斜井整體液壓臺車受力分析與安全驗算

徐純治

(中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

整體液壓臺車是隧道襯砌施工使用的一種專用非標施工設備，在隧道工程中被廣泛應用。平洞臺車結構常根據?建筑施工模板安全技術規范?[1]進行受力分析，驗算結構強度和剛度。傳統計算及評估繁瑣，利用計算機建模與有限元法相結合對臺車整體結構進行靜力學分析，可得到更加準確的計算結果[2－4]。斜井用臺車受力不同于平洞:一是臺車在移動和混凝土澆筑過程中存在較大下滑分力；二是臺車模板、支撐和門架等構件除承受垂直作用于構件的軸向力外，構件因有傾角還存在剪應力。針對這種臺車結構受力計算技術資料較少，參考資料也較少。為計算斜井臺車工作的可靠性和穩定性，利用Autodesk Inventor Professional軟件建模，對混凝土澆筑不同工況受力進行模擬分析，得到最不利工況下臺車結構的受力和變形，對結構設計和確保施工安全有重要意義。

2 工程背景與臺車結構

2.1 工程概述

某斜井長1 227 m，傾角－17.63°，坡比－31.8%。襯砌斷面為城門洞型，寬×高＝6.5×6.0 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖襯砌分別為60 cm、70 cm厚的C30鋼筋混凝土。

2.2 臺車結構及系統參數

2.2.1 臺車結構

整體液壓臺車由齒形軌道和錨固體系、步履油缸行走系統、門架、鋼模板總成、液壓系統、支撐系統及平移機構等組成，見圖1。臺車長度為10.5 m，自重為70 t。

圖1 臺車結構斷面(單位:mm)

2.2.2 臺車各系統主要參數

(1)模板總成:由頂模和側模組成。頂模為R＝3 773 mm的圓弧拱模，側模為弧長2 963 mm拱模＋長3 779 mm直墻模板，頂模與側模間設鉸銷連接。模板規格見表1。

表1 臺車頂模與邊模規格

續表1

(2)支撐系統:由托架、門架支撐千斤、側向千斤和液壓油缸組成。托架主要承受上部混凝土重量及模板自重，其上承模板、下連門架。門架支撐千斤采用?80 mm螺桿＋?121×10鋼管按2.475 m間距均勻布置在門架縱梁下。在工作工況下，螺桿撐在軌道上，承受臺車、混凝土重量和施工荷載。側向千斤采用?60 mm螺桿＋?89×7無縫鋼管結構，共設置5排，前4排設在邊墻模板與門架之間，第5排作為底橫梁斜撐。

(3)液壓系統:臺車門架兩端設置4個豎向液壓油缸以升降臺車，行程200 mm；側向液壓油缸支撐模板和脫模，行程300 mm；頂模托架與門架設置平移油缸，沿隧道中心左右均可調整150 mm。

液壓系統和支撐系統缺一不可，脫模和模板微調靠液壓系統，調整到位后利用絲杠鎖死，此時臺車自重由支撐系統承擔，并承擔后續混凝土自重和側壓力。

(4)門架:門架是臺車主要承載構件，由橫梁、立柱、縱梁通過螺栓連接而成。橫梁及立柱間通過連接梁及斜拉桿連接，見圖2。梁柱材質為A3鋼板，厚14 mm。橫梁為H型鋼:高×寬＝700×324 mm；縱梁為矩形:高×寬＝600×400 mm；立柱為變截面結構，H＝400～750 mm型鋼；門架斜撐和橫撐均采用 18型鋼。

圖2 臺車門架總成(單位:mm)

3 臺車材料參數與工作原理及檢算

3.1 材料主要參數

(1)鋼材物理性能指標:彈性模量E＝2.06×105N/mm2；質量密度ρ＝7 850 kg/m3。

鋼材強度設計值:許用正應力[σ]＝215 MPa；許用彎曲應力[σw]＝215 MPa；許用剪應力[τ]＝125 MPa。

(2)容許撓度:鋼模板板面[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，允許混凝土澆筑速度(高度)V≤1.2 m/h，混凝土初凝時間3 h。

