新型衬砌台车机械原理及其结构优化.pdf

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新型衬砌台车机械原理及其结构优化1 新型衬砌台车机械原理及其结构优化2 新型衬砌台车机械原理及其结构优化3 新型衬砌台车机械原理及其结构优化4 新型衬砌台车机械原理及其结构优化5 新型衬砌台车机械原理及其结构优化6
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——文章编号:10094539(2017)100071一06・隧道/地下工程・新型衬砌台车机械原理及其结构优化李华(中铁十一局集团第四工程有限公司湖北武汉430074)摘要:为改善隧道施工通风环境,节约衬砌台车采购成本,本文对传统台车结构、通风性和无骨架台车构造、技术参数、安装方法及脱模工作原理进行介绍。以某无骨架台车为原型,利用有限元软件对其进行结构受力分析及汇总材料数据,并对结构优化设计,形成铰接式台车方案。结果表明:铰接式台车结构受力科学,内部空间大,自重轻,拆装快捷,通排风效果好,值得推广应用。关键词:衬砌台车有限元结构优化机械原理经济分析中图分类号:U455.3+9文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.10.017MechanicalPri眦ipleandStmctIlreop廿mjzationofNewLiningTmlleyLIHua(ChinaRailway11山BureauGmup4山EngineeringCo.LId.,wuh肌Hubei430074,China)Abstract:Inordertoimpmveventilationenvironmentoftunnelco璐tmction蚰dsavethepurch酗ingcostofliningtIDUey,thepaperintmducedthetraditionalliningtmUeystrtlcture,ventil砒ionperfbm蛐ceandno・skeletonliningn_0Ueystnlcture,technicalparameters,instauationmetllodsanddemouldingprinciple.Takingano-skeletonliningtI_0ueyasprototylpe,byu-singfiniteelementsoftware,t王lepapercaniedon锄锄alysisoftllestnlct删s吮ss,summaIjzedlhematerialdata,鲫d叩-timizedtllestmcturedesigntoⅡfontlIeaniculatedliIlingtmUeypl粕.Theresultsshowthatt}IeanicIllatedliningtroUeystmctureisscientific讯tlllargeintemalspace帅dliglltweight,ith船arapidityfordisassembly绷d鹊seIIlbly,肌dagoodventilationeffect,whichiswonhybeingpopul撕zedaIld印plied.Keywords:tunnelengineering;liningtroUey;finiteelement;stnlctureoptimization;mech帅icalprinciple;economic‘analvsis1引言隧道衬砌模板台车(以下简称衬砌台车)是指一种由钢材制造的、具有一定形状、一定强度和刚度的,用于隧道混凝土二次衬砌作业以达到所需要的表面形状和尺寸的隧道施工机械¨J,是隧道钻爆法施工中必不可缺的设备。随着国家对隧道施工标准的提高,通风标准化与人工环境控制等已成为隧道施工发展的新方向和强制性要求。传统衬砌台车门架采用桁架结构,桁架有限的——收稿日期:20170803—基金项目:中铁十一局集团有限公司科技研发项目(1608)作者简介:李华(1968一),男,高级工程师,主要从事桥隧地铁施工设备研究。空间加之密集的支撑,既有碍通风管道的通过也阻碍污浊空气回流排出洞外,这是制约隧道通风质量的一个瓶颈。