基于有限离散元方法的钢筋线性切割失效机理与切割效率研究

《Scientific Reports》：Study on the failure mechanism and cutting efficiency of rebar in linear cutting based on the finite-discrete element method

　　

摘要

刀具参数设计对于盾构机成功切割大直径钢筋混凝土建筑桩基至关重要。然而，盾构机切割钢筋的机理尚不明确。基于武汉地铁 12 号线盾构切桩工程，建立了钢筋切割的有限离散元法（FDEM）数值模型。分析了不同刀具角度（a）下直线切割时的切削力、钢筋破坏及钢筋应力演化。通过计算切割面积和切割功，获得了切割比能与a之间的关系。结果表明，最大峰值切削力随a的增加而增加，最大主应力和剪应力集中在刀具附近的钢筋中。随着a的增加，切割面粗糙度和切割功均增加，拉伸和剪切裂缝的数量也随之增加。然而，切割比能随a的增加先减小后增大，当a为 -10°时，其值最低，切割效率最高。仿真结果表明，a为 -10°可有效提高盾构机性能，工程案例也从定性上支持了这一结论。