3.2 臺車工作原理及檢算

(1)臺車工作原理

臺車未澆筑混凝土時，臺車側模和頂模重量通過托架傳遞至門架，再通過門架傳遞到防滑支座和頂升油缸支座，最終由軌道布設的?32精軋螺紋鋼錨固筋抗剪受力提供約束。

澆筑混凝土時，模板承受混凝土重力、混凝土側壓力、灌注沖擊力和振搗力等[5－7]，由模板傳遞到背楞，再由托架、支撐作用于門架，最終作用于軌道的?32精軋螺紋鋼和門架底部約束支撐。

(2)結構特征及檢算內容

根據斜井臺車工作原理，門架支座處按照縱橫向約束的鉸接節點考慮，單榀鋼架為超靜定結構[8]。按梁單元建立二維計算模型，假定門架為各方向受約束的固定支座，梁柱之間為剛性連接。

根據臺車結構受力特征進行以下計算分析:①面板強度、剛度，背楞強度、剛度；②支撐受力分析；③臺車整體應力分析、變形分析和穩定分析；④軌道?32精軋螺紋鋼受力分析。

4 臺車受力分析

4.1 模板系統受力分析

4.1.1 拱部模板受力分析

澆筑拱部混凝土時，作用于模板的是恒載和施工動荷載。其中恒載為混凝土自重，動荷載為混凝土振搗振動、泵送壓力和沖擊力等，頂模受力如圖3所示。

圖3 頂模受力簡圖

(1)混凝土自重

按最大襯砌厚度0.7 m考慮，門架承受頂部混凝土自重P1＝10.5×5.4×2.45×0.7×1.2＝117 t。其中，1.2為混凝土超方系數。

(2)混凝土側壓力

新澆筑的混凝土作用于模板的最大側壓力按下列公式計算，并應取其中的較小值。

式中:F為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，t/m2；λC為混凝土容重，t/m3；t0為新澆混凝土初凝時間，h；V為混凝土澆筑高度(厚度)與澆筑時間的比值(澆筑速度)，m/h；H為混凝土側壓力計算位罝至新澆筑混凝土頂面的總高度，m。β為混凝土坍落度影響修正系數，當坍落度在50～90 mm時，β取0.85；坍落度在100～130 mm時，β取0.9；坍落度在140～180 mm時，β取1.0。

臺車澆筑完成，混凝土假定未達到初凝狀態，則H＝10.5×sin 17.63°＝3.28 m；拱部澆筑速度V值取1.0 m/h。代入式(1)、式(2)計算F值，取小值3.16 t/m2。則臺車拱部下游受側壓力最大，上游為 0；假定為均值，則P2＝118 t。

(3)荷載組合

荷載組合為[9]:恒載×1.2＋活載×1.4。

計算得:P＝283 t。

4.1.2 側模受力分析

澆筑下部混凝土時，其對模板的側壓按流體靜壓力計算[10]。底模通過側向支撐千斤與門架下縱梁連接，下縱梁設置斜支撐千斤支撐于地面上施加約束力。假定混凝土生產運輸為恒定值不考慮人為因素，正洞澆筑速度V為定值，但斜井澆筑速度是與坡度有關的不定值，如圖4所示，開始時最大，中間較小?；炷翝仓欢ǜ叨菻后，先澆筑部分已初凝不再計入施加于模板的流體靜壓力，僅計算新澆混凝土對模板的側壓。

圖4 混凝土澆筑速度示意

澆筑完成，假定混凝土未達到初凝，則: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)計算F值，取小值3.31 t/m2。

已知臺車長度10.5 m，邊模高4.029 m，則邊模板水平載荷為10.5×4.029×3.31＝140 t。

4.2 門架邊界條件及受力分析

模板全部載荷通過支撐油缸及千斤最終作用在門架上，因此門架是臺車的關鍵受力部件。該臺車采用多榀門架，按單榀門架作為單元進行有限元分析[11－12]。

4.2.1 邊界約束處理

(1)臺車約束

臺車在混凝土澆筑過程中位移約束有:①前后支撐；②行走油缸支座和防滑支座；③縱梁支撐千斤；④門架立柱撐地千斤；⑤?32錨固筋對鋼軌的約束。

(2)邊界條件

混凝土澆筑過程中，前后支撐與門架、鋼軌之間為固定連接，4個點全部約束。行走油缸支座和防滑支座與鋼軌固定連接，可簡化為門架立柱的底端約束X、Y兩向移動自由度UX、UY。車輪、縱梁千斤與鋼軌未固定連接，對門架縱梁只有豎向的支撐力，約束高度方向位移自由度UY。門架撐地千斤只約束Z向位移自由度。

