興隆隧道9 m液壓臺車設計符合性計算研究

崔 守 建

(山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006)

興隆隧道9 m液壓臺車設計符合性計算研究

崔 守 建

(山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006)

以電算為主、手算為輔，對興隆隧道施工用二襯臺車主要構件進行了設計符合性計算研究，并對邊界條件和荷載進行了簡化，根據研究過程得出了一些臺車設計的結論，以供參考。

隧道，結構分析，內力，應力，位移

二襯砌臺車在隧道施工中得到廣泛應用，結構型式在施工中也得到了進一步優化。但是有些施工單位在應用臺車時完全依靠模板加工廠憑借施工經驗進行臺車加工，導致臺車設計不夠合理、臺車笨重或局部強度、剛度不足等問題時有出現。

1 臺車概況

新建鐵路柳州—南寧客運專線興隆隧道用襯砌臺車長度為9 m，模板順臺車長度方向共分6節制作，每節長1.5 m；沿隧道圓弧方向分3塊制作，頂部為半徑R=8.55 m的圓弧拱模，兩側分別為半徑R=5.45 m的圓弧拱模板。臺車面板采用10 mm鋼板，面板背面為順臺車長度方向的截面高度h1=0.16 m，厚度d1=0.01 m，間距L1=0.3 m的鐵板作小肋板；沿弧周方向為截面高度h2=0.28 m，厚度d2=0.012 m，間距L2=1.5 m的鐵板作弧肋板(其中中間5塊弧肋板為雙塊，即按照厚度0.024 m計算)。上立柱為][20a，橫向聯系梁為][28a，縱向底梁為][32b，門架大梁為焊接H1 630×400×18×18型鋼，門架柱為變截面焊接H(2 000～580)×400×18×18型鋼，門架柱見斜撐和橫撐均為[20a，門架柱底縱梁為][40a槽鋼，門架柱外側鏈桿為：兩邊模(側模)的螺桿的尺寸為直徑62 mm,螺距8 mm,螺母長度60 mm；支撐臺車的底部螺桿為直徑92 mm,螺距8 mm,螺母長度90 mm。臺車正面效果圖如圖1所示。

2 設計荷載

1)頂部模板主要考慮混凝土自重荷載：混凝土厚度按0.8 m考慮，重度為24.5 kN/m3，則折算成面荷載為:p1=24.5×0.8=19.6 kN/m2；當采用混凝土地泵澆筑時，泵口沖擊力按p2=47 kN/m2考慮；則總面荷載為:p=p1+p2=19.6+47=66.6 kN/m2。

3 結構特性

從結構力學角度分析，此臺車結構可簡化為門式剛架結構，門架柱支座處按照縱橫向加約束的鉸接考慮，單榀剛架為一次超靜定結構。可以采用結構力學計算器、STS或Midas進行分析計算，為進行臺車整體的屈曲分析，臺車主剛架采用Midas/Civil建模進行分析，面板采用手工和結構力學計算器計算復核。

4 結構分析說明

4.1 主要計算內容

1)面板強度、剛度，背肋強度、剛度；2)臺車整體應力分析，變形分析和穩定分析；3)螺桿受力計算等。

4.2 面板及肋板計算

1)面板計算。面板網格尺寸1.5 m×0.3 m，厚度0.01 m，取單元格進行分析，先分析應力最大邊模根部網格，q=p′×1.5=92.4×1.5=138.6 kN/m，面板跨度為0.3 m。

σ=M/W=1.56/[(1.5×0.012)/6]=62.4MPa<215MPa，強度滿足要求。

撓度f=5×138.6×0.34/[384×2.06×108×(1.5×0.013)/12]=0.000 57m

2)背肋計算。

a.順臺車方向小肋板計算。小肋板按照6×1.5m的6跨連續梁計算，為一個5次超靜定結構，邊模根部(受力最大處)的線荷載為q=0.3×92.4=27.72kN/m，采用結構力學計算器計算分析。

