台车设计方案.docx

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台车设计方案

古交兴能电厂至太原供热主管线及中继能源站工程隧道主体工程第三标段衬砌台车设计方案

一、设计概况

衬砌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》、《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92）、《公路隧道设计规范》（JTJ042-99）中的相关要求。

衬砌台车设计成边墙顶拱整体浇筑的自行式台车形式；最下部横梁距离底板地面净高不低于4.47m,满足施工设备通行要求。

衬砌台车的结构设计要确保在重复使用过程中结构稳定，刚度满足要求。

模板最大变形值不超过3mm。

衬砌台车设计长度为12m台车。

衬砌台车设计时，承载混凝土厚度按0.8m设计校核（标准衬砌厚度一般位置为0.4m，超厚段1.5厚米另加支撑满足施工要求）。

衬砌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。

侧模和顶模两侧设置窗口，以便进人和泵管下料。

衬砌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、衬砌台车设计控制尺寸衬砌台车外形控制尺寸，依据隧道设计断面图、施工技术要求确定。

见总图《正视图》。

2、设计衬砌厚度该隧道一般位置衬砌厚度0.4m，衬砌台车设计时，承载混凝土厚度按0.8m设计校核。

（超挖至1.5米另加辅助设施）

3、衬砌台车下通行控制尺寸横梁距离地面高度不低于4.2m。

A）台车轨距台车轨距设计为7m。

B）洞内零星材料起吊重量起吊重量一般不超过2吨。

C）浇筑段长度每循环浇筑段长12m。

4、衬砌台车设计方案

衬砌台车的设计如图所示，见《正视图》。

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。

5、钢模板设计控制数据

项目

所对中心角

外沿弧长（mm）

模板面积（㎡）

每节钢模宽度（m）

顶拱模板

107.8°

10307

123.68

1.5（每一段浇筑采用8节钢模板）

边拱模板

54.1°

5180*2

62.16*2

（1）、模板：

控制数据（见下表）

（2）、台车结构台车立柱横向中心距为7m，净空高4.47m、宽10960m。

（3）、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

300

850

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

1110

13

20

行走机构

轨距

轮压

驱动力

㎜

tf

tf

7000

20

400

6、钢模板设计

钢模板的作用是保持隧道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。

（1）设计假定：

面板弧形板按照双铰耳设计，最大正负弯矩区采用加强措施；面板按四边支撑计算。

（2）荷载及其组合：

顶拱钢模面板的计算荷载包括设计衬砌混凝土浇筑荷载、允许超挖及局部过大超挖部分的混凝土浇筑荷载和面板的自重等。

q=q0+q1+q2+q3式中q—面板计算载荷，kgf/m2

q0—面板自重，按照初选面板厚度计算；

q1—设计衬砌混凝土荷载，q1=γh

γ—钢筋混凝土容重，可采用2600kgf/m3

h—设计台车衬砌厚度取1.2m；

q2—允许超挖部分的混凝土载荷，其值为2080kgf/m2（取0.8m）

q3—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），为0.8m。

q4—与q3相同，仅加载部位有异；

q5—混凝土侧压力。

q5=γR，+C

R，采用0.75m；

C—混凝土入仓对模板的冲击力，设计中采用0.2tf/m2。

荷载

荷载组合

q0=262

设计衬砌混凝土q1=960

允许超挖部分回填

q2=500

局部过大超挖回填

q3=1250

同q3,加载部位有异

q4=1250

混凝土侧压力

q5=1400

面板

q1+q2+q3=2710

弧

形

板

设计情况I（顶拱浇筑完时）

q0+q1+q2=1722

设计情况II（侧墙浇筑到顶拱时）

q5=1400

校核情况I（中间1/4跨有局部超挖时）

q0+q1+q2+q4=2972

校核情况II（半跨有局部超挖时）

q0+q1+q2+q3=2972

（3）台车面板设计

1）面板支撑情况：

四边支撑板：

a=26㎝，b=75㎝；

2）面板厚度确定见下表：

支撑情况

a/b

按强度验算求δ

按挠度验算求δ

系数

Mmax

（kgf·m）

δ

（cm）

系数

β

δ

（cm）

a1

a2

四边支撑

0.17

0.0047

0.003

68.784

0.50

0.00082

0.69

钢模板面板采用12mm厚的钢板。

（4）、弧板及内部支撑设计：

弧板采用A3δ14钢板,宽度300mm，加强筋采用钢板及10#的槽钢，中心间距280mm。

1）内力计算：

参照双铰等截面直墙圆拱钢架梁内力公式计算。

计算结果见下表（该表内力均以1m计）

载荷作用

支座反力

各种计算情况时钢拱梁各截面的组合内力

θ（度）

0

20

76.8

106

q=q0+q1+q2

=1722kgf/m

V=29.345

设计情况I

M

-22.623

-16.527

24.814

14.976

H=2.021

N

26.989

23.693

2.606

4.281

Q

0

-8.624

-2.622

11.76

q5=1400kgf/m

V=0

设计情况II

M

23.126

16.953

-28.314

-28.105

H=12.37

N

2.022

5.333

28.105

