台车计算书.docx
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台车计算书
台车设计计算书
此份台车结构强度设计计算及校核书是根据项目经理部提供的台车设计要求及所附图纸中提供的技术参数进行结构受力演算，其结果仅对该台台车的结构受力有效。
一、工程概况及其对钢模台车设计要求
1、钢模台车的制作和安装需执行《隧道衬砌模板台车设计制造标准规范》和GB50204-92《混凝土结构工程施工及验收规范》中相关要求。
2、钢模台车设计成边墙顶拱整体浇筑的自行式台车形式，并满足施工设备通行要求，最下部横梁距离底板砼面净高不低于4.1m。
3、对钢模台车的结构设计必须要有准确的计算，确保在重复使用过程中结构稳定，刚度满足要求。
对模板变形同样有准确的计算，最大变形值不得超过2mm，且控制在弹性变形范围内。
4、钢模台车设计长度为9.2米。
5、钢模台车设计时，承载混凝土厚度按0.6m设计校核。
6、钢模台车面板伸缩系统采用液压传力杆，台车就位后采用丝杆承载，不采用行走轮承载。
7、侧模和顶模两侧设置窗口，以便进人和泵管下料。
8、钢模台车两端及其它操作位置需设置操作平台和行人通道，平台和通道均应满足安全要求。
二、设计资料
1、钢模台车设计控制尺寸钢模台车外形控制尺寸，依据隧道设计断面和其他的相关施工要求和技术要求确定。
见总图《正视图》。
2、设计衬砌厚度钢模台车设计时，承载混凝土厚度按0.6m设计校核。
3、车下通行的施工机械的控制尺寸最大高度不高于4m；
A）台车轨距4000mm。
B）洞内零星材料起吊重量一般不超过3吨。
C）浇筑段长度浇筑段长9m。
3、钢模台车设计方案
该台车特点：
采用全液压立收模；电机驱动行走；横向调节位移也采用液压油缸。
结构合理，效果良好。
4、钢模板设计控制数据
项目
所对中心角
外沿弧长（mm）
法兰宽度（mm）
备注
顶拱模板半径4834
95°
8044
250
边拱模板半径4834
4°
300
250
左右各一段
（1）、模板：
控制数据（见下表）
（2）、台车机械设备控制数据（见下表）
项目
单位
设计控制数据
升降油缸
行程
油缸外伸最大长度
轴向承压力
㎜
㎜
tf
200
640
60
边模油缸
行程
油缸外伸最大长度
轴向承压力
轴向承拉力
㎜
㎜
tf
tf
300
970
13
20
行走机构
轨距
轮压
驱动力
㎜
tf
tf
4000
20
400
5、钢模板设计
钢模板的作用是保持隧洞衬砌混凝土浇筑的外形及承担混凝土浇筑载荷。
钢模板主要由面板、弧形板、支撑角钢、立筋板、活动铰构成，活动铰将其分成几段，利用连接螺栓合成整体。
钢模板分为顶模、左右边模，由于顶部受到混凝土自重、注浆孔封孔时的压力及施工载荷等载荷的作用，其受力比边部模板更大、结构要求更高。
边部模板由于不受混凝土自重影响，仅受混凝土的侧压力及工作载荷等的影响，载荷较小，因此对模板的强度分析只考虑顶模部分。
在衬砌时，模板承受混凝土自重及边墙侧压力，而模板的整体强度既有弧板、槽钢、面板承受又有顶模架体与千斤顶支撑，以保证模板工作时的绝对可靠。
通过下面计算得知：
模板下的架体支撑及圆弧弧板的刚度是足够的，弧板是由250mm宽12mm厚的钢板制作。
由于模板最大受力处在顶拱（注浆孔）位置，因此，其力学模型可取最顶部1.5米长度、1.5米宽度的这部分进行受力分析与强度校核，其受力见图如下图所示：
该部分载荷由两部分组成，一是混凝土的自重；二是注浆孔封孔时产生的压力，但该值的取值是不确定的，它与注浆封孔时的操作有极大地关系。
如果混凝土已经注满，而操作者仍然由输送泵灌注混凝土，由于输送泵的理论出口压力很大，就极有可能造成模板的变形。
由于受输送管的长度及高度变化的影响，注浆孔处实际压力的大小目前没有理论及实验验证的数据可供参考。
