大型頂拱液壓鋼模臺車的設計

中國水利水電第五工程局有限公司第一水工機械廠 四川廣元 628003

1 工程概況

本工程主體工程為泄洪洞，洞身為無壓隧洞，由上平段和龍落尾段組成，洞身斷面為城門洞形。上平段底坡為0.015，襯砌后斷面尺寸為15m×18m(寬×高)，直墻高14m，成拱半徑R1為9.035m，混凝土襯砌厚度為1200～2500mm。隧洞按照先澆筑邊墻、再頂拱后底板的施工順序分三次澆筑，邊墻為低塌落度混凝土，采用邊墻鋼模臺車立模板，頂拱為泵送混凝土，采用頂拱臺車立模，底板采用其他模板立模。頂拱臺車設計按最大澆筑厚度2.5m，一個工作循環的襯砌長度為12m計[1]。

2 設計思路

根據隧道斷面圖和工程概況可知，設計的臺車模板總長為12.1m，頂側模半徑9.035m，鋼模臺車自起拱線以上受到臺車頂部模板自重和頂部混凝土重力影響，起拱線以下受下部混凝土浮力影響。臺車在進行襯砌時，上下豎向千斤、模板千斤必須支撐牢固，且軌道中心線與隧道中心線的不重合度不大于2cm。

根據以上特點，提出以下設計思路：

（1）設計臺車的模板部分，作為最直接的載荷承載和傳力構件，應首先選用較大的截面和基本的板面厚度，其支撐構件及其與面板組合而成的截面，應具有較大富余量的截面模量。

（2）作為傳力機構的門架、上縱梁、下縱梁和托架部分，同樣除了應保證板材的基本厚度和較大安全系數的截面和截面模數外，還應充分考慮其桁架結構的穩定性和可靠性。

（3）因臺車自重及混凝土重量因素，如何準確可靠地將這些何在傳遞到基礎面是該部臺車設計的一個關鍵。應力求使我們的臺車在使用過程中各基礎構件盡可能承受單一載荷，少承受復核載荷。

（4）頂拱臺車脫模，擬采用3級共24支油缸的液壓裝置按先脫側向搭接段模后托角模再脫頂模的方式交替完成，臺車立模，則操作順序相反。平移機構擬采用4支油缸完成對臺車軸線與隧道軸線位置調整。

3 設計方案

臺車由模板總成、托架總成、平移機構、門架總成、主從行走機構、側向液壓油缸、側向支承千斤、托架支承千斤、門架支承千斤等組成。

模板總成設計成兩塊頂模、兩塊拐角模構成橫斷面，頂模與頂模之間通過螺栓聯成整體，頂模與拐角模通過鉸耳軸聯接。每節模板做成1.5米寬，環向由6節組合而成，縱向由8節組合成12米襯砌長度，模板面板厚為12mm。由于模板頂部受力較大，為保證模板的強度及局部不致變形，在頂模1.5米寬的模板中部增加了弧形拱板[2]。

托架主要承受澆筑時上部混凝土及模板的自重，它上承模板，下部通過液壓油缸和支承千斤傳力于門架。托架由δ=14鋼板組焊的箱型梁托梁、中間梁為鋼板焊接的“工”形截面，邊橫梁及多根中橫梁用20#工字鋼制成，立柱用20#工字鋼制成。

門架是整個臺車的主要承重構件，它由橫梁、立柱及縱梁通過螺栓聯接而成，各橫梁及立柱間通過聯接梁及斜拉桿聯接。整個門架保證有足夠的強度，剛度和穩定性。臺車的主要結構件由鋼板焊接。門架橫梁及立柱由鋼板焊接成工字形截面；縱梁采用箱形截面；由于門架高度較高，為保證整個門架的強度，剛度和穩定性，在門架橫梁與立柱之間增加了輔助斜支撐。門架立柱、上橫梁由δ=14、δ=16鋼板組焊為箱型梁或者是H型鋼制成，底梁由δ=12、δ=14鋼板組焊為箱型梁。

臺車采用4件主動行走機構進行驅動，4套從動行走機構，它們鉸接在門架縱梁上。為實現四套驅動裝置同步，采用四臺電機同時起動；為滿足工況要求，電機可進行正、反轉運行。主行走機構由變頻電機驅動，先通過擺針減速器減速后，其行走速度約為5.6m/min，行走輪直徑為φ400mm。

4 臺車的剛度、強度校核

4.1 概述

臺車結構的受力分析分工作和非工作兩種狀態。在作受力分析和剛度、強度校核時應以工作時的最大載荷為依據。同時，設計時考慮襯砌厚度為0.5m（局部超挖）的情況下對臺車進行受力分析和剛度、強度校核。故在此對臺車非工作狀況下不做分析和校核。