E=2.06×108kPa。

I=0.01×0.163/12=3.41×10-6m4。

W=0.01×0.162/6=4.27×10-5m3。

A=0.01×0.16=0.001 6m2。

EI=702.46kN·m2,EA=329 600kN。

采用結構力學計算器輸入各模型參數。

分析得出彎矩M最大值為6.6kN·m。

所以最大應力為:

σ=M/W=6.6/(4.27×10-5)=154.6MPa<215MPa，強度滿足要求。

按照簡支梁(偏安全)的位移考慮，最大位移為f=5×27.72×1.54/(384×702.46)=0.002 6m

b.圓周方向弧肋板計算。弧肋板取邊模兩][28a槽鋼之間的2.1m弧段單元計算，即l=2.1m，荷載面寬度為1.5m，均按照最大應力p′=92.4kN/m2取值(偏安全)，則:

q=92.4×1.5=138.6kN/m。

σ=M/W=76.4/[(0.024×0.282)/6]=243.6 MPa>215 MPa，強度不滿足要求。所以應將邊模底部往上2 m高度的弧肋板厚度增加到0.018 m，則雙塊厚度為0.036 m。這樣σ=M/W=76.4/[(0.036×0.282)/6]=162 MPa<215 MPa，強度滿足要求；撓度f=5×138.6×2.14/[384×2.06×108×(0.036×0.283)/12]=0.002 59 m

4.3 臺車門架建模

臺車門架為4榀變截面焊接H型鋼柱+等截面焊接H型鋼大梁組成(尺寸在前面已經說明)，門式剛架間距為3 m。為保持整體穩定性，各榀之間設置柱間支撐和柱頂][32b縱梁聯系桿。

計算分析采用Midas/Civil軟件整體建立模型。1)單元劃分說明。門架柱按照變截面單元劃分，利用變截面組功能，保證截面高度連續變化，每個門架柱分為4個單元；每根H型大梁分為4個單元；縱向][32b聯系梁分為6個單元；][28a小橫梁分為2個單元。2)邊界條件說明。一般邊界條件：變截面H型門架柱底采用一般支撐，約束Dx，Dy，Dz方向的平動和Rx，Ry方向的轉動，這就要求采用可靠鏈桿(一端錨入仰拱填充)將門架柱底螺桿頂住，限制X方向的位移。3)荷載條件。通過以上面板和肋板的計算分析可得知，施加在][28a小橫梁上的線荷載q1=66.6×1.5=99.9 kN/m。施加在中間2根門架柱上的倒三角線荷載最大為:q2=92.4×3=277.2 kN/m；兩端門架柱上的倒三角線荷載最大為q3=92.4×1.5=138.6 kN/m。

4.4 臺車模型內力分析

1)荷載增加后，對計算模型進行運行分析，可得門架柱底反力Y方向最大豎向反力為Fmax=771.2 kN，X方向最大反力為Fmax=213.6 kN。2)對計算模型進行結構位移分析可得最大位移僅為6 mm，滿足隧道相關規范對二襯臺車模板變形的要求。3)對計算模型進行結構內力分析可得門架大梁最大內力為1 166 kN·m。4)對計算模型進行結構應力分析可得結構最大應力為182.6 MPa<215 MPa，滿足強度要求。最大應力出現在中間縱向聯系梁上。因此，可以設置4根縱向聯系梁，以增大安全系數。5)對計算模型進行屈曲分析可得此體系結構的安全穩定系數為7.42>6，滿足施工相關規定要求。6)對計算模型頂部橫梁細部應力分析可得其縱、橫向梁單元應力滿足施工相關要求。7)對計算模型門架柱細部應力分析可得其應力滿足施工相關要求。從上述分析可得知：臺車系統各構件的應力和整體穩定能滿足要求。