隧道回风性能差,掌子面空气流通不畅,直接影响施工人员的身体健康。但为保证洞内空气质量良好,通风设备需长时间运行,无疑增大了能耗,加大了成本。当传统衬砌台车用于长大隧道时,这种缺陷表现尤为突出。最近中铁隧道装备制造有限公司研发设计出的新型无骨架衬砌台车减少了衬砌台车结构件,较传统衬砌台车更有效地改变了洞内通风条件。但在同等隧道断面的情况下,该新型台车自重大约为传统衬砌台车的1.2倍,造价高、能耗大、拼装费工,使用经济性较差,市场接受度不高。因此,本文利用某有限元分析软件,通过对新型无骨架台车构造进行受力分铁道建翁技术RA『LWAyCONS丁尺UC丁『0N丁£鼢HNOLOGy20T7fTOJ71万方数据・隧道/地下工程・析,在保证无骨架衬砌台车外形尺寸、强度的前提下,优化主要受力构件的位置、连接方式和构件外形,尽量充分发挥结构受力特征的同时又能降低构件重量,以保证优化后台车结构安全、适用性强、经济性好。2基本构造、技术参数及设计意图2.1基本构造新型无骨架衬砌台车结构如图l所示,由行走系统(轨道、行走轮箱、纵梁)、基础平台(横移架、基础底架、车行平台)、液压系统(液压站、主油缸、平移油缸、上展油缸、下展油缸、基础平台油缸)、模板系统(小臂、上模板、下模板、小边模、操作平台)等四大系统组成。2.2技术参数(1)衬砌参数:理论衬砌长度12m,单块模板宽度1.5m。20使其脱离地面随衬砌台车一并前行。基础底架18功能与传统的门架功能相近,衬砌时连接支撑两侧下模板底部,其高度已降至可供车辆行走,使衬砌台车整体净空增加。l一顶部铰链;2一泵送料管;3一操作平台;4.上模板;5一中部铰链;6.固定杆三角座;7一上展油缸:8一小臂;9一下模板;lO。爬梯;11.滑轨;12.升降油缸;13.滑套;14.驱动轮;15.横移油缸;l6一下展油缸;l7一车行平台;(2)液压系统:采取液压脱模方式,液压系统压’”‘8甚础暖架:1。黄够袋:!懈升油缸力12MPa;升降油缸行程450mm;横移油缸行程图1新型无骨架衬砌台车结构(单位:mm)=50眦:薹霎妻墨瑟夏.罢:=:.上展碧苎耍凳3机械原理分析300mm;车行平台升降油缸行程300mm;小边模油。……”“m一州1缸行程500mm。3.1安装方法(3)行走系统:轨道中心距8.2m;四轮驱动方首先铺设好轨道,安装好基础底架再安装横移∥式,行走速度6.7min,驱动电机功率4×7.5kw。架,连接好电气系统、液压系统、调试基础底架及横(4)车行平台坡桥坡度9%L2J。移架至可以正常运行。2.3设计意图然后立模板。先立横移架处的第1榀两侧下模(1)设计时将模板分成上模板4和下模板9两板3再依次立第2~8榀的两侧下模板3。将横移块,同一榀的两块上模板在顶部通过顶部铰链1连架固定牢靠不允许其移动,然后安装第1榀两侧上接,下模板与上模板通过中部铰销5连接,同时通过模板1,中部铰链B处插入销轴,同时安装好上展油固定杆三角座6连接,拼装时模板通过上展油缸7缸2和微调丝杠,通过调整上展油缸2及微调丝杠保调整上模板。模板分为上下两块既减轻了单块模证两侧上模板l顶部铰链曰铰点同轴,以方便打人销板的重量方便吊装,又可通过转换三角座不同的连轴,安装固定杆(注意微调丝杠也要换成固定杆)。接面从而适合变断面衬砌。至此第l榀模板已全部安装完毕且封闭成环,随后采(2)设计时横移架19置于基础底架18上并加用此方法依次安装第2~8榀两侧上模板。其具体机设滑轨11、升降油缸12、下展油缸16、横移油缸15械原理旧1如图2中a所示,每榀模板成环后实际为三等,同时滑轨与下模板小臂连接使整个模板与横移铰刚架Ho,模板横向连接均采用10.9s级M20高强架形成闭环结构,操作液压系统可实现两侧下模板螺栓怕1,以保证连接可靠安全。的升降、开合、平移等动作。3.2脱模原理(3)设计车行平台17是供衬砌时车辆行走通衬砌台车全部安装固定好后即可进行衬砌施工,过时使用,在衬砌状态下车行平台底座置于地面但其状态如图2b所示,其中在固定杆2的作用下使得平台底部不与基础底架18直接接触,以防车辆通过上模板1与下模板3(含小臂)构成一个定型的整体,时振动传至模板,待衬砌完毕时通过平台顶升油缸该整体以顶部铰点D为圆心以尺为半径沿图2b所72铁道建笳技术F矾『LMyⅡc0NS丁开L『c丁『0~-cH~O£-0Gy2DT7f7DJ万方数据・隧道/地下工程・示的轨迹(双点划线)做圆弧运动。