斜井整体液压台车受力分析与安全验算

徐纯治

(中铁十八局集团第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

整体液压台车是隧道衬砌施工使用的一种专用非标施工设备，在隧道工程中被广泛应用。平洞台车结构常根据«建筑施工模板安全技术规范»[1]进行受力分析，验算结构强度和刚度。传统计算及评估繁琐，利用计算机建模与有限元法相结合对台车整体结构进行静力学分析，可得到更加准确的计算结果[2－4]。斜井用台车受力不同于平洞:一是台车在移动和混凝土浇筑过程中存在较大下滑分力；二是台车模板、支撑和门架等构件除承受垂直作用于构件的轴向力外，构件因有倾角还存在剪应力。针对这种台车结构受力计算技术资料较少，参考资料也较少。为计算斜井台车工作的可靠性和稳定性，利用Autodesk Inventor Professional软件建模，对混凝土浇筑不同工况受力进行模拟分析，得到最不利工况下台车结构的受力和变形，对结构设计和确保施工安全有重要意义。

2 工程背景与台车结构

2.1 工程概述

某斜井长1 227 m，倾角－17.63°，坡比－31.8%。衬砌断面为城门洞型，宽×高＝6.5×6.0 m，Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌分别为60 cm、70 cm厚的C30钢筋混凝土。

2.2 台车结构及系统参数

2.2.1 台车结构

整体液压台车由齿形轨道和锚固体系、步履油缸行走系统、门架、钢模板总成、液压系统、支撑系统及平移机构等组成，见图1。台车长度为10.5 m，自重为70 t。

图1 台车结构断面(单位:mm)

2.2.2 台车各系统主要参数

(1)模板总成:由顶模和侧模组成。顶模为R＝3 773 mm的圆弧拱模，侧模为弧长2 963 mm拱模＋长3 779 mm直墙模板，顶模与侧模间设铰销连接。模板规格见表1。

表1 台车顶模与边模规格

续表1

(2)支撑系统:由托架、门架支撑千斤、侧向千斤和液压油缸组成。托架主要承受上部混凝土重量及模板自重，其上承模板、下连门架。门架支撑千斤采用ϕ80 mm螺杆＋ϕ121×10钢管按2.475 m间距均匀布置在门架纵梁下。在工作工况下，螺杆撑在轨道上，承受台车、混凝土重量和施工荷载。侧向千斤采用ϕ60 mm螺杆＋ϕ89×7无缝钢管结构，共设置5排，前4排设在边墙模板与门架之间，第5排作为底横梁斜撑。

(3)液压系统:台车门架两端设置4个竖向液压油缸以升降台车，行程200 mm；侧向液压油缸支撑模板和脱模，行程300 mm；顶模托架与门架设置平移油缸，沿隧道中心左右均可调整150 mm。

液压系统和支撑系统缺一不可，脱模和模板微调靠液压系统，调整到位后利用丝杠锁死，此时台车自重由支撑系统承担，并承担后续混凝土自重和侧压力。

(4)门架:门架是台车主要承载构件，由横梁、立柱、纵梁通过螺栓连接而成。横梁及立柱间通过连接梁及斜拉杆连接，见图2。梁柱材质为A3钢板，厚14 mm。横梁为H型钢:高×宽＝700×324 mm；纵梁为矩形:高×宽＝600×400 mm；立柱为变截面结构，H＝400～750 mm型钢；门架斜撑和横撑均采用 18型钢。

图2 台车门架总成(单位:mm)

3 台车材料参数与工作原理及检算

3.1 材料主要参数

(1)钢材物理性能指标:弹性模量E＝2.06×105N/mm2；质量密度ρ＝7 850 kg/m3。

钢材强度设计值:许用正应力[σ]＝215 MPa；许用弯曲应力[σw]＝215 MPa；许用剪应力[τ]＝125 MPa。

(2)容许挠度:钢模板板面[δ]≤1 mm，L1/400；模板主肋[δ]≤1.5 mm，L2/500；背楞[δ]≤1.5 mm，L3/1 000。

(3)混凝土容重λC＝2.45 t/m3，允许混凝土浇筑速度(高度)V≤1.2 m/h，混凝土初凝时间3 h。

3.2 台车工作原理及检算

(1)台车工作原理

台车未浇筑混凝土时，台车侧模和顶模重量通过托架传递至门架，再通过门架传递到防滑支座和顶升油缸支座，最终由轨道布设的ϕ32精轧螺纹钢锚固筋抗剪受力提供约束。

浇筑混凝土时，模板承受混凝土重力、混凝土侧压力、灌注冲击力和振捣力等[5－7]，由模板传递到背楞，再由托架、支撑作用于门架，最终作用于轨道的ϕ32精轧螺纹钢和门架底部约束支撑。