4.5 臺車系統螺桿計算分析

1)臺車底部千斤頂支撐螺桿分析。

臺車底部千斤頂支撐，每個門架柱底設置一個千斤頂。支撐臺車的底部螺桿直徑92 mm,螺距8 mm,螺母長度90 mm。

根據以上分析得出的反力最大為771.2 kN，所以根據螺桿彎曲強度公式：

抗剪計算如下：

所以底部螺栓抗彎和抗剪強度能滿足要求。

2)臺車側面千斤頂支撐螺桿分析。

兩邊模(側模)的螺桿的尺寸為直徑62 mm,螺距8 mm,螺母長度60 mm；兩邊模底部千斤頂螺桿受力最大，最大為213.6 kN。

所以根據螺桿彎曲強度公式：

抗剪計算如下：

所以水平千斤頂側部螺栓抗彎和抗剪強度能滿足要求。

4.6 構件加勁肋計算

1)門架大梁橫向加勁肋。

a.翼緣板。

由于門架大梁截面高度h=1.63 m，b=0.4 m，tw=0.018 m,t=0.018 m。

所以翼緣板自由邊：

受壓翼緣局部穩定滿足要求。

b.腹板。

通過以上Midas軟件的細部應力分析得出，H型大梁腹板兩側成對配置間距為0.5h0=0.8 m，外伸寬度為h0/30+40=0.1 m的橫向加勁肋。

2)門架柱及其他構件加勁肋。

按照構造要求，門架柱在柱間支撐和底縱梁處設置外伸寬度0.2 m的支撐加勁肋。

頂][32b槽鋼縱梁局部受壓處和小立柱對應位置處的][28a橫梁處均設置外伸寬度0.07 m對稱布置的局部受壓支撐加勁肋。

5 結論及建議

按照上述分析結果，此臺車系統整體強度、剛度和穩定性能滿足施工要求，可承受襯砌厚度為0.8 m的混凝土施工荷載及振搗荷載等。但有如下建議：

1)應將兩邊模底部往上至少2 m高度的弧肋板厚度增加到0.018 m，則中間節雙塊厚度為0.036 m。2)H型大梁腹板兩側成對配置間距為0.8 m，外伸寬度為0.1 m的橫向加勁肋(10 mm厚的鐵板)；門架柱在柱間支撐和底縱梁處設置外伸寬度0.2 m的支撐加勁肋(0.01 m厚的鐵板)；頂][32b槽鋼縱梁局部受壓處和小立柱對應位置處的][28a橫梁處均設置外伸寬度0.07 m 對稱布置的局部受壓支撐加勁(0.01 m厚的鐵板)。3)施工拱墻時應注意混凝土對稱澆筑，保持臺車系統受力對稱。4)臺車門架柱底部(及沿底部縱梁方向)應采用可靠支撐抵消混凝土澆筑時邊模對門架柱的側壓力，可采用地錨固。5)混凝土澆筑速度應控制在6 m/h以內。

[1] 劉志剛.興隆隧道施工圖[Z].成都：中鐵二院工程集團有限責任公司，2010.

[2] 魏明鐘.鋼結構[M].武漢：武漢理工大學出版社，2002.

[3] GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[4] 周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5] 包世華.結構力學[M].武漢：武漢工業大學出版社，2000.

Research on compliance calculation of 9-meter hydraulicjumbo at Xinglong Tunnel

CUI Shou-jian

(Shanxi First Road and Bridge Engineering Co., Ltd, Taiyuan 030006, China)

Relying on the electronic calculation in majority and with the assistance of manual calculation, the paper undertakes the design compliance calculation study of the main components of the second layer jumbo, simplifies the boundary conditions and loading, and achieves some concludes for the jumbo design according to the research process, so as to provide some reference.

tunnel, structural analysis, internal force, stress, displacement

1009-6825(2014)36-0159-03

2014-10-20

崔守建(1971- )，男，工程師

U455.3

A