衬砌时可将顶部铰接点0及两块下模板上小臂滑块轴D点作为三角形三顶点,使其模板与基础底架形成整体闭环结构,有效地提高模板刚度。混凝土强度达到可脱模要求时可进行脱模操作,其脱模过程分三步。B2;C3a.安装上模板时状态n蘸≥茎矮1羹趸兔≥震≤惫纛蒡旦《正晓妥F埋・』》芘生・爿刚性连接,计算时假定基础底架为固定支座,能够提供各个方向的约束。4.1.1计算指标(1)应力指标①抗拉、抗弯、抗压应力:215MPa;②抗剪应力:125MPa。(2)变形指标①≤钢模面板变形1.5mm;②≤∥主构架变形500[6|。4.1.2荷载计算该衬砌台车所受的荷载情况是以水平半径为界限分为上部垂直荷载和中下部侧向荷载川。(1)上部垂直荷载假设顶模板受到混凝土初凝前自重、施工荷载以及泵送封口时的挤压力等荷载的共同作用(此假设偏于安全)"J,其受力情况比其他部位的模板更复杂,而且受力更大,结构要求更高。具体的上部垂直荷载如下:①永久荷载第一步:操作多路换向阀控制小边模油缸(因上部混凝土自重:其与传统衬砌台车相同,故图中未示出)收回小边G。。:型』生二堡芒.二竺1咝×10一,模并用倒链固定。‘第二步:操作多路换向阀控制下展油缸5,此时由“式中,Gs为上部混凝土重量(kN);R为二衬内轮廓上模板1与下模板2(含小臂)构成的整体在滑块4的半径,取值6・7m;巩为最大二衬厚字,取粤o・5m;限制下以顶部铰点0为圆心以R为半径做圆弧运动,P为钢筋混凝土密度,取值2・5×103kg/m3;g为重所有模板面除顶部铰点处外均脱离二衬衬砌面,具体力加速度,取值lON/kg;L为单板二衬长度,取值情况如图2c所示,图中阴影部分为此步脱模时状态。12m。将以上各值代人上式得:第三步:操作多路换向阀控制升降油缸6使整G。h23275kN个模板系统下降至衬砌台车可穿行状态,具体情况则混凝土对上部模板的压力:垫粤三:l要妻里!婴孑竺分耋些当璺篓警态,此P曲=要=盖=r未0筹币=20(kN/m2)时衬砌台车可前行进入下一板的立模板状态。..“u8…。““….。~.衬砌台车前行后,立模时如果偏离隧道中心“式中,Ps为投影面上单位面积混凝土重量(kN/m2);线,可通过操作多路换向阀控制横移油缸7使整个“Gs为上部混凝土重量(kN);s。n为投影面积(m2)。台车在横移架8上左右横向移动来实现纠偏,立模②司变荷载操作按脱模顺序逆向操作即可。a・施工人员及设备荷载标准值:2・5.kN/m2;b.振捣产生的荷载标准值:2‘kN/m。4结构优化(2)中下部侧向荷载4.1受力分析①永久荷载利用某有限元软件进行力学计算,计算时根据新浇混凝土作用在模板上的爨大侧压力按下相同的结构尺寸建立空间模型,对于模板面板采用列公式计算,并取二式中的较小值p1:板单元模拟,其他杆件采用梁单元模拟,梁柱之间F,=0.22y。t胡。皮l,}镁道建笳技术RAJLWAyCONS丁开UC丁f0~丁f-cf_,N0f0Gy2077仃DJ73划州上踟羹,。∥。:尹毒n¨砌1J‘_f≈5.~一九≮‰≯蜊≯艮一oo旦万方数据・隧道/地下工程・,。2=7。爿式中,F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力(kN/m2);y。为混凝土的重力密度,取y。=25kN/m3;%为新浇混凝土的初凝时间,取£。=6h;y为混凝土的浇灌速度,取y=2m/h;日为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度,日=6.0m;卢,为外加剂影响修正系数,卢。=1.2;届:为坍落度影响修正系数,届:=1.15。将相关值代人以上二式,分别得:Fl=64.4(kN/m2)疋=125(kN/m2)(舍去)②可变荷载a.倾倒混凝土荷载值:2.5kN/m2;b.振捣混凝土时产生的荷载标准值:2kN/m2。③荷载组合:恒载×1.2+活载×1.44.1.3建立模型利用Midascivil建立其受力分析模型,其中面板及法兰采用板单元,其余构件均采用梁单元。4.1.4结果分析(1)刚度验算¨oJ该二衬台车整体位移情况如图3所示。一蘸鬻图3整体位移’由图3可知:丘。_8.6一/J、于志=等=26.8mm,式中,£=13400mm,为隧道跨径,故该台车刚度满足要求。