(2)结构特征及检算内容

根据斜井台车工作原理，门架支座处按照纵横向约束的铰接节点考虑，单榀钢架为超静定结构[8]。按梁单元建立二维计算模型，假定门架为各方向受约束的固定支座，梁柱之间为刚性连接。

根据台车结构受力特征进行以下计算分析:①面板强度、刚度，背楞强度、刚度；②支撑受力分析；③台车整体应力分析、变形分析和稳定分析；④轨道ϕ32精轧螺纹钢受力分析。

4 台车受力分析

4.1 模板系统受力分析

4.1.1 拱部模板受力分析

浇筑拱部混凝土时，作用于模板的是恒载和施工动荷载。其中恒载为混凝土自重，动荷载为混凝土振捣振动、泵送压力和冲击力等，顶模受力如图3所示。

图3 顶模受力简图

(1)混凝土自重

按最大衬砌厚度0.7 m考虑，门架承受顶部混凝土自重P1＝10.5×5.4×2.45×0.7×1.2＝117 t。其中，1.2为混凝土超方系数。

(2)混凝土侧压力

新浇筑的混凝土作用于模板的最大侧压力按下列公式计算，并应取其中的较小值。

式中:F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力，t/m2；λC为混凝土容重，t/m3；t0为新浇混凝土初凝时间，h；V为混凝土浇筑高度(厚度)与浇筑时间的比值(浇筑速度)，m/h；H为混凝土侧压力计算位罝至新浇筑混凝土顶面的总高度，m。β为混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度在50～90 mm时，β取0.85；坍落度在100～130 mm时，β取0.9；坍落度在140～180 mm时，β取1.0。

台车浇筑完成，混凝土假定未达到初凝状态，则H＝10.5×sin 17.63°＝3.28 m；拱部浇筑速度V值取1.0 m/h。代入式(1)、式(2)计算F值，取小值3.16 t/m2。则台车拱部下游受侧压力最大，上游为 0；假定为均值，则P2＝118 t。

(3)荷载组合

荷载组合为[9]:恒载×1.2＋活载×1.4。

计算得:P＝283 t。

4.1.2 侧模受力分析

浇筑下部混凝土时，其对模板的侧压按流体静压力计算[10]。底模通过侧向支撑千斤与门架下纵梁连接，下纵梁设置斜支撑千斤支撑于地面上施加约束力。假定混凝土生产运输为恒定值不考虑人为因素，正洞浇筑速度V为定值，但斜井浇筑速度是与坡度有关的不定值，如图4所示，开始时最大，中间较小。混凝土浇筑一定高度H后，先浇筑部分已初凝不再计入施加于模板的流体静压力，仅计算新浇混凝土对模板的侧压。

图4 混凝土浇筑速度示意

浇筑完成，假定混凝土未达到初凝，则:H＝6.02×cos17.63°＋0.7＋10.5×tan17.63°＝9.67 m；V取1.2 m/h。代入式(1)、式(2)计算F值，取小值3.31 t/m2。

已知台车长度10.5 m，边模高4.029 m，则边模板水平载荷为10.5×4.029×3.31＝140 t。

4.2 门架边界条件及受力分析

模板全部载荷通过支撑油缸及千斤最终作用在门架上，因此门架是台车的关键受力部件。该台车采用多榀门架，按单榀门架作为单元进行有限元分析[11－12]。

4.2.1 边界约束处理

(1)台车约束

台车在混凝土浇筑过程中位移约束有:①前后支撑；②行走油缸支座和防滑支座；③纵梁支撑千斤；④门架立柱撑地千斤；⑤ϕ32锚固筋对钢轨的约束。

(2)边界条件

混凝土浇筑过程中，前后支撑与门架、钢轨之间为固定连接，4个点全部约束。行走油缸支座和防滑支座与钢轨固定连接，可简化为门架立柱的底端约束X、Y两向移动自由度UX、UY。车轮、纵梁千斤与钢轨未固定连接，对门架纵梁只有竖向的支撑力，约束高度方向位移自由度UY。门架撑地千斤只约束Z向位移自由度。