4.2.2 門架受力分析

門架是主要承重件，強度校核以澆筑時的最大載荷為最不利工況，該工況下又分為兩種工況:

(1)工況一:邊模澆筑完成時

在此工況下，由于混凝土還沒有澆筑到臺車頂模處，門架承受模板和托架自重以及邊模側壓力。

①模板和托架自重為45 t。

由3榀門架承擔，單榀為15 t；每榀門架通過3個受力點作用于門架橫梁上，則單點受力5 t。

②混凝土對邊模的側壓力為140 t。

水平載荷由30個側向支承承擔，而中間3組千斤承受的力是兩邊承受力的2倍，因此中間3組受力最大，每組46.25 t。

假設每組載荷由3個千斤均擔，則每個受力點的軸向載荷為15.4 t。

(2)工況二:頂模澆筑完成時

該工況是指臺車在澆筑頂模時，邊?；炷烈殉跄?，門架主要承受自重和頂部混凝土壓力。

①模板和托架自重為45 t。

②混凝土對頂模壓力為283 t。

單榀門架承受的最大載荷為82 t，每榀門架又通過2個受力點作用于門架橫梁，則單點受力為41 t。

5 計算結果分析

5.1 面板及肋板受力驗算

(1)實體建模

依實際尺寸且型材負差按實量扣減，用Autodesk Inventor Professional對頂模進行三維實體建模，材料全部采用 Q235B。

(2)分析計算

采用Autodesk Inventor Professional自帶的ANSYS模塊，設頂模14個連接盒為固定約束，并對頂模實體加載，載荷為P，利用ANSYS模塊的自動分析功能求解，見圖5。

圖5 頂模計算結果

頂模位移、應力均滿足使用要求，完全能保證混凝土表面質量，臺車使用安全。

5.2 臺車門架驗算

采用軟件Autodesk Inventor Professional自帶的ANSYS模塊劃分網格。工況一，門架立柱下表面為固定約束，共2處；工況二，門架立柱下表面和側模千斤受力點為固定約束，共8處。力加載至門架相應位置處。利用 ANSYS程序自動求解，結構安全系數為1.5。

(1)工況一計算結果

單榀門架受力模型如圖6所示，分析結果數據見表2。

圖6 工況一受力模型

表2 工況一分析結果

(2)工況二計算結果

單榀門架受力模型如圖7所示，分析結果見表3。

圖7 工況二受力模型

表3 工況二分析結果

通過計算可知，在兩種工況下，門架的位移、應力、安全系數均滿足設計要求。

5.3 軌道錨固筋受力驗算

單節軌道1.5 m間隔500 mm布置3根JL785?32精軋螺紋錨固鋼筋，σs＝785 MPa，[σ] ＝523 MPa，[τ] ＝302 MPa，A＝804.2 mm2。

臺車自重70 t，混凝土重283 t，總重353 t。則澆筑時臺車下滑力為110 t；單側軌道承受55 t。

最末一節軌道由3根錨固鋼筋承擔(忽略上部軌道錨筋的分擔作用)。

因此，單根錨固筋承受的最大剪力為18.33 t。τ＝F/A＝223 MPa<[τ]＝302 MPa。所以，?32精軋螺紋鋼筋強度滿足最不利工況要求。

6 結論

本文對斜井臺車結構特征和受力進行分析，結果表明臺車模板、門架和軌道錨固受力滿足強度和剛度要求。建模計算遵循“主要桿件細化建模、次要件等效加載”原則，不需對個別桿件和單元模擬單獨做細部建模分析，即可保證臺車的安全。但由于臺車處于特定環境條件下，其受力又有其特殊性，需進一步對特殊桿件進行受力檢算，確保臺車結構設計合理，滿足安全施工需要。