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        淺議小直徑全圓針梁臺車的設(shè)計

        2018-04-16 07:42:06趙文斌
        商品與質(zhì)量 2018年38期
        關(guān)鍵詞:鋼模門架臺車

        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)。考慮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。

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