边墙模板台车灌注工况分析

马艳芳 檀丽丽 徐越群

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

边墙模板台车灌注工况分析

马艳芳 檀丽丽 徐越群

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

边墙模板台车是在钢模板的基础上，通过改进支架体系，使支架体系形成整体，然后通过可调液压油缸使钢模板和支架体系相连，并加入行走装置，形成一种自行式的模板台车。台车的外轮廓与地铁边墙理论内轮廓面一致，通过封堵模板开挖面端部的开挖面，使模板与边墙形成封闭的环形仓，之后灌注混凝土完成边墙的衬砌。由于灌注过程中台车受到灌注混凝土浮力的作用，因此不可能一次灌注全部完成，需要对灌注划分工况逐一分析。

模板台车 载荷 灌注 工况

1 引言

模板台车在使用中能否保持稳定性是关系到衬砌质量的关键问题，同时也只有在模板台车保持稳定性的前提下，计算得出的台车各部分的变形及应力等结果数据才是真实可靠的，所以分析模板台车的首要工作就是分析其稳定性，模板台车载荷工况的划分也是在分析模板台车稳定性的基础上进行的。

分析模板台车稳定性的方法是将混凝土由模板底部逐渐往上灌注，每灌注一定高度对台车模型进行一次计算，得出每一灌注高度下的各对地支撑点的约束反力，用上述的判断模板台车稳定性的条件来判断台车是否稳定，逐步计算出这一载荷阶段的最大允许连续灌注高度，将这一灌注高度范围划分为一种载荷工况。下一工况则是将这一工况的最大允许灌注高度作为起始点继续灌注，从而计算出每个工况的最大允许灌注高度。

2 边墙模板台车有限元模型的建立

边墙式模板台车的结构主要包括两种类型的基本结构：车架结构和模板结构。

车架结构为空间杆系模型，所有杆件均采用梁杆单元。其中车架立柱、车架横梁、门架内外侧纵梁、车架斜撑、车架斜拉角钢、立柱纵拉槽钢等杆件之间的联接均为钢接形式，所以这些杆件均采用了三维弹性梁单元Beam4；纵梁千斤顶与门架的连接，水平油缸、斜撑油缸、模板千斤顶与模板纵拉槽钢之间的连接均为铰接形式，所以它们采用空间杆单元link8。

模板结构又为壳模型和梁模型。对于模板面板采用Shell63壳单元，模板加强筋角钢和模板法兰均采用了Beam189梁单元。为了确保加强筋与面板的有效连接，在几何建模的过程中要注意将面板以加强筋的线为边，然后分为若干小几何面，由于法兰与模板纵拉槽钢之间为刚接，所以模板纵拉槽钢采用三维弹性梁单元Beam4。边墙模板台车的有限元模型如图1所示。

图1 边墙模板台车有限元模型示意图

3 边界约束的处理

在有限元计算中，对边界约束与载荷处理是很重要的一环。

本文采用了以下几种边界条件的处理方式：

（1）车架纵梁千斤顶与纵梁底部的接触实际施工中，模板台车沿轨道移动就位后，由施工人员支撑车架纵梁千斤顶。由于纵梁千斤顶与门架纵梁、钢轨之间没有固定的连接，所以认为纵梁千斤顶对门架纵梁只有高度方向的支撑力，故只约束高度方向位移自由度UY是合理的。

（2）车轮与钢轨接触处的约束模板台车工作时，台车的车轮与钢轨始终保持接触，因此将车轮连接板与车轮结构简化，成为门架立柱的底端，约束X，Y两向位移自由度UX、UY，并根据模型计算需要约束一端车轮的Z方向位移自由度UZ。

（3）模板千斤顶与锚固点的接触

图2 边墙模板台车有限元模型边界约束示意图

在有限元模型中模板千斤顶与锚固点的接触，应处理为约束千斤顶底端的X，Y，Z三向位移自由度UX、UY、UZ。边界约束情况如图2所示。

4 载荷的施加

在灌注混凝土时，模板台车计算载荷时要考虑台车的自重和工作时受到混凝土的压力。模板台车在工作时受到混凝土压力由混凝土流体静压力、震捣力、混凝土入仓产生的冲击力组合而成，与混凝土流体静压力相比入仓冲击力影响很小，可忽略。因此，混凝土对台车模板施加的作用力，可按如下方法计算，计算公式为：

