公路隧道钢模台车数值计算与分析*

陈文琛，宋远卓，金 龙，蒋树文

(杭州国电机械设计研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

1 引 言

云南省禄劝县乌东德水电站左岸高线公路隧道设计最大坡度为5．378%，隧洞的衬砌厚度为0．6 m，衬砌断面为三心圆形，设计要求隧洞衬砌混凝土的浇筑段长度为9 m(不含搭接长度)，两端头搭接长度均为0．1 m。

乌东德高线路隧道衬砌采用钢模台车，钢模台车设计成边墙顶拱整体浇筑的自行式台车形式，其同行宽度满足20 t 自卸车双向通行的要求，最下部横梁距离底板砼面净高不低于5．5 m。台车门架的立柱设计为变截面的，即沿高度方向梁高逐渐增大。变截面梁的设计不仅可以适应结构内力变化的需要，而且可以在门架下部预留出足够的空间，满足20 t 自卸车双向通行的要求。

乌东德高线路衬砌钢模台车是大型非标工程机械装备，底板砼面双向通车的要求大大增加了钢模台车设计与分析的难度。因此宽度方向设计为大跨度的变截面梁门架结构形式，钢模台车整体空间结构更为复杂，在施工过程中台车整体的空间受力也更为复杂。但钢模台车变形和应力的大小及分布情况直接决定了台车在重复使用过程中衬砌混凝土的质量，因此对乌东德高线路衬砌钢模台车的数值计算与分析显得至关重要。

2 乌东德高线路钢模台车的整体结构

乌东德高线路钢模台车主要由模板系统、支撑行走系统、顶升系统、电气系统、液压系统等部分组成。

模板系统由顶模和两侧模组成，顶模与侧模之间铰连接。门架底梁上安装有电机、车轮和支撑千斤顶，可在底板钢轨道上自行移动，门架与模板上的连接盒和围檩通过伸缩丝杆和油缸连接，利用油缸进行模板的收支。在门架顶梁上设有平移装置，来保证模板与门架的中心与隧道的中心重合，钢模台车整体结构如图1 所示。

图1 乌东德高线路钢模台车整体结构图

门架作为整个台车衬砌工作时的主要承载部件，门架结构须具有足够的强度和刚度。大多数钢模台车的门架结构采用等截面型钢结构，虽然减少了设计、制造、安装的难度，但存在以下两个主要问题:门架结构的粗放型设计，一定程度上造成材料的浪费;门架立柱之间的空间不大，难以满足车辆双向通行的要求。将门架立柱设计为变截面梁的型式，截面高度由柱脚的450 mm 增加到柱顶的1 100 mm，既满足了门架结构受力合理分配的要求，又将门架的内部空间尽可能增大，满足了20 t 自卸车双向通行的要求。

3 钢模台车整体有限元模型的建立

以乌东德高线路衬砌钢模台车为例，根据钢模台车的结构特点和承载特点，为了使有限元模型更加准确的反映钢模台车的力学特性，在建模的过程中，防倾覆装置、液压系统、脚手架平台等不予考虑［1］。

钢模台车所用材料均为Q235，弹性模量E=2．06×105MPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．85×10－9t/mm3，重力加速度取g=9 800 mm/s2。

模板采用SHELL63 壳单元建模，模板的厚度通过定义实常数数值来实现。门架与模板之间的连接丝杆，门架与顶模架之间的连接螺旋千斤顶都采用LINK8 杆单元，丝杆和千斤顶的直径通过定义实常数值来实现。

顶模架、门架上的横梁、纵梁及斜撑均采用BEAM188 单元。BEAM188 单元为三维线性有限应变梁单元，适用于从细长到中等粗短的梁结构分析，支持弹性模型。BEAM188 单元采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET 等命令可满足钢模台车结构多种型钢截面的定义与修改。模板上的环筋、纵筋都采用BEAM188 单元［2－3］。

