邊墻模板臺(tái)車(chē)灌注工況分析

馬艷芳 檀麗麗 徐越群

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

邊墻模板臺(tái)車(chē)灌注工況分析

馬艷芳 檀麗麗 徐越群

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

邊墻模板臺(tái)車(chē)是在鋼模板的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)支架體系，使支架體系形成整體，然后通過(guò)可調(diào)液壓油缸使鋼模板和支架體系相連，并加入行走裝置，形成一種自行式的模板臺(tái)車(chē)。臺(tái)車(chē)的外輪廓與地鐵邊墻理論內(nèi)輪廓面一致，通過(guò)封堵模板開(kāi)挖面端部的開(kāi)挖面，使模板與邊墻形成封閉的環(huán)形倉(cāng)，之后灌注混凝土完成邊墻的襯砌。由于灌注過(guò)程中臺(tái)車(chē)受到灌注混凝土浮力的作用，因此不可能一次灌注全部完成，需要對(duì)灌注劃分工況逐一分析。

模板臺(tái)車(chē) 載荷 灌注 工況

1 引言

模板臺(tái)車(chē)在使用中能否保持穩(wěn)定性是關(guān)系到襯砌質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)也只有在模板臺(tái)車(chē)保持穩(wěn)定性的前提下，計(jì)算得出的臺(tái)車(chē)各部分的變形及應(yīng)力等結(jié)果數(shù)據(jù)才是真實(shí)可靠的，所以分析模板臺(tái)車(chē)的首要工作就是分析其穩(wěn)定性，模板臺(tái)車(chē)載荷工況的劃分也是在分析模板臺(tái)車(chē)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

分析模板臺(tái)車(chē)穩(wěn)定性的方法是將混凝土由模板底部逐漸往上灌注，每灌注一定高度對(duì)臺(tái)車(chē)模型進(jìn)行一次計(jì)算，得出每一灌注高度下的各對(duì)地支撐點(diǎn)的約束反力，用上述的判斷模板臺(tái)車(chē)穩(wěn)定性的條件來(lái)判斷臺(tái)車(chē)是否穩(wěn)定，逐步計(jì)算出這一載荷階段的最大允許連續(xù)灌注高度，將這一灌注高度范圍劃分為一種載荷工況。下一工況則是將這一工況的最大允許灌注高度作為起始點(diǎn)繼續(xù)灌注，從而計(jì)算出每個(gè)工況的最大允許灌注高度。

2 邊墻模板臺(tái)車(chē)有限元模型的建立

邊墻式模板臺(tái)車(chē)的結(jié)構(gòu)主要包括兩種類型的基本結(jié)構(gòu)：車(chē)架結(jié)構(gòu)和模板結(jié)構(gòu)。

車(chē)架結(jié)構(gòu)為空間桿系模型，所有桿件均采用梁桿單元。其中車(chē)架立柱、車(chē)架橫梁、門(mén)架內(nèi)外側(cè)縱梁、車(chē)架斜撐、車(chē)架斜拉角鋼、立柱縱拉槽鋼等桿件之間的聯(lián)接均為鋼接形式，所以這些桿件均采用了三維彈性梁?jiǎn)卧狟eam4；縱梁千斤頂與門(mén)架的連接，水平油缸、斜撐油缸、模板千斤頂與模板縱拉槽鋼之間的連接均為鉸接形式，所以它們采用空間桿單元link8。

模板結(jié)構(gòu)又為殼模型和梁模型。對(duì)于模板面板采用Shell63殼單元，模板加強(qiáng)筋角鋼和模板法蘭均采用了Beam189梁?jiǎn)卧榱舜_保加強(qiáng)筋與面板的有效連接，在幾何建模的過(guò)程中要注意將面板以加強(qiáng)筋的線為邊，然后分為若干小幾何面，由于法蘭與模板縱拉槽鋼之間為剛接，所以模板縱拉槽鋼采用三維彈性梁?jiǎn)卧狟eam4。邊墻模板臺(tái)車(chē)的有限元模型如圖1所示。

圖1 邊墻模板臺(tái)車(chē)有限元模型示意圖

3 邊界約束的處理

在有限元計(jì)算中，對(duì)邊界約束與載荷處理是很重要的一環(huán)。

本文采用了以下幾種邊界條件的處理方式：

（1）車(chē)架縱梁千斤頂與縱梁底部的接觸實(shí)際施工中，模板臺(tái)車(chē)沿軌道移動(dòng)就位后，由施工人員支撐車(chē)架縱梁千斤頂。由于縱梁千斤頂與門(mén)架縱梁、鋼軌之間沒(méi)有固定的連接，所以認(rèn)為縱梁千斤頂對(duì)門(mén)架縱梁只有高度方向的支撐力，故只約束高度方向位移自由度UY是合理的。

