大型膠囊臺車受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設計應用

馮海暴，張寶昌，付大偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

大型膠囊臺車受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設計應用

馮海暴，張寶昌，付大偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

大型膠囊臺車是我國獨立設計開發(fā)的一種新型陸上出運設備，在進行陸上頂升、運移沉箱期間，由于臺車運行軌道的基礎沉降，導致車輪受力過大出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，為精確的檢測臺車在動態(tài)下的各車輪受力情況，從而制定臺車軌道建造驗收標準。本文結(jié)合該設備的受力檢測特征，利用了力學計算和應力測試的方法，進行了受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設計和試驗室加載應力驗證，最終得出了受力檢測反系統(tǒng)力架結(jié)構(gòu)設計的詳細方案，為以后的類似受力檢測反力架設計提供科學依據(jù)。

受力檢測；反力架；結(jié)構(gòu)設計；研究應用

引 言

萬噸級沉箱陸上出運膠囊臺車［1］是中交一航局二公司獨立設計開發(fā)的一種新型陸上出運設備，該設備是通過2年設計攻關，3年實踐驗證而研究成功的目前具備國際領先水平的專用新型設備。經(jīng)過長期驗證，發(fā)現(xiàn)萬噸級沉箱陸上出運膠囊臺車在實際工作中，由于運行基礎的沉降等因素造成軌道高低不平，高差過大導致臺車車輪受力過大出現(xiàn)破壞，為了確認目前工況下車輪具體受力情況，而需要設計一套受力檢測系統(tǒng)，受力檢測由反力架、數(shù)據(jù)采集、加載設備和臺車四大部分組成，其中反力架設計是該系統(tǒng)的關鍵，在不同組合頂升力作用下，進行受力檢測并輸出數(shù)據(jù)，得出臺車的受力規(guī)律。要保證受力檢測反力系統(tǒng)的正常工作，對反力架的設計需要全面考慮各種影響因素，而與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和臺車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)則是系統(tǒng)正常工作的保證。膠囊臺車受力檢測系統(tǒng)見圖1。

圖1 膠囊臺車受力檢測系統(tǒng)

然后通過實踐應用即時檢測受力規(guī)律，為后期膠囊臺車運行軌道建造和驗收提供平整度驗收科學依據(jù)。在試驗室需要對臺車車軸粘貼應力片分級加載后，找出應力片變形與受力的相關性，計算出臺車每個車軸的受力情況。為實現(xiàn)該檢測目的，需要在試驗室通過反力架固定臺車來實現(xiàn)對設備的分級加載過程，這就需要設計一套反力架來完成臺車的分級加載工作。

1 受力檢測系統(tǒng)反力架系統(tǒng)

受力檢測系統(tǒng)反力架由鋼結(jié)構(gòu)支架和加載設備共同組成，該設備主要用于在加載期間固定膠囊臺車的位置，確保臺車處于模擬作業(yè)狀態(tài)，不斷的變化受力組合得出不同作業(yè)狀態(tài)下的受力規(guī)律，并通過加載系統(tǒng)的控制對臺車進行模擬加載，在穩(wěn)定的狀況下完成分級加載，從而避免因臺車的穩(wěn)定性而影響測試結(jié)果。

2 荷載及參數(shù)確定

2.1 受力工況及組合

圖2 車輪編號及受力組合

在沉箱出運過程中，擬采用全程監(jiān)測臺車各車輪受力狀況的方法，以確保沉箱的全出運并為臺車保養(yǎng)提供技術(shù)支持。經(jīng)過工程沉箱出運過程中的受力分析調(diào)查，主要出現(xiàn)以下三種工況受力，車輪編號及受力組合見圖 2。因此，在進行反力架設計時，主要按照以下三種工況分別計算受力。

2.2 結(jié)構(gòu)設計荷載選取

經(jīng)過初步分析，臺車設計單個車輪受力為70 t，為驗證膠囊臺車的極限破壞強度，根據(jù)文獻［1］，決定對臺車施加100 t壓力。反力架測試狀態(tài)見圖3及圖4。

圖3 反力架平面

圖4 反力架斷面

2.3 反力架主要測試設備組成

1）壓力傳感器：數(shù)量4個。

2）軌道：重量88.96kg/m，數(shù)量4節(jié)。

3）膠囊臺車：重量約11 t，數(shù)量1節(jié)。

4）千斤頂：型號500 t。

3 設計分析

3.1 反力架設計參數(shù)確定

1）內(nèi)輪廓平面尺寸

臺車兩邊距離反力架邊緣分別為80mm，反力架寬度初步設計為1 400mm；反力架探出膠囊臺車長度方向每側(cè)為 100mm，長度初步設計為3 000mm，后期根據(jù)計算實際調(diào)整。見圖5。