据此情况，操作者就必须及时掌握和控制灌注情况，根据操作经验判定是否已经注满，并及时停止灌浆。
1模板受力q：
计算部分的长度为1.5米，宽度为1.5米，S=1.5*1.5=2.25m2
设计衬砌混凝土荷载为q1
混凝土设计衬砌厚度h=0.6m，
钢筋混凝土容重γ=2500kgf/m3
经计算得出：
q1=γ*h*S=2500kgf/m3*0.6m*2.25m2=3.375t/m2
注浆孔部分混凝土挤压力:
允许超挖部分的混凝土载荷-q2（按允许h2=0.3m计）
q2=γ*h2*S=2500kgf/m3*0.3m*2.25m2=1.6875t/m2
局部过大超挖部分回填的混凝土荷载（不包括允许超挖部分）-q3（按允许h3=0.3m计）
q3=γ*h3*S=2500kgf/m3*0.3m*2.25m2=2250kgf/m2=1.6875t/m2
混凝土入仓对模板的冲击力-q4目前，设计中采用0.2tf/m2
钢筋混凝土容重γ=2500kgf/m3
因此，模板受力q=q1+q2+q3+q4=3.375+1.6875+1.6875+0.2=6.95tf/m2
（水电隧道施工技术规范上对局部最大超挖都没有具体数值要求，只说超挖部分用同级混凝土回填找平，所谓允许的0.3M也是用工程类比设定的。
）
2模板所受弯曲应力
由于模板的内表面每隔400mm有一根加强槽钢，因此，我们可以把它简化成每隔400mm的梁单元来处理。
将宽度为400mm的模板所受到的载荷折算成梁上的线载荷，翼板宽度取它与之相邻筋板间距的30%，即400*0.3=120mm。
根据上述模板所受的面载荷为6.95tf/m2，那么在400mm宽，1500mm长的面板上所受到的载荷为：
6.95*0.3*1.5=3.1275t,将此载荷作用子1500mm长的梁上，则其线载荷q=3.1275/2=1.56375tf/m
我们取一根梁进行分析，简化后的梁单元力学模型按照简支梁处理，其受力简图如下图所示，这是因为两边有250mm高的弧板及立板支撑，梁的横截面如下图所示：
梁单元受力结构简图
为计算梁的弯曲应力，必须先计算该梁横截面的形心，该截面是由10#槽钢和1500mm*12mm的组合截面，根据图纸坐标系，计算组合截面形心O0的坐标x，y。
组合截面形心计算公式：
x=∑AiXi/∑Aiy=∑AiYi/∑Ai
查表可知10#槽钢的横截面积A=1118mm2,惯性矩Ix=271000mm4,
将各值代入，则：
x=（150*14*75+1118*104.5）/（1500+1118）=104.79mm
y=（150*14*90+1118*12.9）/（1500+1118）=77.7mm
根据组合截面的平行横移公式计算组合截面的惯性矩：
Ix=150*103/14+10*150*31.032+1118*33.642+271000=2991190mm4
抗弯截面模数
W1=Ix/（x-y）=29911890/（104.79-77.7）=110416.7mm3
W2=Ix/y=2991190/77.7=38496.6mm3
简支梁受到均布载荷作用下的最大弯矩位于中间，其值为：
Mmax=ql2/8=1.56375*104*1.52/8=4.4*103（N/m）
梁的最大弯曲应力σ=Mmax/W2=4.4*103/38496.6*10-9=114MPa
对于A3钢，[σs]=160MPa,因此，简支梁的强度符合要求。
3模板的最大位移
根据受均布载荷简支梁的位移公式：
fmax=5ql4/384EI
公式中：
弹性模量E=2.1*103MPa
截面的惯性矩I=2.64*10-6m4
梁受到的均布载荷q=1.56375*104N
梁的长度L=1.5m
将各值代入上述公式：
fmax=5ql4/384EI=5*1.56375*104*1.54/384*2.1*1011*2.64*10-6
