淺議小直徑全圓針梁臺車的設(shè)計

趙文斌

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

本工程主體工程為引水隧洞和地下泵站，包括壓力引水隧洞、地下廠房洞室群及其附屬洞室、交通洞、機電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)安裝等工程。引水隧洞為有壓洞，開挖斷面為圓拱斜墻，成洞斷面為圓形，平均坡度0.0076%，成洞直徑為3.9m。雙層鋼筋混凝土襯砌，每隔10m設(shè)一道環(huán)向施工縫，縫間埋設(shè)橡膠止水帶，各類圍巖分類洞段均存在部分徑向超挖現(xiàn)象，針梁臺車荷載設(shè)計時暫按平均徑向超挖20cm計。

2 設(shè)計分析與思路

根據(jù)隧道斷面圖和工程概述可知：所設(shè)計的臺車為全圓針梁液壓鋼模臺車，模板總長10.2m，模板半徑1.96m（考慮到混凝土凝固收縮等因素，模板沿半徑放大1cm）。根據(jù)以上特點，提出以下設(shè)計思路：（1）臺車的模板部分，作為最直接的載荷承載和傳力構(gòu)件，應(yīng)首先選用較大的截面，和基本的板面厚度，其支承構(gòu)件及其與面板組合而成的截面，應(yīng)具有較大富裕量的截面模量。（2）作為傳力機構(gòu)的門架、針梁和托架部分，同樣除了應(yīng)保證板材的基本厚度和較大安全裕度的截面和截面模數(shù)外，還應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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荷載傳遞到基礎(chǔ)面是該臺車設(shè)計的又一關(guān)鍵。應(yīng)力求使臺車在使用過程中各基礎(chǔ)構(gòu)件盡可能承受單一載荷，少承受復(fù)合載荷。（4）臺車脫模，擬采用二級共6支油缸的液壓裝置按先脫頂模再脫側(cè)模方式交替完成，底模脫模則利用4支豎向油缸的升降完成。臺車立模則操作順序相反。平移機構(gòu)擬采用2支油缸完成對臺車軸線與隧道軸線位置調(diào)整。

3 設(shè)計方案

模板總成用于隧洞的成形，隧洞的形狀和尺寸主要靠它來制約。模板間用螺栓聯(lián)接，每組模板由頂模、左邊模、右邊模、底模四塊組成。每組模板的寬度為2米，縱向用螺栓和銷軸聯(lián)接，為了加強模板之間的整體連接強度，設(shè)計有模板連接梁。

針梁總成是鋼模的受力支撐平臺和臺車行走的軌道。為箱梁結(jié)構(gòu)，總長26m，為了運輸和安裝方便，分段制作，用高強度螺栓連接。

梁框總成的下部與底模用螺栓聯(lián)接，構(gòu)成一個門框式構(gòu)架，在框架上、下部安裝有行走輪系，針梁從門框內(nèi)穿過。梁框門架是通過各支承千斤和油缸與模板連接，它要承受襯砌層的壓力，門架與底模上的橫梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)澆筑直徑和襯砌厚度，為了增強門架的強度和穩(wěn)定性，門架立柱間設(shè)計有連接梁和斜拉桿等，門架立柱和橫梁均用工字鋼制成框架結(jié)構(gòu)。

前、后底座分別安裝在針梁的兩端，是針梁的受力支點，襯砌時臺車的全部重量都落在兩個底座上，每個底座上安裝兩個液壓豎向油缸。

平移機構(gòu)安裝在針梁下面前、后底座上，前、后底座上各安裝有2個豎向油缸與針梁連接，豎向油缸的伸縮可使針梁上升和下降，以便模板垂直方向的對中調(diào)整，從而完成底模的脫模和立模，最大脫模行程為390mm；前、后底座上各安裝有1個水平油缸，利用其左、右移動來調(diào)整模板中心線與隧洞中心線相吻合，左右移動行程為200mm。

卷揚牽引機構(gòu)，鋼模和針梁通過鋼絲繩的牽引作相對運動（即固定針梁移動鋼模或固定鋼模移動針梁）。卷揚牽引機構(gòu)安裝在針梁的端部，卷揚機繞過梁框上的滑輪，固定在針梁兩端，針梁和鋼?；橹c相對運動使臺車前進。

抗浮裝置是為了考慮一次性澆注，當(dāng)澆注速度過快時，鋼模將受到混凝土產(chǎn)生的浮力，為了不使鋼模在浮力作用下向上移動，在鋼模兩端安裝了四個抗浮千斤頂，制約上浮力的作用，在前后抗浮架上安裝四個側(cè)向千斤頂，使針梁和鋼模不產(chǎn)生側(cè)向位移。

行走機構(gòu)是由支座和多個滾輪等零件組成，共有四套行走架安裝在門架內(nèi)針梁的上下方，軌道采用22Kg鋼軌，滾輪設(shè)計成帶輪邊的結(jié)構(gòu)，使針梁或模板移動時不會左右擺動。

4 臺車的剛度、強度校核

4.1 概述

臺車結(jié)構(gòu)的受力分析分工作和非工作兩種狀態(tài)。在作受力分析和剛度、強度校核時，應(yīng)以臺車構(gòu)件受到的最大荷載為依據(jù)。同時，設(shè)計時考慮襯砌厚度為0.6m（已考慮局部超挖）的情況下對臺車進行受力分析和剛度、強度校核。