(2)强度验算该二衬台车主构架(不含模板部分)组合应力情况如图4所示。74由图4可知其主构架最大组合应力:盯。。=274.4MPa,大于[盯]=215MPa其最大组合应力发生在小臂与模板背楞连接处,为确保其强度,在此处加焊20mm×500mm钢板加强。其余部位材料强度均满足要求。(3)材料统计利用Midascivil的材料汇总功能,导出该结构台车材料如表1。从表1可知达到衬砌功能的材料需求量47.65t+71.57t=119.22t,而根据实际结构统计其总重量为150t,可见其中30.78t的材料是因行车平台等辅助设施而消耗,明显浪费。表1材料统计序号I类型梁单元/t板单元/t合计/tl】02354.77E+Ol7.16E+Ol1.19E+024.2优化方案该新型衬砌台车于2011年在云桂铁路上初次试用,隧道通风环境得到改善,洞内空气质量提高。但由于自身重量较大,存在先期投入高、使用脱模费时、行车受限等诸多问题。为此针对问题进行结构优化。综合传统衬砌台车和该型台车的优点对其结构做如下调整:(1)调整原模板法兰,与传统台车一致。(2)将顶铰接点下移,改为铰接式门架。(3)取消原车行平台,增设门架横撑杆。调整后的台车称之为铰接式台车,结构如图5所示。图4主构架组合应力(1)刚度验算7铁道建筑技术RAt哪州coNSTRUcTloNTEcHNOLoGY2017110)台副式酒接似汪铰立谍沂5算建瞧分图计型拟果化模弘结一一~一一万方数据・隧道/地下工程・通过建模分析得该铰接式台车整体位移情况如图6所示。由图6可知:L=9.6mm,小于志=等-24mmo式¨-12000mm,为台车长度,故该台车刚度满足要求。图8优化后面板应力情况由图7和图8可知:主构架最大组合应力:盯。,=97MPa,小于[盯]=215MPa。面板最大应力:盯。。=41.7MPa,小于[盯]=215MPa。故其材料强度均满足要求。(3)材料统计利用Midascivil的材料汇总功能,导出该结构台车材料见表2。表2材料统计序号l类型梁单元/t板单元/t合计/t102354.46E+013.9lE+0l8.37E+Ol从表2可知达到衬砌功能的材料需求量仅为44.6t+39.1t=83.7t,加上操作平台、爬梯等辅助设施后其实际总重量约为106t,该重量较同型号规格的传统台车和无骨架台车均轻。5成本分析及应用从安装(洞外安装)费用、台车本身造价等方面综合对比传统台车、无骨架台车和铰接式台车各项目经济性指标,具体见表3。表3成本分析序项阜墩,传统台车无骨架台车铰接式台车(12m)(】2m)(12m)号目力兀数量小计数量小计数量小计1人工0.02801.62404.8641.282汽车吊O.16lO1.6152.481.283造价O.6212778.7415093.010665.724合计/万元81.94100.268.28通过对比费用不难发现铰接式台车总成本最低,较传统台车节约成本约16.7%,较无骨架台车节约成本31.9%。仅从成本上考虑铰接式台车明显优越于其他两种形式的台车。该型铰接式台车在中铁十一局集团施工的成贵铁路、黔张常铁路、郑万铁路湖北段隧道二衬施工中得到应用,效果良好。6结束语(1)目前,国内铁路隧道施工要求二衬浇筑必须采取逐窗人模、带模筑浆等新工艺,而铰接式台车内部空间充裕,方便布置相关工装。如利用有限元软件对立柱及纵梁等关键性构件进一步优化,整个台车自重将更轻,内部空间更大,扩展上述新工艺装置更方便。(2)铰接式台车更易实现多功能变截面,在稍加改动的情况下能满足不同隧道断面的衬砌。(3)利用铰接式台车的升降缸,能实现台车步履自行,无需人工铺轨。因此,铰接式台车在隧道二衬施工中值得推广,在保证施工质量、加快施工速度、减少劳动强度方面也具有重要的科学意义和工程应用价值¨1|,更利于标准化作业和安全文明施工¨2|。铁道建麓技术只A『LWAyCONS丁只UC丁『0~丁£-CHNOLOGy2DT7rTOJ75恕搿耋童鬈器舞板徽端黜端嬲戡船勰翌怒裟淼涮獬黜黼鬻唧耐黧簇蹇藤力徽淼裟怒茏一雕薛猎堋醮蘸制雕匪万方数据・隧道/地下工程・参考文献[1]刘旭阳.隧道衬砌模板台车设计的探讨[J].中国建筑金属结构,2007(2):1.[2]邢泊,姚宇.新型无骨架隧道衬砌模板台车洞内安装—方法[J].