材料的拉裂和壓碎等力學(xué)現(xiàn)象。對于本模型中采用的等級為C50混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)附錄C[12]中定義的混凝土的單軸受壓本構(gòu)關(guān)系，輸入ABAQUS軟件中相應(yīng)的應(yīng)力和塑性應(yīng)變的參數(shù)。對于鋼材部分，采用等向強化準(zhǔn)則和理想雙線性彈塑性模型，預(yù)埋錨桿、鎖緊螺桿屈服強度取為345 MPa，T型螺栓的屈服強度取為640 MPa，槽道屈服強度取為235 MPa。其余相關(guān)參數(shù)取值見表2。

表2 預(yù)埋槽道有限元模型的材料參數(shù)取值

3.1.2 模型建立

采用實體單元建立有限元模型，為了更好地反應(yīng)接觸關(guān)系和材料特性，單元類型均采用8節(jié)點縮減積分單元C3D8R。具體模型如圖2所示。

(a)整體剖面(b)整體網(wǎng)格(c)預(yù)埋錨桿(d)鎖緊螺桿(e)T型螺栓(f)槽道深紅色—混凝土; 白色—槽道; 藍色—T型螺栓; 綠色—預(yù)埋錨桿及鎖緊螺桿。圖2 預(yù)埋槽道有限元模型示意圖

3.2 有限元結(jié)果與討論

優(yōu)選出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1(承載力按30 kN設(shè)計)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2(承載力按45 kN設(shè)計)作為最終方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1、2的縱向剪切、橫向剪切和軸拉仿真結(jié)果分別見圖3、4，2個優(yōu)化方案的縱向剪切、橫向剪切和軸拉的荷載-位移曲線分別見圖5。由圖3、4可以看出，縱向剪切仿真中，荷載施加在垂直于T型螺栓方向且沿著槽道方向，槽道應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在槽道與T型螺栓連接處，最大值分別為215.6、275 MPa； 橫向剪切仿真中，荷載施加在垂直于T型螺栓方向且垂直槽道方向，槽道應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在槽道與T型螺栓連接處，最大值分別為311.4、533.8 MPa； 軸拉仿真中，荷載施加在T型螺栓軸拉方向，槽道應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在T型螺栓上，最大值分別為272.0、420.8 MPa。

(a)槽道整體縱向剪切Mises應(yīng)力云圖

(b)槽道整體橫向剪切Mises應(yīng)力云圖

(c)槽道整體軸向受拉Mises應(yīng)力云圖圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1的數(shù)值仿真結(jié)果

(a)槽道整體縱向剪切Mises應(yīng)力云圖

(b)槽道整體橫向剪切Mises應(yīng)力云圖

(c)槽道整體軸向受拉Mises應(yīng)力云圖圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2的數(shù)值仿真結(jié)果

從圖5中可以看出，縱向剪切和軸拉情況下最大荷載基本還有富余，而橫向剪切情況下已基本達到最大荷載，因此選定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1、2作為最終的方案，保證了一定的翼緣厚度，避免了因翼緣厚度過小而發(fā)生翹曲變形所導(dǎo)致的過大壓應(yīng)力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1中翼緣直徑的選擇保證了剪切和軸拉時混凝土最大拉壓應(yīng)力都在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。總之，翼緣厚度較小時，混凝土應(yīng)力大于等級為C50的混凝土拉、壓應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)限值；翼緣直徑一定時，增加翼緣厚度能夠減小軸拉時混凝土的拉、壓應(yīng)力，而對縱向剪切和橫向剪切影響不大； 翼緣厚度一定時，增大翼緣直徑能減小縱向剪切和橫向剪切情況下的混凝土拉、壓應(yīng)力，而在軸拉時減小混凝土的壓應(yīng)力，但同時增大混凝土的拉應(yīng)力。

4 結(jié)論

1)根據(jù)理論計算和有限元分析，現(xiàn)有的預(yù)埋槽道方案不能滿足相關(guān)技術(shù)要求，且錨桿與槽道固定連接，不方便更換，因此，綜合考慮預(yù)埋槽道及混凝土的力學(xué)特性[10]、預(yù)埋槽道的加工及安裝的復(fù)雜程度，優(yōu)選出最后設(shè)計方案。

2)本文中提出2套新型可更換預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方案，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1、2進行了有限元分析，理論計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果表明，各構(gòu)件均滿足技術(shù)要求。

3)通過有限元結(jié)果對比，并綜合考慮各設(shè)計方案中預(yù)埋槽道及混凝土的力學(xué)特性、預(yù)埋槽道的加工及安裝的復(fù)雜程度，選定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1，其翼緣直徑、厚度分別為38、9 mm，預(yù)埋錨桿直徑為20 mm，總高度為99 mm，鎖緊螺桿規(guī)格為8.8級M12×60，T型螺栓型號為M12； 選定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2，其翼緣直徑、厚度分別為48、10 mm，預(yù)埋錨桿直徑為24 mm，總高度為100 mm，鎖緊螺桿規(guī)格為8.8級M14×60，T型螺栓型號為M14。

(a)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1,橫向剪切(b)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1,縱向剪切(c)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案1,軸拉(d)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2,橫向剪切(e)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2,縱向剪切(f)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2,軸拉圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的荷載-位移曲線