隧道二衬台车模板受力验算

隧道二衬台车模板受力验算隧道全液压二次衬砌台车长度一般分为6m、9m、12m等规格。 由于模板面板采用1.5m宽的整块钢板经冷弯拼接而成，故隧道二衬脱 模后的混凝土表面光滑平整，拼接缝小，外观非常漂亮。同时施工时 大大减小安装模板的劳动强度，成为隧道二衬施工中的得力助手。二衬台车模板分顶模、左右边模三部分，分别通过顶升和左右 两边的液压系统来调整和校正模板的正确位置。混凝土由混凝土输送 泵泵送入模，混凝土的自重及边墙压力靠模板来支承。模板的整体刚 度、强度由拱板、托架和千斤顶来共同支承，保证模板工作时的绝对 可靠。由于顶模受到混凝土自重（浇筑后初凝前）、施工荷载以及泵送 口封口时的挤压力等荷载的共同作用，其受力条件显然比其它部位的 模板更加复杂、受力更大、结构要求更高。由于台车边模与顶模的结 构构造基本一致，而边模一般不承受混凝土白重，荷载较小，因此对 台车模板进行受力验算时只考虑顶模的影响。台车模板一般由宽1.5m、厚8mm的整块钢板冷弯拼接而成，从 台车的轴线方向看是一个圆柱壳状体，且是由多个1.5m长的圆柱壳状 体组合而成。通过计算可知模板下的托架支承以及弧形拱板（肋板.宽 220mm，厚12mm）的强度和刚度是足够的.而顶模受到各种荷载的共 同作用是最大的。因此.取台车顶部模板最顶部2m宽度、1.5m长度 的这部分模板建立力学模型，进行受力分析和验算并校核模板的强度 和刚度。其受力简图如图1所示。该模板厚8mm，背筋采用Z75X6加 强角钢.间距250mm。阁L分析部分受力荷图沏2、梁隼兀结梅受力播图如图1所示.建立力学模型的这部分模板上的荷载由两部分组 成.一是混凝土的自重：二是混凝土输送泵泵送口进行封口时产生的 较大挤压力，该值的取值是不确定的.它与泵送封口时的操作有极大 的关系。如果混凝土已经灌满，而操作人员仍然泵送混凝土，混凝土 输送泵的理论出口压力(36.5kg/cm)很大，就有可能造成模板的严重变 形。由于输送管的长度及高度的变化，泵送接口处的压力实际有多大， 目前没有理论及实验验证的数据可供参考。据此情况。操作工就必须 及时掌握和控制泵送过程，随时观察灌注情况，根据操作经验判定是 否灌满，并及时停止泵送，进行封口。1、建立力学模型部分的混凝土自重荷载P1如图1所示，该部分的为宽2m,长1.5m,厚0.8m的混凝土，查路 桥施工计算手册C40C60混凝土密度近似取为2.45七缶3,(参考l中 258页)则混凝土自重为W:W=2 X1.5X0.8X 2.45=5.88(t)。折算成单位面载荷Pl：Pl=5.88/(2X1.5)=1.96t/m2。2、建立力学模型部分隧道混凝土输送泵泵送时的挤压力所产生的挤 压面载荷P2参考自日本歧阜工业公司提供的参数2,该值取为P2=4.7t/m2。3、建立力学模型部分的总荷载P：P=P1+P2=1.96+4.7=6.66t/ m2。4、模板的弯曲应力由于模板的内表面每隔250mm有一根背筋(加强角钢Z75X6)，因 此。我们可以把它简化成间隔250mm的梁单元来考虑。将宽度250mm 的模板所受到的载荷折算成梁上均布载荷。这种方法也是在有限元单 元处理中常用的方法，其翼缘板的宽度取它与之相邻筋板间距的30% 修考3中97页)，即250X0.3=75mm，偏于安全。根据上述模板所受的面载荷为6.66t/m2，那么在250mm宽， 1500mm长的面积上所受到的载荷为6.66X0.25X1.5=2.5(t)，将此载荷 作用在1.5m长的梁上。则其均布载荷q=2.5/1.5=1.67(t/m)。如要对整 个模板进行受力分析，就必须将整个模板等效成梁单元的空间框架结 构，利用有限元理论，通过电算进行有限元分析。这里，我们只能取 一根梁进行分析，简化后的梁单元力学模型按简支梁处理，其受力简 图如图2所示。这是因为两边有220mm高的拱板及立柱支承，梁的截 面如图3所示。为计算梁的弯曲应力，就必须先计算梁横断面的截面的形心，该 截面是由75 X 6mm的角钢及150X8mm的矩形组合截面。根据图示坐标系.计算组合截面形心o 0的X、Y坐标。图、梁单元的横截面根据4中附l一4组合截面形心公式计算形心X、Y的坐标。X=EAiXi/EAi?, Y=EAiYi/EAi查表可知角钢75X6的横截面积A=879.7mm2，惯性矩Ix=469500mm4。将各值代入，则：X=(150X8X 75+879.7 X 95.7)/(1200+879.7)= 83.76mmY=(150X8X 79+879.7 X 20.7)/(1200+879.7)= 54.34mm根据组合截面的平行移轴公式计算组合截面的惯性矩Ix：Ix=150 X 83/12+8 X150X 24.662+469500+879.7 X 33.642二2201150.87mm4抗弯截面模数W=Ix/(83-54.34)=76802mm3。抗弯截面模数W =Ix/54.34=40507mm3。 2简支梁受到均布载荷作用下的最大弯矩位于跨中，其值为：M =qL/8=1.67 X 104X1.52/ 8=4.7 X 103（N.m）粱的最大弯曲应力。二M / W2=4.7 X 103/14.0507 X10-5=l16.03Mpa对于A3钢，七=160 Mpa,所以，梁的强度满足要求。5、模板的最大位移梁单元的最大变形量.即模板的最大位移。根据公式51一114中对应的受均布载荷简支梁的位移公式：f =5q14/384EI式中.E-弹性模量，E=2.1X105 MPa；I-截面的惯性矩，I=2.2Xl0-6m4；q-梁受到的均布荷载，1.67X104N；1-梁的长度.L=1.5m。将以上各值代人：f =5X1.67X104X 1.54/（384 X 2.1 X1011X 2.2 X10-6）=0.0024m=2.4mm即模板的最大变形为2.4mm。查公路工程质量检验评定标准JFG F80/12004可知，用2米尺检查平整度允许值为20mm,远大于2.4mm。即模板的刚度也同样满足要求。通过以上的受力验算可知，模板厚8mm,背筋（加强角钢，为L75X 6,间距为250mm的模板台车对于二衬厚度800mm的混凝土隧道 来说.其强度和刚度均是足够的。参考文献1 、路桥施工计算手册.人民出板社，2002;2 、隧道施工机械简明手册第一册.铁道部隧道工程局，19843 、弹性和塑性力学中的有限元法，机械工业出版社.1988;4 、材料力学，人民教育出版社.1983;5 ,机械设计手册第三版，化学工业出版社，1994;6 、公路工程质量检验评定标准JFB F80/12004。