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盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種用于隧道暗挖施工，使隧道一次成形的機(jī)械，在地下開挖中會(huì)遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，刀盤受力復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。刀盤的結(jié)構(gòu)關(guān)系到盾構(gòu)工程的成敗、開挖效率、使用壽命及刀具費(fèi)用。盾構(gòu)的刀盤結(jié)構(gòu)形式與工程地質(zhì)情況有著密切的關(guān)系，不同的地層應(yīng)采用不同的刀盤結(jié)構(gòu)形式，盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)是盾構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。刀盤的結(jié)構(gòu)形式有面板式和輻條式兩種，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)施工條件和土質(zhì)條件等因素決定。泥水盾構(gòu)采用面板式刀盤，土壓平衡盾構(gòu)根據(jù)土質(zhì)條件可采用面板式或輻條式。研究將對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)刀盤整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算，校核結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求。對(duì)于不滿足強(qiáng)度要求的構(gòu)件，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改方案，使其滿足強(qiáng)度要求。
結(jié)構(gòu)尺寸來自設(shè)計(jì)方案圖紙，在結(jié)構(gòu)形式上，該泥水刀盤采用的是面板式箱形結(jié)構(gòu)。面板外徑為11.21m，開挖直徑為11.24m，刀盤本體厚為0.5m。刀盤前后面板為40mm的Q235鋼板，大圓環(huán)鋼板厚度為90mm，小圓環(huán)鋼板厚度為120mm。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用的是分塊制作，現(xiàn)場(chǎng)拼接方式。計(jì)算時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)的分塊，采用整體建模分析。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析最關(guān)鍵的一步是邊界條件的確定，因?yàn)槿绻斎氲倪吔鐥l件不正確，后面的計(jì)算過程與結(jié)果將毫無意義。結(jié)構(gòu)邊界條件的確定需要設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的使用工況進(jìn)行充分了解并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。
采用三維建模軟件Pro/E建立刀盤的三維模型，然后將此模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中進(jìn)行有限元分析。在刀盤有限元建模過程中，對(duì)刀盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，去除刀盤背面板法蘭面上的連接螺栓孔和2個(gè)檢查管路的檢查窗。為了便于施加邊界條件，在法蘭面上連接牛腿的部位增加了一塊厚度為50mm的鋼板用于施加位移邊界條件。完成后的刀盤實(shí)體模型如圖所示，采用程序自動(dòng)控制實(shí)體模型的網(wǎng)格剖分，單元的最大尺寸為100mm，計(jì)算中材料的彈性模量和泊松比分別為：E=2.1xe5MPa，u=0.3。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖所示。
泥水盾構(gòu)刀盤的受載條件和同直徑的土壓平衡盾構(gòu)刀盤相比相對(duì)較好，所承受的推力和轉(zhuǎn)矩較小。計(jì)算擬考慮均質(zhì)地層和軟硬不均地層兩種工況，根據(jù)在相似地層中的掘進(jìn)參數(shù)，均質(zhì)地層情況下刀盤的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1500kN.m，設(shè)備總推力最大為32000kN左右，除去盾體的摩擦力，作用在刀盤上的推力在10000kN左右。不均段刀盤的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為7000kN.m，設(shè)備總推力為40000kN左右，泥水倉(cāng)底部壓力為0.3MPa左右。計(jì)算時(shí)將推力施加到前面板上，在法蘭面的牛腿位置約束結(jié)構(gòu)的軸向和豎向位移。刀盤的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩施加在法蘭面上，在刀盤大圓環(huán)的外表面約束結(jié)構(gòu)的切向位移，約束此處的切向位移對(duì)結(jié)構(gòu)偏于安全。
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