xxx隧道衬砌台车结构计算书

XXXXXXXXXX引水隧道项目

衬砌台车计算书

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2017年10月

xxxxx项目衬砌台车计算书

1.计算依据

1、《xxxxx施工图设计》

2、《衬砌台车结构设计图》

3、《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)

4、《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)

2. 概况

xxxxx隧道衬砌模板系统及台车布置图如下图2.1-2.2。隧道二衬模板由一顶模、两侧模组成，模板均由6mm钢板按照二衬外轮廓线卷制而成。顶模模板拱架环向主肋采用I10工字钢,加工成R=1447mm，L=3650mm的圆弧拱形，拱架环向肋板间距1m，拱架纵肋采用∠45*45*6的角钢，间距30cm；侧模模板拱架环向肋板采用1524mm长的I14工字钢，侧模环向肋板在隧洞腰线以上部分加工成加工成R=1447mm，L=527mm的圆弧拱形，腰线以下加工成R=3327mm，L=997mm的圆弧拱形，拱架环向肋板间距1m，拱架纵肋采用∠45*45*6的角钢，间距30cm。

衬砌台车由顶拱支撑、台车门架结构、走行系统、顶升系统及侧模支撑系统组成，纵向共9m长。顶拱支撑采用H200×200×8.0立柱，纵向焊接通长的∠45*45*6的角钢组成钢桁架，焊接于台车门市框架主横梁上，支撑顶模。衬砌台车门式框架立柱采用H200×200×8.0型钢、横梁、纵梁均采用I20a工字钢焊接组成，其节点处焊接1cm厚的三角连接钢板缀片进行加固。本衬砌台车与顶拱支撑焊接为一个整体。进行顶模的安装及拆除时，在轨道两侧支垫20*20*60cm的枕木，枕木

上安放千斤顶进行台车和顶拱支撑系统的整体升降。侧模支撑系统的螺旋丝杆，每断面设置4个。下部螺旋丝杆水平支承于台车的I20a纵梁上，上部螺旋丝杆水平支撑于台车的I20a立柱上。三角板与构件之间焊接为满焊,焊脚高度10mm；焊缝不允许出现咬边、未焊透、裂纹等缺陷。模板系统及台车构件均采用Q235普通型刚。