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(chǎn)生的擠壓力構(gòu)成。砼的自重可通過理論計算，但注漿口封堵時產(chǎn)生的擠壓力為一不確定值，與封堵灌漿時的操作、輸送泵的操作等有很大的關(guān)系，若臺車及輸送泵操作人員按規(guī)范嚴格操作，此擠壓力便不存在或者很小，即便如此，在臺車設(shè)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及分析。

圖1 頂部模板受力示意圖

由上圖可知，頂部模板承受的混凝土面積為S1=2.91m2

混凝土重力為： P=2.91×10×2.4×9.8×103=0.68×106N

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

4.3 模板的強度與剛度校核

為了計算的方便，取長為2米，寬為0.25米，混凝土厚0.6米（考慮局部超挖情況），計算承受重量：

P=2×0.25×0.6×2.4=0.72T

換算成線載荷為：q=0.72×9.8×103÷2=3.53×103N/m

將此段模板作為簡支梁計算得：

Mmax=ql2/8=3.53×103×22÷8=1764N.m

梁的截面如圖所示：

圖2 梁的單元橫截面圖

圖3 梁的單元結(jié)構(gòu)受力示意圖

為計算彎曲應(yīng)力，必須求出橫截面的形心，此截面是由[10#槽鋼及250×8的鋼板組成，查表可知：

槽鋼截面積為 S =12.748cm2

慣性矩Ix=198cm4

重心距離 Zo=15.2mm

截面形心 y坐標(biāo)= 50mm

y坐標(biāo)=∑Aiyi/∑Ai

=(250×8×104+1274.8×50)÷(250×8+1274.8)=83.0mm

該截面的慣性矩Ix為：

Ix=∑Ixi=∑(IXCi+a2Ai)

=250×83/12+(104-83)2×250×8+1980000+(83-50)2×1274.8= 426.1×104mm4

則抗彎截面模數(shù) W=Ix/y= Ix/83=51.3×103mm3

對Q235鋼，許用應(yīng)力[σS]=170Mpa，則梁的最大彎曲應(yīng)力

σmax=Mmax/W

=1764÷(51.3×103×10-9)Pa=34.4×106Pa =34.4MPa

σmax＜ [σS]=170Mpa

因此，模板強度滿足要求。

由以上受力分析和彎矩圖可知，在模板寬度正中位置彎矩M最大，此處的繞度f也最大。

fmax=-5ql4/(384EIX)=-5×3.53×103×24÷(384×200×109×426.1×10-8)m

=-0.86×10-3m

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

[f]= 2×10-3m

[fmax]= 0.86×10-3m＜[f]

因此，模板剛度滿足要求。

4.4 針梁的剛度校核

該10.2米針梁臺車針梁為箱式結(jié)構(gòu)，主梁由22kg鋼軌、[20a#槽鋼、10mm鋼板組成，主要受臺車自重和頂部混凝土重力影響。根據(jù)臺車的使用情況和隧道砼的施工流程，在臺車澆注時針梁受到的合力反而不大，產(chǎn)生的繞度也較小，故不對此狀態(tài)下的針梁進行受力分析。在臺車行走且當(dāng)模板行走至針梁正中時，針梁主要受到臺車模板自重和針梁自重，此時針梁受力最大，因此需對該狀況下的針梁進行剛度校核，確保其滿足施工使用[1-2]，如圖4。

針梁前后大足的間距L=23m，臺車模板有效長度b=10m，臺車自重52T。

按針梁最大受力進行分析，當(dāng)模板行走至針梁正中時，如圖5，將針梁自重和模板自重均簡化為作用在針梁上的均布載荷，可得：

q=52×103×9.8÷10=50.96×103N/m

F1y=F2y=52×103×9.8÷2=254.8×103N

圖4 針梁截圖示意圖

圖5 針梁受力分析示意圖

針梁主梁由22kg鋼軌、[20a#槽鋼、10mm鋼板組成。22kg鋼軌截面積28.39cm2，形心慣性矩339cm4。[20a#槽鋼截面積28.837cm2，形心慣性矩1780cm4。10mm鋼板組焊成的箱式梁的慣性慣性矩Ix1為：

Ix1=(BH3-bh3)÷12=(104×126.83-102×124.83)÷12=1146911cm4

可得，針梁截面慣性矩Ix為：

Ix=∑Ixi=∑(IXCi+ai2Ai)

=4×(339+67.92×28.39+1780+52.42×28.837)+1146911cm4

=2.00×106cm4= 2.00×10-2m4

由彎矩圖可知，在針梁中間L/2處的受力最大，產(chǎn)生的最大繞度ymax為

ymax=-qb (8L3-4Lb2+b3)÷(384EI)= -29.6×10-3m

查表可知，工程用梁的許用繞度[y]=（0.0013-0.0025）L，取中間值0.0015，則：

[y]=34.5×10-3m

[ymax]=29.6×10-3m ＜[y]，因此針梁剛度滿足要求。

5 結(jié)語

根據(jù)以上對臺車模板、針梁等的設(shè)計、受力分析和剛度、強度校核及實際施工效果證明，砼襯砌全圓液壓鋼模臺車的設(shè)計是可靠的，完全可以滿足施工要求。