=0.00057m=0.57mm
即模板的最大变形量为0.57mm
通过上述计算可知，整个模板的强度刚度时符合要求的，是足够的。
5、活动铰耳设计：
顶部模板活动铰耳在截面95°。
从内力计算表中可知活动铰耳一般都在正弯矩区，仅设计区II处于负弯矩区，而绝对值较正弯矩区小，所以活动铰耳设计采用该截面之最大内力进行。
活动铰耳承担该截面的剪力及由弯矩所产生的剪力，弧板与弧板之间用螺栓连接，螺栓主要承受剪力根据相关公式计算所得：
M=105162kgf.cmN=7680kgfQ=7405kgf
项目
计算所需要的直径（mm）
选用截面直径（mm）
螺栓
d≥12.4
20
模板销子
d≥35.2
40
三、台车结构设计
1、台车主架体设计台车主架体结构按照等截面双铰多层刚架进行内力计算。
根据运输条件、吊装力量和方便加工制造等因素，将主架体分为：
底梁、立柱、门架横梁、门架斜支撑、门架纵梁、立柱斜拉杆等。
按近似的框架结构简支梁进行计算。
（参照台车〈正视图〉）
P1=K1/nG
式中K1---不同步工作系数，可采用K1=2；
n----每部台车上布置的垂直升降机械总数；
G----钢模板、台车拖架以及钢模伸缩之附加载荷之和，kgf,
G=G0+G1+△P1
G1---拖架估算重，kgf;
G0---钢模板估算重，kgf;
GO=gFn1
g---钢模板单位面积钢材重，kgf/m2；
F---每节钢模板的表面积，m2;
n1-----台车每次托运的钢模节数；
ΔP1—附加垂直载荷；
垂直升降机械所承担的拉力
P2=（fF1-gF）*K1/n
其中F1----每节钢模板顶模部分的表面积；
f-----单位粘结力取f=500Kgf/m2
一个水平支撑机械所传成的力
P3=K1aG2/bn1
其中b---水平支撑机械轴线至垂直升降机械与托架连接饺轴A之距离，
a---侧向钢模与托架自重G2作用点C只垂直升降机械轴线的距离
G2台车每次托运的钢模与侧向脱架自重（仅记一侧），
N1---台车一侧布置的水平支撑机械个数。
拆钢模时每个水平的支撑机械所承担的载荷
P4=K1（fF2c-G2a）/bn1
c---侧向钢模与混凝土粘结力的合理作用点至垂直升降机械与托架连接铰轴的距离，
F2---台车每次托运的侧向摸板面积
P5—工作平台传至立柱的载荷，工作平台载荷可采用300-400kgf/m2;
P6—平台传至车架梁上的载荷，假定作用在梁跨中部；
P7---台车操作设备载荷，假定作用在梁跨中部；
P8---根据施工需要由台车吊用的设备重（作设计考虑）；
由双铰“Π”形刚架受力做内力分析：
1.1安装钢模时，车架梁受P1，P5，P6，P7及升降机械自重作用，同时台车立柱承受侧压力P3，台车丝杆承载；
1.2台车脱模时，丝杆卸载，车架梁受力不变，台车立柱承受拉力P4；
2、台车托架设计
台车托架分为顶拱托架和边拱托架。
边拱托架结构简单、顶纵梁、台梁，按照简支梁计算；小立柱、斜撑按照承压杆件计算。
2.1小立柱强度及刚度的计算
计算公式σ=F/¢A
F-小立柱承受压力
A-工钢小立柱或槽钢小立柱的横截面积
¢-压杆稳定系数（钢1.5-2）
F=F1+F2
F1–浇筑混凝土等效单根立柱的重量
F2–台车自重等效单根立柱的重量
f=σL/E
f-小立柱的压缩变形量
σ-小立柱承压应力值
E-材料弹性模量（钢2.0-2.1*105）
L-小立柱自由长度
部件名称及截面类型
σ
（kgf/cm2）
τmax
（kgf/cm2）
fmax
（cm）
工钢小立柱
69
0
0.021
2.2斜撑可简化为铰支，忽略其自重，则可视为二力杆，受轴向压力F作用。
以横梁为研究对象，由平衡方程：
由平衡方程解出：
AB杆的柔度为：
故斜撑为中柔度杆。
根据钢结构设计规范，用抛物线经验公式计算临界应力：
临界载荷为：
根据稳定条件：
则
可见斜撑满足使用。
