公路隧道鋼模臺(tái)車數(shù)值計(jì)算與分析*

陳文琛，宋遠(yuǎn)卓，金 龍，蔣樹文

(杭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

1 引 言

云南省祿勸縣烏東德水電站左岸高線公路隧道設(shè)計(jì)最大坡度為5．378%，隧洞的襯砌厚度為0．6 m，襯砌斷面為三心圓形，設(shè)計(jì)要求隧洞襯砌混凝土的澆筑段長(zhǎng)度為9 m(不含搭接長(zhǎng)度)，兩端頭搭接長(zhǎng)度均為0．1 m。

烏東德高線路隧道襯砌采用鋼模臺(tái)車，鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)成邊墻頂拱整體澆筑的自行式臺(tái)車形式，其同行寬度滿足20 t 自卸車雙向通行的要求，最下部橫梁距離底板砼面凈高不低于5．5 m。臺(tái)車門架的立柱設(shè)計(jì)為變截面的，即沿高度方向梁高逐漸增大。變截面梁的設(shè)計(jì)不僅可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的需要，而且可以在門架下部預(yù)留出足夠的空間，滿足20 t 自卸車雙向通行的要求。

烏東德高線路襯砌鋼模臺(tái)車是大型非標(biāo)工程機(jī)械裝備，底板砼面雙向通車的要求大大增加了鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)與分析的難度。因此寬度方向設(shè)計(jì)為大跨度的變截面梁門架結(jié)構(gòu)形式，鋼模臺(tái)車整體空間結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在施工過程中臺(tái)車整體的空間受力也更為復(fù)雜。但鋼模臺(tái)車變形和應(yīng)力的大小及分布情況直接決定了臺(tái)車在重復(fù)使用過程中襯砌混凝土的質(zhì)量，因此對(duì)烏東德高線路襯砌鋼模臺(tái)車的數(shù)值計(jì)算與分析顯得至關(guān)重要。

2 烏東德高線路鋼模臺(tái)車的整體結(jié)構(gòu)

烏東德高線路鋼模臺(tái)車主要由模板系統(tǒng)、支撐行走系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成。

模板系統(tǒng)由頂模和兩側(cè)模組成，頂模與側(cè)模之間鉸連接。門架底梁上安裝有電機(jī)、車輪和支撐千斤頂，可在底板鋼軌道上自行移動(dòng)，門架與模板上的連接盒和圍檁通過伸縮絲桿和油缸連接，利用油缸進(jìn)行模板的收支。在門架頂梁上設(shè)有平移裝置，來保證模板與門架的中心與隧道的中心重合，鋼模臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 烏東德高線路鋼模臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)圖

門架作為整個(gè)臺(tái)車襯砌工作時(shí)的主要承載部件，門架結(jié)構(gòu)須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。大多數(shù)鋼模臺(tái)車的門架結(jié)構(gòu)采用等截面型鋼結(jié)構(gòu)，雖然減少了設(shè)計(jì)、制造、安裝的難度，但存在以下兩個(gè)主要問題:門架結(jié)構(gòu)的粗放型設(shè)計(jì)，一定程度上造成材料的浪費(fèi);門架立柱之間的空間不大，難以滿足車輛雙向通行的要求。將門架立柱設(shè)計(jì)為變截面梁的型式，截面高度由柱腳的450 mm 增加到柱頂?shù)? 100 mm，既滿足了門架結(jié)構(gòu)受力合理分配的要求，又將門架的內(nèi)部空間盡可能增大，滿足了20 t 自卸車雙向通行的要求。

3 鋼模臺(tái)車整體有限元模型的建立

以烏東德高線路襯砌鋼模臺(tái)車為例，根據(jù)鋼模臺(tái)車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承載特點(diǎn)，為了使有限元模型更加準(zhǔn)確的反映鋼模臺(tái)車的力學(xué)特性，在建模的過程中，防傾覆裝置、液壓系統(tǒng)、腳手架平臺(tái)等不予考慮［1］。

鋼模臺(tái)車所用材料均為Q235，彈性模量E=2．06×105MPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．85×10－9t/mm3，重力加速度取g=9 800 mm/s2。

模板采用SHELL63 殼單元建模，模板的厚度通過定義實(shí)常數(shù)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。門架與模板之間的連接絲桿，門架與頂模架之間的連接螺旋千斤頂都采用LINK8 桿單元，絲桿和千斤頂?shù)闹睆酵ㄟ^定義實(shí)常數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。

頂模架、門架上的橫梁、縱梁及斜撐均采用BEAM188 單元。BEAM188 單元為三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧m用于從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)分析，支持彈性模型。BEAM188 單元采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET 等命令可滿足鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)多種型鋼截面的定義與修改。模板上的環(huán)筋、縱筋都采用BEAM188 單元［2－3］。

