淺議小直徑全圓針梁臺車的設計

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、機電設備和金屬結構安裝等工程。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設一道環向施工縫，縫間埋設橡膠止水帶，各類圍巖分類洞段均存在部分徑向超挖現象，針梁臺車荷載設計時暫按平均徑向超挖20cm計。

2 設計分析與思路

根據隧道斷面圖和工程概述可知：所設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）。根據以上特點，提出以下設計思路：（1）臺車的模板部分，作為最直接的載荷承載和傳力構件，應首先選用較大的截面，和基本的板面厚度，其支承構件及其與面板組合而成的截面，應具有較大富裕量的截面模量。（2）作為傳力機構的門架、針梁和托架部分，同樣除了應保證板材的基本厚度和較大安全裕度的截面和截面模數外，還應充分考慮其結構的穩定性和可靠性。（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面是該臺車設計的又一關鍵。應力求使臺車在使用過程中各基礎構件盡可能承受單一載荷，少承受復合載荷。（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。平移機構擬采用2支油缸完成對臺車軸線與隧道軸線位置調整。

3 設計方案

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接，為了加強模板之間的整體連接強度，設計有模板連接梁。

針梁總成是鋼模的受力支撐平臺和臺車行走的軌道。為箱梁結構，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接，構成一個門框式構架，在框架上、下部安裝有行走輪系，針梁從門框內穿過。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成框架結構，根據澆筑直徑和襯砌厚度，為了增強門架的強度和穩定性，門架立柱間設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構。

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，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，針梁和鋼模互為支點相對運動使臺車前進。

抗浮裝置是為了考慮一次性澆注，當澆注速度過快時，鋼模將受到混凝土產生的浮力，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向千斤頂，使針梁和鋼模不產生側向位移。

行走機構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針梁的上下方，軌道采用22Kg鋼軌，滾輪設計成帶輪邊的結構，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

臺車結構的受力分析分工作和非工作兩種狀態。在作受力分析和剛度、強度校核時，應以臺車構件受到的最大荷載為依據。同時，設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生的擠壓力構成。砼的自重可通過理論計算，但注漿口封堵時產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系，若臺車及輸送泵操作人員按規范嚴格操作，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。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 梁的單元結構受力示意圖

為計算彎曲應力，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= 50mm

y坐標=∑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 W=Ix/y= Ix/83=51.3×103mm3

對Q235鋼，許用應力[σS]=170Mpa，則梁的最大彎曲應力

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構，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，產生的繞度也較小，故不對此狀態下的針梁進行受力分析。在臺車行走且當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 結語

根據以上對臺車模板、針梁等的設計、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計是可靠的，完全可以滿足施工要求。