（2）車(chē)輪與鋼軌接觸處的約束模板臺(tái)車(chē)工作時(shí)，臺(tái)車(chē)的車(chē)輪與鋼軌始終保持接觸，因此將車(chē)輪連接板與車(chē)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成為門(mén)架立柱的底端，約束X，Y兩向位移自由度UX、UY，并根據(jù)模型計(jì)算需要約束一端車(chē)輪的Z方向位移自由度UZ。

（3）模板千斤頂與錨固點(diǎn)的接觸

圖2 邊墻模板臺(tái)車(chē)有限元模型邊界約束示意圖

在有限元模型中模板千斤頂與錨固點(diǎn)的接觸，應(yīng)處理為約束千斤頂?shù)锥说腦，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ。邊界約束情況如圖2所示。

4 載荷的施加

在灌注混凝土?xí)r，模板臺(tái)車(chē)計(jì)算載荷時(shí)要考慮臺(tái)車(chē)的自重和工作時(shí)受到混凝土的壓力。模板臺(tái)車(chē)在工作時(shí)受到混凝土壓力由混凝土流體靜壓力、震搗力、混凝土入倉(cāng)產(chǎn)生的沖擊力組合而成，與混凝土流體靜壓力相比入倉(cāng)沖擊力影響很小，可忽略。因此，混凝土對(duì)臺(tái)車(chē)模板施加的作用力，可按如下方法計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中?為鋼筋混凝土比重，γ=1.8～2.45，此處取2.2， h為混凝土灌注高度，α′為考慮混凝土初凝的折減系數(shù)，此處取α′=0.35。

5 邊墻模板臺(tái)車(chē)灌注工況的劃分

5.1 第一工況的最大灌注高度

表1是計(jì)算出的澆注上層邊墻時(shí)模板臺(tái)車(chē)的第一工況各支撐點(diǎn)約束反力的部分?jǐn)?shù)據(jù)。從中可以看出，混凝土由底部灌注到2.0 m、2.2 m、2.3 m時(shí)，臺(tái)車(chē)都能保持穩(wěn)定；內(nèi)側(cè)縱梁與外側(cè)縱梁各支撐點(diǎn)的約束反力Fy＞0，同時(shí)車(chē)輪鋼軌的橫向力Fx也小于枕木與地面的最大靜摩擦力μFy，但當(dāng)澆注到2.3 m時(shí)模板的最大變形量將超過(guò)3 mm，變形量較大影響混凝土面的平整度。因此第一工況比較合適的灌注高度為2.15 m，灌注高度范圍為－0.15～2.0 m。

5.2 第二工況的最大灌注高度

?

?

表2是計(jì)算出的澆注上層邊墻時(shí)模板臺(tái)車(chē)的第二工況各支撐點(diǎn)約束反力的部分?jǐn)?shù)據(jù)。從中可以看出，混凝土由2.0 m灌注到3.5m高度時(shí)，臺(tái)車(chē)都能保持穩(wěn)定；內(nèi)側(cè)縱梁與外側(cè)縱梁各支撐點(diǎn)的約束反力Fy＞0，同時(shí)車(chē)輪鋼軌的橫向力Fx也小于枕木與地面的最大靜摩擦力μFy，而且模板的變形量也不大，因此第二工況的最大連續(xù)灌注高度為1.5 m，灌注高度范圍為2.0～3.5 m。

6 邊墻模板臺(tái)車(chē)在各載荷工況下的變形及應(yīng)力

6.1 邊墻模板臺(tái)車(chē)工況一的變形及應(yīng)力，見(jiàn)圖3

通過(guò)計(jì)算，模板變形表現(xiàn)為門(mén)架立柱之間下端模板部分向里凹，模板兩端比中間要大一些，最大變形量為2.251 mm；門(mén)架的變形表現(xiàn)為立柱下端和立柱斜拉角鋼向里彎曲，橫梁、斜撐和縱拉槽鋼中間部分被下凹，最大變形量為0.455 mm。從得到的數(shù)值看邊墻模板臺(tái)車(chē)工況一總體變形不大。