為了真實(shí)的反映模板與其上的加強(qiáng)筋的連接關(guān)系，需要自定義角鋼加強(qiáng)筋截面，并且需要對(duì)模板的環(huán)筋、縱筋進(jìn)行偏置。需要定義兩個(gè)截面尺寸來自定義變截面梁，以達(dá)到精確數(shù)值模擬門架變截面立柱［4］。鋼模臺(tái)車整體有限元模型如圖2 所示。

4 約束條件及載荷施加

根據(jù)烏東德高線路襯砌鋼模臺(tái)車實(shí)際工作情況和ANSYS 軟件建模的要求，在門架柱腳處施加X，Y，Z 3 個(gè)方向的位移自由度。由于側(cè)模最下面的一根絲桿固定于底板上，所以約束側(cè)模最下面絲桿的X，Y，Z 3 個(gè)方向的位移自由度。在最外側(cè)門架頂橫梁上選取兩點(diǎn)，約束Z 方向的位移自由度。臺(tái)車約束及載荷條件如圖3 所示。

為模擬臺(tái)車真實(shí)載荷狀況，全面考慮了混凝土的初凝時(shí)間、澆筑時(shí)間、甚至外加劑和塌落度對(duì)初凝時(shí)間的修正以及骨料的“自立性”，混凝土的側(cè)壓力計(jì)算公式［5］為:

式中:β1為緩凝劑調(diào)整系數(shù);β2為塌落度調(diào)整系數(shù);t0為混凝土初凝時(shí)間;V 為混凝土在高度方向的澆筑速度;γc為鋼筋混凝土比重。在鋼模臺(tái)車頂模中間105度中心角范圍施加F1=23．142 kN/m2的載荷，模板的其它部位施加F2=31．625 kN/m2的載荷。

圖2 烏東德高線路鋼模臺(tái)車整體有限元模型

圖3 烏東德高線路鋼模臺(tái)車約束及加載圖

5 計(jì)算結(jié)果及分析

由圖4 可得，烏東德高線路襯砌臺(tái)車的最大變形為2．741 mm，最大變形位于邊模端部下側(cè)，最大變形局部放大云圖見圖5。

圖4 烏東德高線路鋼模臺(tái)車整體變形云圖

圖5 烏東德高線路鋼模臺(tái)車 變形局部放大云圖

由圖6 可得，烏東德高線路襯砌臺(tái)車的最大應(yīng)力為114．168 MPa，最大應(yīng)力位于邊模下側(cè)環(huán)筋處的模板，最大應(yīng)力附近局部放大云圖見圖7。

圖6 烏東德高線路鋼模臺(tái)車整體應(yīng)力云圖

圖7 烏東德高線路鋼模臺(tái)車 應(yīng)力局部放大云圖

由計(jì)算結(jié)果分析如下。

(1)根據(jù)相關(guān)規(guī)范［6］和業(yè)主提出的質(zhì)量要求，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示最大變形為2．741 mm，最大應(yīng)力114．168 MPa，并且不存在應(yīng)力集中的問題。鋼模臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

(2)頂模架和門架的變形和應(yīng)力均較小，邊模下端部分的變形比較大，其次是頂模與邊模的鉸接處;而頂模的變形相對(duì)較小，可以在鋼模臺(tái)車靜力學(xué)有限元分析基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、縮短設(shè)計(jì)周期、優(yōu)化鋼模臺(tái)車性能具有重要的實(shí)際意義。

(3)在施工過程中，邊模下端的絲桿支撐必須牢固可靠，避免邊模下端變形過大，從而避免砼襯砌時(shí)漏漿跑模。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過建立烏東德高線路鋼模臺(tái)車數(shù)值模型，并進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)合理，滿足強(qiáng)度和剛度的要求。由于該臺(tái)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力狀況復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境特殊，靜力學(xué)分析結(jié)果為變截面梁臺(tái)車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

［1］ 廖湘輝，章 成，蔡榮生，等． 三峽地下電站上彎段雙曲鋼模臺(tái)車有限元分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(1):70－72．

［2］ 劉 歡，廖湘輝，丁 明，等． 基于ADAMS 和ANSYS 的梭式皮帶布料機(jī)下回轉(zhuǎn)支座的研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2012(2):60－62．

［3］ Moaveni S．有限元分析——ANSYS 理論與應(yīng)用［M］．第3 版．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［4］ 張利峰．變截面門式剛架有限元分析［D］．西安:西安理工大學(xué)，2006．

［5］ 黃紹新．模板側(cè)壓力的計(jì)算［J］．建筑工人，2000(12):24－25．

［6］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)．鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范．CBJ 2004－83［S］．