27.549

Q

0

8.74

8.627

9.996

q3=1250kgf/m

V=6.745

校核情况I

M

20.239

16

-20.431

-15.619

H=0.288

N

1.769

4.607

27.64

23.548

Q

-1.583

7.484

3.078

-15.639

q4=1250gf/m

V=2.087

校核情况II

M

21.829

15.588

-20.423

13.109

H=0.1066

N

1.591

4.726

23.219

21.655

Q

0

8.32

2.479

-9.575

2）弧板及内部支撑截面选择（参照相关公式）。

（见下表）

M=q，l2/8σ=M/WX≤[σ]fmax=5q，l4/384EIX≤l/250

q，—作用在支撑角钢上的线载荷，q，=qa=2.25（t/m）

l—支撑角钢的计算跨度1.5m；

a—支撑角钢间距，为260mm；

WX、IX——分别为对x轴的截面抵抗矩及截面惯性矩，计算截面包括支撑角钢每侧宽15σ的面板面积；

梁单元的最大变形量，即模板的最大位移：

fmax=5*2.25*104*1.54/（384*2.1*1011*3.02*10-6）=0.0023m=2.3mm

通过上述的分析计算可知，整个模板的强度刚度是足够的。

下面的内力也满足要求。

选择的截面

计算截面

内力（kgf.cmkgf）

截面应力

（kgf.cm2）

与[σ]比较

基本截面

Ix=7834cm4

Wx1=804

Wx2=485cm3

设计

情况

I

θ=20

M=71022

N=2352

1041（外）

1632（内）

<[σ]=1700

设计

情况

II

M=720010

N=2836.8

1392（外）

1658（内）

<[σ]

最大正负弯矩截面

Ix=11099cm4

Wx1=850

Wx2=745cm3

设计

情况

I

θ=0

M=1019836

N=892

1321（外）

1499（内）

<[σ]

校核

情况

I

M=1117194

N=738

1448（外）

1655（内）

<[σ]

设计

情况

II

θ=90

M=-1049011

N=12941

1169（外）

1669（内）

<[σ]

校核

情况

II

M=-1027567

N=16928

1169（外）

1673（内）

<[σ]

3）弧板及内部支撑（θ=90°）截面处变形计算（参照相关公式）。

（见下表）

受力情况

ΔKP

ΔKP/L

[ΔKP/L]

比较

设计情况I

2.1

1/715

1/400

<1/400

设计情况II

-1.5

1/1000

<1/400

校核情况II

2.5

1/600

<1/400（未考虑侧向混凝土抗力）

4）、活动铰耳设计：

顶部模板活动铰耳在截面76.8°。

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≥25

38

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钢架进行内力计算。

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、横梁直支撑、横梁直支撑斜拉杆、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）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；

（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；

（3）其他工作时间，台车车架梁承受压力，底梁及行走承载。

按钢架内力计算公式，车架梁及立柱应力验算如下表：

车架选用截面

σ（kgf/cm2）

τmax

（kgf/cm2）

f

（cm）

焊制工字钢60#

横梁I

852

425

0.7

焊制工字钢50#

立柱I

1242

焊制工字钢60#

横梁II

-1184

焊制工字钢50#

立柱II

1358

焊制工字钢60#

横梁III

1292

焊制工字钢50#

立柱III

1048

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、受力杆件按照简支梁计算；顶拱托架主要有顶纵梁、台梁、小立柱、小立柱拉杆等组成结构紧凑、受力效果好，按照框架结构简支梁进行计算。

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钢度。

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75mm，丝母直径为110，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65mm，丝母直径为90mm，螺纹型号为Tr9*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，因为衬砌台车在隧洞中运行，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100吨

μ—摩擦系数,取0.05

代入数据P=10.3Kw。

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8m/min。

五、液压传动机械设计

1、液压千斤顶基本尺寸确定依据衬砌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

mm

mm

mm

250

250

150

边模油缸

行程

钢筒内径

活塞杆直径

mm

mm

mm

300

100

50

平移油缸

行程

钢筒内径

活塞杆直径

mm

mm

mm

100

100

45