4.2.2 门架受力分析

门架是主要承重件，强度校核以浇筑时的最大载荷为最不利工况，该工况下又分为两种工况:

(1)工况一:边模浇筑完成时

在此工况下，由于混凝土还没有浇筑到台车顶模处，门架承受模板和托架自重以及边模侧压力。

①模板和托架自重为45 t。

由3榀门架承担，单榀为15 t；每榀门架通过3个受力点作用于门架横梁上，则单点受力5 t。

②混凝土对边模的侧压力为140 t。

水平载荷由30个侧向支承承担，而中间3组千斤承受的力是两边承受力的2倍，因此中间3组受力最大，每组46.25 t。

假设每组载荷由3个千斤均担，则每个受力点的轴向载荷为15.4 t。

(2)工况二:顶模浇筑完成时

该工况是指台车在浇筑顶模时，边模混凝土已初凝，门架主要承受自重和顶部混凝土压力。

①模板和托架自重为45 t。

②混凝土对顶模压力为283 t。

单榀门架承受的最大载荷为82 t，每榀门架又通过2个受力点作用于门架横梁，则单点受力为41 t。

5 计算结果分析

5.1 面板及肋板受力验算

(1)实体建模

依实际尺寸且型材负差按实量扣减，用Autodesk Inventor Professional对顶模进行三维实体建模，材料全部采用 Q235B。

(2)分析计算

采用Autodesk Inventor Professional自带的ANSYS模块，设顶模14个连接盒为固定约束，并对顶模实体加载，载荷为P，利用ANSYS模块的自动分析功能求解，见图5。

图5 顶模计算结果

顶模位移、应力均满足使用要求，完全能保证混凝土表面质量，台车使用安全。

5.2 台车门架验算

采用软件Autodesk Inventor Professional自带的ANSYS模块划分网格。工况一，门架立柱下表面为固定约束，共2处；工况二，门架立柱下表面和侧模千斤受力点为固定约束，共8处。力加载至门架相应位置处。利用 ANSYS程序自动求解，结构安全系数为1.5。

(1)工况一计算结果

单榀门架受力模型如图6所示，分析结果数据见表2。

图6 工况一受力模型

表2 工况一分析结果

(2)工况二计算结果

单榀门架受力模型如图7所示，分析结果见表3。

图7 工况二受力模型

表3 工况二分析结果

通过计算可知，在两种工况下，门架的位移、应力、安全系数均满足设计要求。

5.3 轨道锚固筋受力验算

单节轨道1.5 m间隔500 mm布置3根JL785ϕ32精轧螺纹锚固钢筋，σs＝785 MPa，[σ] ＝523 MPa，[τ] ＝302 MPa，A＝804.2 mm2。

台车自重70 t，混凝土重283 t，总重353 t。则浇筑时台车下滑力为110 t；单侧轨道承受55 t。

最末一节轨道由3根锚固钢筋承担(忽略上部轨道锚筋的分担作用)。

因此，单根锚固筋承受的最大剪力为18.33 t。τ＝F/A＝223 MPa<[τ]＝302 MPa。所以，ϕ32精轧螺纹钢筋强度满足最不利工况要求。

6 结论

本文对斜井台车结构特征和受力进行分析，结果表明台车模板、门架和轨道锚固受力满足强度和刚度要求。建模计算遵循“主要杆件细化建模、次要件等效加载”原则，不需对个别杆件和单元模拟单独做细部建模分析，即可保证台车的安全。但由于台车处于特定环境条件下，其受力又有其特殊性，需进一步对特殊杆件进行受力检算，确保台车结构设计合理，满足安全施工需要。