图2.1 隧道二衬模板布置图

图2.2 隧道二衬台车布置图

图2.2 隧道二衬台车纵向布置图

3 荷载计算

3.1 主要技术参数

①、钢弹性模量Es＝2.06×105MPa；

②、混凝土自重γ=26kN/m3；

③、Q235钢材的材料强度：许用正应力[σ]=215MPa，许用弯曲应力[σw]=215MPa，许用剪应力[τ]=125MPa；

3.2 衬砌台车荷载计算：

台车长9m，二次衬砌厚度为0.25m。

①二衬混凝土自重荷载：

P1=γh=26*0.25=6.5KN/m2

②新浇混凝土对模板测面的压力：

浇筑时混凝土温度取T=10℃，泵送混凝土按照20m3/h计算，由隧道衬砌断面衬砌厚度、衬砌台车图纸可以计算出衬砌混凝土的浇筑速度。

V=20/（9*5.174*0.25）=1.72m/h。

新浇混凝土对模板单元的侧压力可按下式进行计算：

Pmax=0.22*γ*t*β*V0.5

其中：

β——混凝土塌落度影响系数，当塌落度≥11cm时，取β=1.15；

t——混凝土初凝时间，一般t=200/（T+15）,实际混凝土初凝在5h左右；

故P2=0.22*26*5*1.15*1.720.5=43.14KN/m2；

③振捣混凝土荷载：

P3=2KN/m2；

④施工人员及机具荷载：

P2=2KN/m2；

临时结构荷载组合系数按照：1.0×恒载+1.2*活载。

4.二衬模板、衬砌台车强度刚度验算

4.1 二衬模板

①6mm钢板计算

二衬模板采用6mm的钢板，纵肋间距30cm，主肋间距1m。钢板界面特性系数计算如下：其中b=1m，h=6×10-3m，l=0.3m。

W=1/6*b*h2=1/6×1×（6×10-3）2m3=6×10-6m3

I=1/12*b*h3=1.8×10-8m4

则拱顶面板：

q=1.0*(26*0.25*1+78.5*0.006*1)+1.2*4*1=11.77KN/m；按简支梁计算，其弯矩为

11Mmaxql2*11.77*0.320.132kN•m88；

则正应力：

wM0.132KN*m22MPa205MPaW6106m3

挠度：

5ql4511.7710-30.340.33mml/2501.2mm384EI3842.061051.8*108

侧墙面板：

q=1.0×43.14×1+1.2×4×1=47.94KN/m；按简支梁计算，其弯矩为

11Mmaxql2×47.94×0.320.539kN•m88

则

wM0.539KN*m.8MPa205MPaW6106m3

挠度：

5ql4547.9410-30.341.14mml/2501.2mm384EI3842.061051.8×108

故6mm混凝土面板满足要求。

②纵肋∠45*45*6角钢

纵肋∠45*45*6角钢间距为30cm，其支撑拱圈主肋间距1m（两主肋间加了环向∠45*45*6次肋角钢）。∠45*45*6角钢的截面系数：

W=7×10-6m3 I=1.8×10-8m4

qmax=1.0×43.14×0.3+1.2×4×0.3=14.38KN/m；

11Mmaxql214.380.520.45kN•m88按简支梁计算，其弯矩为：

则

wM0.45KN*m.2MPa205MPaW7106m3

挠度：

5ql4514.3810-30.1.2mml/2502mm384EI3842.061059.33*108

③顶模拱圈主肋I12工字钢

顶模拱圈主肋I12工字钢的截面系数：

W=77×10-6m3 I=488×10-8m4

其荷载计算考虑二衬混凝土重、模板、纵向角钢、I12工字钢自重以及浇筑混凝土侧压力（由于顶板处于隧道腰线以上，而侧压力与浇筑高度有关，因此顶板计算时可按0.5倍最大侧压力计）。顶板下三立柱支撑间距分别为0.48m、0.55m、0.55m、0.48m。则荷载为：

q=1.0×26×0.25×1+78.5×0.006×1+3.98×0.01/0.3+16.9×0.01+43.14*1*0.5+1.2×4×1=33.KN/m 按简支梁计