2.3台梁，顶纵梁强度及刚度计算
台梁强度及刚度的计算
台梁结构简化为简支梁，铰接点为顶纵梁悬挂点
σ=Mmax/W=Mb*y/IX
Mb=Pl/4
Mmax–台梁承受的最大弯矩
W台梁的抗弯界面模量
Mb弯矩
P集中载荷
l悬挂点之间距离
y截面中任意一点到中性轴的距离
IX截面的抗弯惯性距
τmax=P/A
A截面积
f=Pl3/48EI
f挠度
P集中载荷
E材料弹性模量（钢2.0-2.1*105）
I截面的轴惯性矩I=（BH3+bh3）/12
l受力点到悬挂点距离
四、机械传动结构设计
1、垂直升降机械垂直升降机械起固定支撑作用的采用螺杆式千斤顶，螺杆和丝母均采用梯形螺纹。
起重螺杆的设计主要是对螺杆直径的确定，其次是对螺杆的自锁性及稳定性进行验算。
根据在工地使用的特点，要求其中螺杆具有较大的刚度。
螺杆直径按压缩扭转和弯曲的复合应力来确定：
σ=[（Q/F+M/W）2+4（MT/WJ）2]1/2≤[σ]
M=Qli
MT=Q[dc/2*tg（α+ρ）]
W=0.1d13WJ=0.2d13
d1≥（1.3—1.4）[Q/[σ]]1/2
F=πd12/4tgα=s/πdCf=tgρ
螺杆螺母间的摩擦角ρ大于罗纹的升角α时,可以保证自锁。
根据台车自重及其他外力合计确定本台车所选用的丝杆直径为70mm，丝母直径为90，螺纹型号为Tr10*300。
2、水平支撑机械水平支撑机械采用双头螺杆，它主要完成侧向模板的就位与固定支撑，也可以作为钢模板的横向细微调节使用。
水平支撑螺杆在立模衬砌时压力较大。
水平支撑机构螺杆的螺纹内径d按照下列公式进行计算：
d1=[1.3*4Q/π[σ]]1/2
根据台车侧向收模力估算及其他外力合计确定本台车所选用的丝杆直径为70mm，丝母直径为90，螺纹型号为Tr10*300。
3、行走装置设计采用电机带动摆线针轮减速机和开式齿轮的传动，带动主动轮，电动机与减速机直联式。
驱动计算中，因为钢模板台车在隧洞中运行，可以不计风阻力；考虑到轨道铺设不平，洞内运行条件差，其驱动功率应适当加大；隧道的纵向坡度影响较大，必须详细计算驱动功率。
F驱动=μ•Gcosα+Gsinα
P=F•v
G—台车总重，约125吨
μ—摩擦系数,取0.05
选用2台7.5Kw电动机、减速机同时驱动，并采用制动器制动，速度控制在6m/min。
五、液压传动机械设计
1、液压千斤顶基本尺寸确定依据钢模台车方案设计确定的参数（荷载、行程）进行计算；然后根据台车结构布置要求与操作，油缸基本参数与尺寸的规定，结合国内油缸标准内、外径系列尺寸选取油缸直径。
（1）活塞杆直径d
d=[4Q/π[σ]]1/2式中Q为活塞杆上的推力。
活塞杆长度根据行程及布置要求决定，其受压时的稳定验算与螺杆相同。
（2）油缸内直径D1
不考虑背压影响时：
D1=[4Q/πP]1/2（推）
D1=[4Q，/πP+d2]1/2（拉）
考虑背压影响时：
Q=A1P1-A2P2（推）
Q，=A1P1-A2P2（拉）
（3）油缸壁厚δ计算一般按照薄壁公式计算
δ=QD1/2[δ]
当D/D11.1≥时，按照厚壁公式计算
D=D1[（[δ]+P）/（[δ]-P）]1/2
项目
单位
设计控制数据
升降油缸
行程
钢筒内径
活塞杆直径
㎜
㎜
㎜
200
180
110
边模油缸
行程
钢筒内径
活塞杆直径
㎜
㎜
㎜
300
110
63
平移油缸
行程
钢筒内径
活塞杆直径
㎜
tf
tf
200
125
70
总结
台车的所受混凝土压力是以最大情况来设定，以上力学分析过程中所采用的受力模型均采用结果偏于安全的简化方法计算。
本文分析了台车主要受力部件和容易破坏的部位，经分析，各部件均能够满足受力要求，因此本台车能够满足施工的受力要求。
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