圖5 反力架內(nèi)輪廓平面

2）內(nèi)輪廓高度尺寸

反力架自底梁開始自下而上分別，20mm鋼板，壓力傳感器高175mm，20mm鋼板，鋼軌高150mm，臺車高1 321mm，20mm鋼板，500t千斤頂高470mm，千斤頂頂推空間按100mm設計，20mm鋼板。

壓力傳感器底部和底部反力梁之間設置的鋼板為2 800mm×300mm×20mm的板帶；傳感器和軌道之間設置的鋼板尺寸為300mm×300mm ×20mm；千斤頂?shù)撞亢湍z囊臺車之間設置的鋼板尺寸為500mm×500mm×20mm；上部反力梁梁底部和千斤頂之間設置的鋼板尺寸為 300mm ×300mm×20mm。臺車輪距為700mm。

經(jīng)過初步設計反力架內(nèi)輪廓高度尺寸為2 296mm（2 256mm為不計上下鋼板）。見圖6。

圖6 反力架內(nèi)輪廓正立面

3）反力架內(nèi)輪廓尺寸

經(jīng)過分析，得出反力架內(nèi)輪廓尺寸如下：

長度：3 000mm；

寬度：1 400mm；

高度：2 296mm。

3.2 反力梁設計（千斤頂支頂?shù)慕佑|梁）

根據(jù)分析，需要通過計算確定上、下反力梁截面尺寸。受力模型圖見圖7及圖8。

圖7 反力梁受力（A-A）

圖8 固定梁受力（B-B）

1）荷載及計算模型選擇

圖 7中，上部反力梁受兩個荷載 P分別為100 t，荷載距兩端距離分別為300mm，圖7可以將反力梁受力簡化為簡支梁受力模型進行計算，但是實際受力時，固定梁的邊緣不能作為力矩的取臂點，為此，需要通過采取對固定梁和反力梁角點加固的方法，使得彎矩取臂點位于固定梁的邊緣處，以達到節(jié)約用材效果，具體方法為在拐角點兩側(cè)上部設置角鋼支頂，使彎矩受力點移至固定梁邊緣。

2）截面選擇

初步選擇使用工字鋼作為反力梁，根據(jù)受力情況，由于反力梁受固定梁抱箍，可按端點固結(jié)計算，為考慮安全，將反力梁計算模型簡化為簡支梁甲酸。文獻［2］給出了反力梁的受力模型和彎矩、剪力見圖9。

圖9 反力梁受力模型

根據(jù)受力模型計算 Mmax=3×108 N·mm，V==106 N。

工字鋼選取 Q235鋼材，抗拉強度設計值為f=210 N/mm2，則需要總截面抵抗矩W=M/f=1.43 ×103 cm3，初步選擇I36a工字形鋼，h=360mm，b=136mm，工字鋼的詳細尺寸見文獻［3］，該工字形鋼截面抵抗矩Wx=877.6 cm3，則縱向需要材料數(shù)量為n=W/Wx=1.63根，選取2根，則Wx=2× 877.6=1.75×103 cm3，滿足要求。

3）剪切強度計算

根據(jù)受力分析，τ=V/A，τ為剪應力，V為總剪力，A為受力面積。

選取2根I36a工字鋼合拼在一起，則截面積A=15 288mm2。文獻［3］工字鋼抗剪強度 fv= 125 N/mm2。

1）反力梁在受106 N的總剪力情況下，剪切強度計算如下：

2根I36a工字鋼合拼在一起的組合反力梁剪切強度滿足要求。

4）反力梁最大撓度計算

根據(jù)文獻［3］，該受力模型最大撓度

3.3 固定梁設計（固定反力梁）

根據(jù)分析，需要通過計算確定固定梁截面尺寸。受力模型見圖9。

1）荷載及計算模型選擇

圖 8中，由于固定梁要承擔反力梁荷載，所以固定梁也受到兩個荷載N=P，也為100 t。初步選取立柱擬初選材料為I36a工字鋼，h=360mm，b=136mm，圖8可以將反力梁受力簡化為簡支梁受力模型進行計算，見圖10。

圖10 固定梁受力模型

根據(jù)圖10可知，主要是對固定梁中間柱節(jié)點處進行截面抵抗距核算（該處受兩個力），將結(jié)構(gòu)計算模型簡化為2跨連續(xù)簡支梁進行計算，求取最大彎矩，做為計算選取會偏于安全。

2）彎矩計算

根據(jù)文獻［4］，按 2跨簡支連續(xù)梁計算，得Mmax=2.824×108 N·mm。

3）截面驗算

工字鋼選取 Q235鋼材，抗拉強度設計值為f=210 N/mm2，固定梁需要的抵抗矩W1=M/f=13.45 ×105mm3。

選用1榀I36a型工字鋼作為上端固定梁，則上端固定梁截面抵抗距W=8.77×105mm3，不滿足要求。故選取兩榀I36a型工字鋼作為上端固定梁，截面抵抗距為W=2×17.54×105mm3，可以滿足要求。