为了真实的反映模板与其上的加强筋的连接关系，需要自定义角钢加强筋截面，并且需要对模板的环筋、纵筋进行偏置。需要定义两个截面尺寸来自定义变截面梁，以达到精确数值模拟门架变截面立柱［4］。钢模台车整体有限元模型如图2 所示。

4 约束条件及载荷施加

根据乌东德高线路衬砌钢模台车实际工作情况和ANSYS 软件建模的要求，在门架柱脚处施加X，Y，Z 3 个方向的位移自由度。由于侧模最下面的一根丝杆固定于底板上，所以约束侧模最下面丝杆的X，Y，Z 3 个方向的位移自由度。在最外侧门架顶横梁上选取两点，约束Z 方向的位移自由度。台车约束及载荷条件如图3 所示。

为模拟台车真实载荷状况，全面考虑了混凝土的初凝时间、浇筑时间、甚至外加剂和塌落度对初凝时间的修正以及骨料的“自立性”，混凝土的侧压力计算公式［5］为:

式中:β1为缓凝剂调整系数;β2为塌落度调整系数;t0为混凝土初凝时间;V 为混凝土在高度方向的浇筑速度;γc为钢筋混凝土比重。在钢模台车顶模中间105度中心角范围施加F1=23．142 kN/m2的载荷，模板的其它部位施加F2=31．625 kN/m2的载荷。

图2 乌东德高线路钢模台车整体有限元模型

图3 乌东德高线路钢模台车约束及加载图

5 计算结果及分析

由图4 可得，乌东德高线路衬砌台车的最大变形为2．741 mm，最大变形位于边模端部下侧，最大变形局部放大云图见图5。

图4 乌东德高线路钢模台车整体变形云图

图5 乌东德高线路钢模台车 变形局部放大云图

由图6 可得，乌东德高线路衬砌台车的最大应力为114．168 MPa，最大应力位于边模下侧环筋处的模板，最大应力附近局部放大云图见图7。

图6 乌东德高线路钢模台车整体应力云图

图7 乌东德高线路钢模台车 应力局部放大云图

由计算结果分析如下。

(1)根据相关规范［6］和业主提出的质量要求，数值计算结果显示最大变形为2．741 mm，最大应力114．168 MPa，并且不存在应力集中的问题。钢模台车整体结构设计合理，满足强度和刚度的要求。

(2)顶模架和门架的变形和应力均较小，边模下端部分的变形比较大，其次是顶模与边模的铰接处;而顶模的变形相对较小，可以在钢模台车静力学有限元分析基础上进行结构的优化设计，对提高经济效益、缩短设计周期、优化钢模台车性能具有重要的实际意义。

(3)在施工过程中，边模下端的丝杆支撑必须牢固可靠，避免边模下端变形过大，从而避免砼衬砌时漏浆跑模。

6 结 语

通过建立乌东德高线路钢模台车数值模型，并进行了静力学分析，得到的数值计算结果表明台车整体结构合理，满足强度和刚度的要求。由于该台车结构复杂、受力状况复杂、作业环境特殊，静力学分析结果为变截面梁台车结构的优化设计提供了重要的依据。

［1］ 廖湘辉，章 成，蔡荣生，等． 三峡地下电站上弯段双曲钢模台车有限元分析［J］．机械设计与制造，2010(1):70－72．

［2］ 刘 欢，廖湘辉，丁 明，等． 基于ADAMS 和ANSYS 的梭式皮带布料机下回转支座的研究［J］．机械设计与应用，2012(2):60－62．

［3］ Moaveni S．有限元分析——ANSYS 理论与应用［M］．第3 版．北京:电子工业出版社，2008．

［4］ 张利峰．变截面门式刚架有限元分析［D］．西安:西安理工大学，2006．

［5］ 黄绍新．模板侧压力的计算［J］．建筑工人，2000(12):24－25．

［6］ 中华人民共和国国家标准委员会．钢筋混凝土工程施工及验收规范．CBJ 2004－83［S］．