邊墻模板臺(tái)車(chē)各部位工況一的應(yīng)力分布情況為：模板及其角鋼、法蘭的應(yīng)力主要分布在下部；門(mén)架的應(yīng)力主要分布在立柱、橫梁和斜撐上，內(nèi)側(cè)與外側(cè)縱梁的應(yīng)力很小，橫梁的應(yīng)力主要分布在斜撐點(diǎn)和橫梁端點(diǎn)之間，立柱的應(yīng)力主要分布在中上部到立柱的下端點(diǎn)之間，千斤頂?shù)膽?yīng)力主要分布底部立柱斜千斤頂和中部模板水平千斤頂上。

模板的最大應(yīng)力為20.1 MPa；門(mén)架的最大應(yīng)力為25.4 MPa；模板角鋼、法蘭的最大應(yīng)力為87.2MPa；千斤頂?shù)淖畲髴?yīng)力為8.18 MPa。從得到的數(shù)值看，邊墻模板臺(tái)車(chē)工況一各部位的應(yīng)力都小于鋼材Q235的許用應(yīng)力150 MPa，邊墻模板臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足安全工作條件。

圖3 邊墻模板臺(tái)車(chē)工況一總體變形圖

6.2 邊墻模板臺(tái)車(chē)工況二的變形及應(yīng)力，見(jiàn)圖4

通過(guò)計(jì)算，工況二模板變形表現(xiàn)為門(mén)架立柱之間中上部模板部分向里凹，模板兩端比中間要大一些，最大變形量為2.209 mm；門(mén)架的變形表現(xiàn)為立柱中上部和立柱斜拉角鋼向里彎曲,橫梁、斜撐和縱拉槽鋼中間部分向下凹，最大變形量為0.498 mm。從得到的數(shù)值看邊墻模板臺(tái)車(chē)工況二總體變形不大。

邊墻模板臺(tái)車(chē)各部位工況二的應(yīng)力分布情況為：模板及其角鋼、法蘭的應(yīng)力主要分布在中上部；門(mén)架的應(yīng)力主要分布在立柱和斜撐上，內(nèi)側(cè)與外側(cè)縱梁的應(yīng)力很小，橫梁的應(yīng)力主要分布在斜撐點(diǎn)和橫梁端點(diǎn)之間，立柱的應(yīng)力主要分布在斜撐點(diǎn)到立柱中上部之間，千斤頂?shù)膽?yīng)力主要分布在上部模板斜千斤頂、水平千斤頂和下部立柱斜千斤頂上。

圖4 邊墻模板臺(tái)車(chē)工況二總體變形圖

模板的最大應(yīng)力為14.1 MPa；門(mén)架的最大應(yīng)力為28.3 MPa；模板角鋼、法蘭的最大應(yīng)力為68.4 MPa；千斤頂?shù)淖畲髴?yīng)力為9.56 MPa。從得到的數(shù)值看，邊墻模板臺(tái)車(chē)工況二各部位的應(yīng)力都小于鋼材Q235的許用應(yīng)力150 MPa，邊墻模板臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足安全工作條件。

7 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，建立了邊墻模板臺(tái)車(chē)的有限元模型并且添加了相應(yīng)的約束；根據(jù)臺(tái)車(chē)所受浮力及橫向壓力情況對(duì)臺(tái)車(chē)劃分了工況，通過(guò)多次計(jì)算各支撐點(diǎn)的約束反力，確定了每種工況下最大允許灌注高度，并校核了各工況下的變形與應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算可知最大的變形量始終控制在3.0 mm以內(nèi)，臺(tái)車(chē)各部位的應(yīng)力分布也較為合理，均在規(guī)定范圍內(nèi)。

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Analysis of Pouring Conditions of Sidewall Formwork Trolley

MA Yan-fang TAN Li-li XU Yue-qun
(Shi jiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

Sidewall formwork trolley is built on the basis of a steel template by adapting the stent system to an integrated one and then connecting it with the adjustable hydraulic cylinders and the walking device. The external profile of the trolley has to be consistent with the internal profile of the subway sidewall. First, a closed circular silo is formed between the formwork and the outer sidewalk, and then the side wall lining is completed through concrete pouring. Because of the buoyancy effect in the process concrete pouring, it is not possible to complete the pouring at one time. Different pouring conditions need to be analyzed respectively.

formwork trolley load pouring conditions

A

1673-1816(2014)04-0042-05

2014-10-11

馬艷芳（1982-），女，河北蠡縣人，講師，研究方向領(lǐng)域?yàn)楣こ虣C(jī)械與CAD。

注：此論文與課題《地鐵車(chē)站邊墻澆注模板臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)分析研究與應(yīng)用》有關(guān)，課題為河北省教育廳青年基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為Q2012018。