4.2 模板受力分析

（1）頂部模板受力分析和強度校核。頂部模板的載荷主要由砼自重和頂部注漿口封堵時產生的擠壓力構成。砼的自重可通過理論計算，但注漿口封堵時產生的擠壓力為以不確定值，與封堵灌漿是的操作、輸送泵的操作等有很大的關系，當注漿口處的砼已澆滿時，如輸送泵仍繼續送料，則輸送泵送料時間越長，則注漿口處的頂模承受的擠壓力越大，若臺車及輸送泵操作人員按規范嚴格操作，則擠壓力便不存在或者很小，即便如此，在臺車設計和制作時仍對注漿口處進行了有效的加強。故在此只對頂部砼自重進行計算和分析。

圖1 頂部模板受力示意圖

由圖1可知，頂部模板承受的混凝土面積S1=50.332m2。

混凝土重力為：

P=50.332m2×12m×2.4t/m3×9.8×103=14205.70368×103N；

總載荷為

P總=P+P自重=50.332m2×12m×2.4t/m3+95t=1544t。

（2）側部模板受力分析：側部模板左右對稱，受混凝土的浮力影響，這與混凝土的性能有關，考慮到臺車的自重和上部抗浮千斤的支撐作用，側部模板不做受力分析。

4.3 模板的剛度與強度校核

為了計算方便，取長為1.5m，寬為0.26m，混凝土厚2.5m（考慮局部超挖情況），計算承受重量：

P=1.5×0.26×2.5×2.4=2.34t

換算成線載荷為：2.34×9.8×103/1.5=15.288×103N/m

將此段模板作為簡支梁計算得：

Mmax=ql2/8=15.288×103×1.52/8=4299.75N.m

即為4.29975×103N.m

梁的截面如圖所示：

圖2 梁的單元橫截面積

圖3 梁的單元結構受力示意圖

為計算彎曲應力，必須求出橫截面的形心，此截面是由L75×75×6的角鋼及150×12的鋼板組成，查表可知：

角鋼截面積為：S=879.7mm2；慣性矩IX=469500mm4；重心距離Z0=20.7mm；截面形心X坐標=0mm；

Y 坐 標 =（150×12×81+879.7×20.7）/（150×12+879.7）=61.20453409mm

該截面的慣性矩Ix為：

Ix=150×103/12+（81-61.2）2×150×12+469500+（61.2-20.7）×879.7

=263.059987×104mm4

抗彎截面模數 W=Ix/Y= Ix/61.2=42.98047374×103

梁的最大彎曲應力

σ=Mmax/W=4.29975×103/(42.98047374×103×10-9)Pa=10 0.039614×106Pa=100.039614MPa

對Q235鋼 [σs]=215MPa 100.039614＜215

由此可知：模板強度與剛度是足夠的。

4.4 門架橫梁的強度校核

（1）受力分析。12米頂拱臺車共6榀門架，頂部混凝土、臺車模板和托架部分的重力通過垂直油缸和上豎向千斤支撐在門架橫梁上，故此處受力最大。受力狀況如下圖所示。

圖4 門架橫梁受力圖

由前文可得,每支頂模千斤的壓力F為：

F=1544×103×9.8/（6×3）=720.533×103N

4.4.2 強度校核

根據受力分析，可得：

F1=F2=720.533×103N F3=F4=720.533×103N

水平方向受力很小，不再考慮。

由彎矩圖可知，在橫梁3、4處受力最大，其最大彎矩Mmax為：

Mmax=109.57×103N.m

門架橫梁為型鋼HM582×300，面板為δ18鋼板，腹板為δ11鋼板，材料為Q235，高度H為582mm，寬度B為300mm，則：

b=B-10=290mm h=H-18-18=546mm

則截面系數W為：

W=（BH3-bh3）/6H=3.418535×10-3m3

查表可知，Q235的許用應力[σ]=170MPa，則最大應力σ max為：

σmax=Mmax/W=32MPa＜[σ]=170MPa

因此，門架橫梁強度滿足要求。

（3）剛度（繞度）校核。由以上受力分析和彎矩圖可知，在門架橫梁3、4之間的彎矩較大，跨度L較大，因此其繞度f也較大，則有：

L=5.025m a=0.3m F=720.533×103N

查表可得，Q235的彈性模量E：E=200GPa

慣性矩I：

I=W×ymax=0.994794×10-3m4

則最大繞度fmax在門架橫梁中間位置：

fmax=Fa（3L2-4a2）/（24EI）=3.413×10-3m

查表可得，梁的許用繞度[f]=(0.001～0.002)L,取最小值0.001，則：

[f]=5.025×10-3m

fmax＜[f]，因此門架橫梁剛度滿足要求。

5 結語

根據以上對頂拱臺車模板、門架橫梁等的設計、受力分析和剛度、強度校核及實際施工效果證明，砼襯砌頂拱液壓鋼模臺車的設計是可靠的，完全可以滿足施工要求。