隧道建设,2011(6):737742.[3]庞振基,黄其圣.精密机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000:80一87.[4]单建,吕令毅主编.结构力学[M].江苏:东南大学出版社,2004:39.[5]叶君主编.实用紧固件手册(第二版)[M].北京:机械工业出版社。2010:163.[6]汪正荣.建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工——一+一+-+-+一+-P一_卜业出版社,200l:426.[7]马琴芳.基于MidaLscivil的衬砌台车受力分析模拟—[J].筑路机械与施工机械化,2013,30(3):7375.[8]徐爱英,牛旭,赵增耀.隧道衬砌台车有限元结构仿真及—优化设计[J].塔里木大学学报,2009,21(4):2628.[9]周水兴,何兆益,邹毅松,等.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通出版社,2001:174.[10]魏明钟主编.钢结构(第二版)[M].湖北:武汉理工大学出版社,2012:127一133.[11]刘云珠.老尖山隧道可变截面衬砌台车设计[J].铁—道建筑技术,2016(12):8185.[12]莫立胜.双线隧道仰拱整体式浇筑台车的研制及应用—[J].铁道建筑技术,2015(12):7882.(上接第65页)4.3合龙段施工合龙段采用吊架现浇施工。合龙顺序为先合龙边跨,再合龙中跨。合龙段施工时,提前一周对合龙段内外温度进行连续测量,混凝土浇筑选择在温度最稳定的1d,‘且温度最低的时段进行[10砼]。主梁合龙过程是主梁由悬臂状态向固定状态转变,也是体系转换的过程,梁段受力状态复杂,施工前应进行合龙施工计算。按照设计规定的温度范围进行合龙段劲性骨架临时锁定和混凝土浇筑施工¨3I,避免因温度引起合龙段受力破坏,并根据等载替换原则配置换重荷载,以保证主梁在合龙过程中的荷载分布保持一致,防止因荷载变化引起合龙段受力破坏。5结束语在金南大桥主梁施工时,根据主梁的特点,制定合理的施工方案,科学设计牵索挂篮结构,不断优化技术方案,合理资源配置,精心组织施工,严格质量控制。主梁于2017年6月顺利合龙,主梁完成体系转换后,监测数据显示,梁体内力和线形符合设计和规范要求;主梁施工质量、安全、进度均达到了预期效果,可为类似桥梁施工提供借鉴。76铁道建筑技术参考文献[1]张科辉.现浇连续梁钢管柱贝雷梁组合支架应用设计—[J].铁道建筑技术,2015(8):1822.[2]覃耀柳.大跨度支架现浇斜拉桥施工控制技术研究[D].成都:西南交通大学,2012.[3]“”李俊杰.顶桁架走行系统牵索挂篮在倒八字斜拉桥悬臂主梁施工中的应用研究[J].铁道建筑技术,2016—(7):6870.[4]汪文霞,郭强,游新鹏.混凝土斜拉桥牵索挂篮设计—[J].中外公路,2011(2):9599.[5]田晓东.斜拉桥前支点挂篮整体吊装施工技术[J].世—界桥梁,2009(4):2225.[6]任冬.斜拉桥牵索挂篮施工技术[J].交通世界,2016—(31):7879.[7]邵光亚.忠县长江大桥牵索挂篮施工技术[J].城市建筑,2016(2):81.[8]彭亮英.大跨连续梁0号段分层施工支撑结构受力研—究[J].铁道建筑技术,2015(4):3640.[9]中交第一公路工程局有限公司.公路桥涵施工技术规范皿G/T跚一2011[s].北京:人民交通出版社,2011.[10]吴晓华.渭河特大桥悬臂浇筑合龙段施工技术探讨—[J].铁道建筑技术,2012(7):46.[11]李景丰,蔡泳.独塔混凝土斜拉桥边跨合龙段施工方—案优化[J].中外公路,2009(4):125128.[12]高云河,顾金水,黄冬梅,等.团结河大桥合龙段施工关键技术研究[J].施工技术,2016(10):9l一93.[13]向中富,邹毅松,杨寿忠.新编桥梁施工工程师手册[M].北京:人民交通出版社,2011.RA|U^『AYcoNSTRUCTlONTEcHNOLoGY2017110l万方数据
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