1、钢模台架门架结构受力分析一、前言下锚段衬砌台架（简称台架）的整个载荷（混凝土自重及侧压力）是以型钢钢架竖向、水平方向上各支承丝杆传向于支承门架。门架承受台架行走及工作时的竖向及水平载荷。见图 1。图 1 衬砌台架正视图二、台架结构受力分析台架的整个载荷（混凝土自重及侧压力）是通过型钢钢架竖向、水平方向上的各支丝杆传向于支承门架。小钢模板本身承受浇注混凝土时的面载荷；门架承受台架行走及工作时的竖向及水平载荷。台架结构受力分析应考虑工作及非工作两种工况下的载荷，由于门架是主要的承重物件，必须保证有足够的强度、刚度及稳定性。因此，强度校核时应以工作时的最大载荷为设计计算依据；非工作时，台架只有自重，
2、结构受力较小，此种工况作为台架的行走校核及门架丝杆的强度验算，本文暂不考虑。由于台架上下模板的受力不同，其载荷分析可分成两部分，然后再进行载荷组合，对门架进行强度校核。1、顶模板载荷分析A 单元型钢钢架承受整个上部模板的载荷，而丝杆支柱共有 49 个支承点，承受竖向载荷并传力于脚手架，脚手架最终将荷载传给门架。顶部衬砌最大衬砌厚度为 1 米。顶部模板承受的载荷为最大开挖 1 米时的混凝土自重及注浆口封口时该处的挤压力。由于混凝土输送泵通过几十米的水平管道及竖直管道向台架输送混凝土，与注浆口接口处的局部挤压力较大，其它地方压力较小。因此，强度计算时，只考虑自重载荷的压力对模板影响这在工程计算中是
3、可行的，在实际设计时，局部加强顶模及考虑一定的安全系数。由于上部挤压应力没有确切的理论数据可作参考，台架设计一般根据国外类似结构及经验加以考虑。1.1、顶部混凝土自重假设混凝土厚度为最大开挖厚度 1m，台架衬砌长度为 5 米，衬砌时上部整个混凝土的自重由上部 A单元所对应的模板承受，则顶部模板受力简图如图 2 所示。图中由 BEFC 四点构成的阴影部分面积即为混凝土截面积，即：总面积 28573.16.014. mS则混凝土自重 tW928573图 2 顶模板结构受力简图1.2、丝杆支承强度校核混凝土自重通过 49 根丝杆承受,假定每根丝杆的受力相等,则单根丝杆受到的总合力为： tP463.9
4、751.28丝 杆7 根丝杆传递的荷载为 4.46437=31.2501t。由 15 根脚手架立杆传递给横梁。每根脚手架立杆承受31.2501/15=2.0167t竖向丝杆采用矩形螺纹 8010，螺杆及螺母均为 45#钢，其 s=360Mpa， b=180Mpa，=108Mpa，安全系数为 2。由于螺杆和螺母材料相同，只需校核螺杆螺纹强度。根据螺杆弯曲强度公式 1： bbzdhF213螺杆剪切强度公式 1：Zbd1式中 F轴向载荷 N，F4.464310 4N，h螺纹的工作高度 mm，矩形螺纹 h=0.5P=5mm；d 1外螺纹小径，d 1=69mm；z旋合圈数，z=H/P，P 为螺矩 10m
5、m，螺母高度 H=90mm，则 z=9；b螺纹牙底宽度 mm，矩形螺纹 b=0.5P，即 b=5mm；将各值代入上式得 bb MPa736.1956043.248.1.4因此，竖向丝杆强度通过。2、边模板载荷分析台架左右边模对称，结构及受力完全相同。边模板只考虑浇注砼时的侧压力对其影响。边模上部通过焊接与上模板相连，底部直接置于地面，每榀钢架通过 8 根丝杆与门架连接。单边侧向支承丝杆 7 组共 28 个支承点承担侧压力引起的水平载荷，而侧压力引起的竖向载荷（浮力）通过台架的自重来稳定。为偏于安全考虑，上部及下部假设不承受约束，整个水平方向上的载荷靠 28 个支承丝杆来承受。实际上，在浇筑靠近