算，其弯矩为：

11Mmaxql233.0.5521.27kN•m88；

其支点反力为：

11ql33.0.559.251kN22；

F则最大正应力：

wM1.27KN*m16.5MPa205MPaW77106m3

最大挠度：

5ql4533.10-30.50.03mml/2503.44mm384EI3842.06105488108

④侧模拱圈主肋I16工字钢

侧模拱圈主肋I16工字钢的截面系数：

W=141×10-6m3 I=1130×10-8m4

侧模拱圈主肋所受的荷载主要为混凝土的侧压力，按最大侧压力考虑，并考虑1.2的胀模系数。则荷载为

q=1.0*1.2*43.14*1.0+1.2*4*1.0=56.57KN/m

侧模拱圈主肋由两螺旋丝杆支撑于台车门架上，两螺旋丝杆间距1m；运用SMSolve软件建立

悬挑梁模型如下：

图4.1 侧模拱圈主肋计算模型

经软件求解，得到支点反力为F1=50.18KN,F2=36.04KN；最大弯矩为Mmax=4.94KN*m。

图4.2 侧模拱圈主肋弯矩及支点反力图

M4.94KN*m35MPa205MPaW141106m3

则最大正应力：

w最大挠度：

5ql4556.5710-3140.3mml/2504mm384EI3842.061051130108

4.2 台车结构计算

主要对顶模支撑、台车门架进行结构受力计算。

①顶模支撑立柱

顶模支撑立柱承受顶模部分二衬混凝土重量、模板、拱架、浇筑时的侧压力等。以纵向1m长度为计算单位，荷载总重为：

F=26×0.25×3.65+78.5×0.006×3.65+3.98×10-2×13+14.2×10-2×3.65+43.14×0.5×3.65×1=105KN；

顶模由3根立柱支撑，每根立柱平均受力为35KN；顶模支撑立柱长度分别为0.414m、0.576m、0.414。H200×200×8×12型钢的截面系数：

W=461×10-6m3 I=4610.5×10-8m4

A=62.08cm2 ix=8.61cm

则长、短立柱的长细比为

l10.414102l10.57610224.8116.69i8.61ix8.61x

查表得ψ=0.998，则

F351035.MPa205MPa2A62.0810

F35103b5.65MPa205MPaA0.99862.08102

则顶模支撑立柱的强度及稳定性满足要求。

②台车门架计算

台车门架主横梁采用I20a工字钢，长度2.36m，两端悬挑0.24m。主要受力为顶模支撑三根立柱传递的竖向轴力以及立柱的自重。故荷载为：

F=35KN+27.9×0.576×0.01KN+4×1×3.98×0.01KN=35.32KN；

在SMSolve软件中建立计算模型如下：

图4.3 台车门架主横梁计算模型

经软件求解，得到支点反力为F1=55.23KN,F2=50.73KN；最大弯矩为Mmax=28.96KN*m。

I20a工字钢的截面系数：W=237×10-6m3 I=2370×10-8m4

M28.96KN*m122.2MPa205MPaW237106m3

则最大正应力：

w

最大挠度：

19Fl31935.321031.8832.38mml/2507.5mm384EI3842.061052370108

台车门架立柱采用H200×200×8×12型钢，其受力包括由门架主横梁传递的竖向力荷载Fmax=55.23KN；以及由上部侧模支撑丝杆传递的水平力F1=50.18KN（上丝杆轴力）。

1）立柱竖向强度、稳定性

立柱的长细比为

l11.313102115.25ix8.61

查表得ψ=0.988，则

F55.231038.90MPa205MPaA62.08102

F55.23103b9.0MPa205MPa2A0.98862.0810

则顶模支撑立柱的强度及稳定性满足要求。

2）立杆水平向计算

建立简支梁计算模型如下：

图4.5 台车门架立柱计算模型

经软件求解，得到支点反力为F1=34.KN,F2=15.28KN；最大弯矩为Mmax=13.96KN*m。

图4.6 台车门架立柱弯矩、支点反力图

M13.96KN*m87.25MPa205MPaWy160106m3则

w

Fb9EIyl(a22ab)34.8mml/2505.25mm3

故立柱的强度、刚度均满足要求。

③台车底纵梁I20a计算

台车底部纵梁承受底部丝杆传递的水平向侧压力F2=36.04KN，以门架底部滑轮处为支点。在SMSolve软件中建立计算模型如下：

图4.5 台车门架底纵梁计算模型

经软件求解，得到支点反力为F1=90.4KN；最大弯矩为Mmax=-19.07KN*m。

图4.6 台车门架底纵梁弯矩、支点反力图

M19.07KN*m80.46MPa205MPaW237106m3则

w

Fa(3l24a2)0.21mml/2509mm24EIl

故门架底纵梁的强度、刚度均满足要求。

5.结论及建议

通过对xxxxx二衬台车模板系统及台车系统的强度、刚度验算,得出结论如下：

1、xxxxx二衬台车的模板系统（顶模、侧模结构的模板、纵肋角钢、环向主肋）、台车结构（顶

模支撑立柱、台车门架主横梁、门架立柱、台车底纵梁）的强度、刚度均满足要求！

2.经计算，二衬台车底纵梁支点处（车轮）承受了较大的荷载90.4KN。为保证结构安全，建议在浇筑二衬混凝土时，在门架的底纵梁处纵向每隔1m加设1道I20a工字钢水平支撑，待混凝土初凝后可拆除该水平支撑。