4）剪力驗算

固定梁剪力Vmax=6.88×105 N。

選取 1榀 I36a工字鋼作為立柱，則截面積A=76.44 cm2=7 644mm2。工字鋼抗剪強度 fv= 125 N/mm2。

上端固定梁和中間立柱在受6.88×105 N的總剪力情況下，剪切強度計算如下：

1根I36a工字鋼作為立柱剪切強度滿足要求，上端固定梁為2榀I36a工字鋼對拼，可滿足要求。

5）反力梁最大撓度計算

根據(jù)文獻［4］，wmax==0.00 00 01mm，撓度很小，可以忽略不計。

3.4 反力架設計

根據(jù)計算得出反力架中的反力梁截面和上端固定梁截面為兩榀I36a工字鋼橫向拼接，下端固定梁為I40c工字鋼，中間加支頂，按照三點簡支計算，并在拐角處設置肋板，可以滿足要求。立柱為I36a單排工字鋼。材料統(tǒng)一為Q235。

通過結(jié)構(gòu)計算后，反力架外輪廓尺寸為長3 372mm，反力架下寬1 818mm、上寬1 944mm，高3 396mm。頂升空間為100mm。詳細設計見圖11、圖12。

圖11 反力架（下架）平面布置

圖12 反力架（上架）剖面

在反力架設計中，GJ-6為構(gòu)造要求，將反力梁連續(xù)在一起，下部反力梁為滿鋪鋼板。

4 實施效果

經(jīng)過加工設計的大型臺車反力架測試系統(tǒng)，進行了現(xiàn)場應用測試，在施工中，各項指標均達到了設計的預期效果。

率定開始前，先將臺車吊入反力架，就位后使用 4根手拉葫蘆將臺車起升至傳感器安裝高度，安裝傳感器和短軌道傳感器和段軌道之間應有卡槽限位以提高率定數(shù)據(jù)的重復性。

傳感器安裝完畢后，臺車落下，使臺車僅受系統(tǒng)自重，采集系統(tǒng)清零。用千斤頂系統(tǒng)對臺車結(jié)構(gòu)進行預壓以消除偶然荷載，預壓噸位為臺車單輪荷載70 t，以受力最大輪為準，保壓3～5 min卸載至空載，待采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)不再變化后，系統(tǒng)清零，開始率定。

每個組合率定加載時以最大輪壓為受力控制點，平穩(wěn)連續(xù)加載至70 t開始卸載，卸載過程應保持平穩(wěn)連續(xù)。每輛臺車重復率定3次。4個組合做完后每個車輪產(chǎn)生6組率定數(shù)據(jù)，均達到了測試目的。

5 結(jié) 論

通過設計大型臺車反力測試系統(tǒng)，確定了反力測試系統(tǒng)的設計荷載，通過分析計算優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，使得反力系統(tǒng)的測試達到了預期效果，不僅減小了結(jié)構(gòu)的重量，節(jié)約了費用，同時滿足其他的使用功能。目前該反力測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了對膠囊臺車受力的測試試驗，為膠囊臺車的受力測試提供了裝備和技術(shù)依據(jù)，該裝備為首次應用，可為同類工程的設計應用提供借鑒。

［1］張寶昌，付大偉.膠囊臺車頂升與運移大型沉箱工藝［J］.中國港灣建設，2011，（01）：59-62.

［2］汪正榮，朱國梁.簡明施工計算手冊［M］.中國建筑工業(yè)出版社.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設計手冊［M］.中國建筑工業(yè)出版社.

［4］國振喜，張樹義.實用建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊［M］.機械工業(yè)出版社.

Application and Design of Reaction Frame Structure in Stress Test System of Large-sized Capsule bogie

Feng Haibao，Zhang Baochang，F(xiàn)u Dawei
（The Second Engineering Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266071，China）

Large-sized capsule bogie is a new land launching equipment which has been independently designed and developed by China.While caissons are lifted and moved，the settlement of bogie orbit foundation results in much higher stress on bogie wheels，which damages the wheels.It is necessary to detect the dynamic stress on the bogie wheels accurately so as to make up bogie orbit construction and acceptance specifications.Based on the stress test characteristics of the equipment，the mechanical calculation and stress test method are combined to carry out the design of reaction frame structure applying to the stress test system and laboratory load stress test.Finally the detail design of reaction frame structure is produced，which will provide a scientific basis for the design of similar stress test reaction frame in future.

stress test； reaction frame； structure design； application research

U653.923

A

1004-9592（2016）05-0030-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160508

2015-07-03

馮海暴（1980-），男，高級工程師，主要從事港口航道、沉管隧道等工程施工及研究工作。