6、上部的中间边模板时，下部模板应已达到初凝。2.1、边模板水平载荷及丝杆轴向载荷由于边模垂直度较大，可近似的视其为直边墙来进行水平载荷的计算，已知台架衬砌长度为 5 米，边模板弧长为 5.59 米，边墙的侧压力取为 4.7t/m2 2，偏于安全，则边模板水平载荷为： tW365.17.459假设上述水平载荷由 28 个侧向支承丝杆承担，而中间五组丝杆承受的力是两边承受的力的一倍，因此中间五组丝杆承受的力最大，则中间每组丝杆承受的力为 131.365/621.8942(t)。假设每组载荷由 4个丝杆平均承担，则每个丝杆的轴向载荷为 21.8942/45.47355(t)。实际情况是边模载荷是不断的
7、变化，下部浇注时，上部丝杆受到的侧压力很小；上部浇注时，下部模板也许达到初凝，丝杆受到一定的侧压力。假设边模全部很快浇注完时为模板的最大受力情况（此假设偏于安全） ，则各丝杆受力变化不致太大。2.2、水平丝杆的强度校核水平丝杆采用梯形螺纹 Tr609，螺母高度 H=70mm，螺矩 P=9mm，则丝杆的弯曲及剪切强度为：bbzdhF213 ZbdF1式中 F轴向载荷 N，F5.473610 4N，h螺纹的工作高度 mm，梯形螺纹 h=0.5P=4.5mm；d 1外螺纹小径，d 1=50mm；z旋合圈数，z=H/P，P 为螺矩 9mm，螺母高度 H=70mm，则 z8；b螺纹牙底宽度 mm，梯形螺
8、纹 b=0.65P，即 b=5.85mm；将各值代入上式得 bb MPa192.785.0.41736.244因此，侧向支承丝杆强度通过。3、门架整体结构的受力分析及强度校核台架门架是一个空间的整体框架结构，为了保证整体结构的稳定性，门架横梁、立柱之间通过 18b工字钢把其联成整体。其主要水平及垂直方向的载荷靠七榀门架承受，在七榀门架中，中间的门架受力最大，其受力简图如图 3 所示。图 3 门架结构受力简图从受力简图可以看出，门架上部横梁受到竖直载荷作用，门架立柱受到水平载荷作用。因此，台架门架整体框架结构的受力分析可按以下两种载荷组合作用进行分析：1、水平载荷（侧压力） ，单榀门架共 8 个
9、力，每个力大小约为 5.4736104N；2、垂直载荷（模板自重、最大开挖厚度时的混凝土自重） ，单榀门架共 15 个力，每个力大小约为2.0167104N。整个门架的强度计算在接下来的工作中，我们将应用 midas 软件对整个门架结构进行受力分析，确保结构的安全可靠。20b 工字钢抗拉强度等于抗压强度:215N/mm2 (GB 50017 表 3.4.1-1)其分析结果如表 1 及图 4、图 5 所示：表 1 分析结构结果名称 最小值 最大值组合应力 -127.97 MPa -15.80MPa 最大主应力 -101.334MPa 60.65 MPa 最小主应力 -32.67MPa 32.67
10、MPa 变形 0.00mm 3.648mm安全系数 1.68 适用表 1 列出了分析生成的所有结构结果。图 4 和图 5 显示了每个结果在零件表面的分布。 图 4 组合应力 图 5 位移三、结论根据上述的分析计算，台架门架结构及各受力丝杆的强度是足够的。但在使用过程中，应严格按照使用规范的要求和适当的浇注速度（1.0m/h） ，撑紧模板下的地脚丝杆及固定好台架，衬砌厚度严格控制在设计范围内。由于工况及操作的变化，在设计台架时对局部可能引起变形的地方（如模板的横加强筋及拱板）都较一般台架作了加强。因此，该台架的结构设计合理，使用安全可靠。参考文献：1、 机械设计手册新版，机械工业出版社，2005：15-92、 隧道施工机械简明手册第一册，铁道部隧道工程局，19843、 水利水电工程施工组织设计手册第五卷，中国水利水电出版社，1997：8124、 施工结构计算方法与设计手册 ，中国建筑工业出版社，1999：2335、 起重运输机金属结构 ，中国铁道出版社，1983