式中ɣ为钢筋混凝土比重，γ=1.8～2.45，此处取2.2， h为混凝土灌注高度，α′为考虑混凝土初凝的折减系数，此处取α′=0.35。

5 边墙模板台车灌注工况的划分

5.1 第一工况的最大灌注高度

表1是计算出的浇注上层边墙时模板台车的第一工况各支撑点约束反力的部分数据。从中可以看出，混凝土由底部灌注到2.0 m、2.2 m、2.3 m时，台车都能保持稳定；内侧纵梁与外侧纵梁各支撑点的约束反力Fy＞0，同时车轮钢轨的横向力Fx也小于枕木与地面的最大静摩擦力μFy，但当浇注到2.3 m时模板的最大变形量将超过3 mm，变形量较大影响混凝土面的平整度。因此第一工况比较合适的灌注高度为2.15 m，灌注高度范围为－0.15～2.0 m。

5.2 第二工况的最大灌注高度

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表2是计算出的浇注上层边墙时模板台车的第二工况各支撑点约束反力的部分数据。从中可以看出，混凝土由2.0 m灌注到3.5m高度时，台车都能保持稳定；内侧纵梁与外侧纵梁各支撑点的约束反力Fy＞0，同时车轮钢轨的横向力Fx也小于枕木与地面的最大静摩擦力μFy，而且模板的变形量也不大，因此第二工况的最大连续灌注高度为1.5 m，灌注高度范围为2.0～3.5 m。

6 边墙模板台车在各载荷工况下的变形及应力

6.1 边墙模板台车工况一的变形及应力，见图3

通过计算，模板变形表现为门架立柱之间下端模板部分向里凹，模板两端比中间要大一些，最大变形量为2.251 mm；门架的变形表现为立柱下端和立柱斜拉角钢向里弯曲，横梁、斜撑和纵拉槽钢中间部分被下凹，最大变形量为0.455 mm。从得到的数值看边墙模板台车工况一总体变形不大。

边墙模板台车各部位工况一的应力分布情况为：模板及其角钢、法兰的应力主要分布在下部；门架的应力主要分布在立柱、横梁和斜撑上，内侧与外侧纵梁的应力很小，横梁的应力主要分布在斜撑点和横梁端点之间，立柱的应力主要分布在中上部到立柱的下端点之间，千斤顶的应力主要分布底部立柱斜千斤顶和中部模板水平千斤顶上。

模板的最大应力为20.1 MPa；门架的最大应力为25.4 MPa；模板角钢、法兰的最大应力为87.2MPa；千斤顶的最大应力为8.18 MPa。从得到的数值看，边墙模板台车工况一各部位的应力都小于钢材Q235的许用应力150 MPa，边墙模板台车结构的强度满足安全工作条件。

图3 边墙模板台车工况一总体变形图

6.2 边墙模板台车工况二的变形及应力，见图4

通过计算，工况二模板变形表现为门架立柱之间中上部模板部分向里凹，模板两端比中间要大一些，最大变形量为2.209 mm；门架的变形表现为立柱中上部和立柱斜拉角钢向里弯曲,横梁、斜撑和纵拉槽钢中间部分向下凹，最大变形量为0.498 mm。从得到的数值看边墙模板台车工况二总体变形不大。

边墙模板台车各部位工况二的应力分布情况为：模板及其角钢、法兰的应力主要分布在中上部；门架的应力主要分布在立柱和斜撑上，内侧与外侧纵梁的应力很小，横梁的应力主要分布在斜撑点和横梁端点之间，立柱的应力主要分布在斜撑点到立柱中上部之间，千斤顶的应力主要分布在上部模板斜千斤顶、水平千斤顶和下部立柱斜千斤顶上。

图4 边墙模板台车工况二总体变形图

模板的最大应力为14.1 MPa；门架的最大应力为28.3 MPa；模板角钢、法兰的最大应力为68.4 MPa；千斤顶的最大应力为9.56 MPa。从得到的数值看，边墙模板台车工况二各部位的应力都小于钢材Q235的许用应力150 MPa，边墙模板台车结构的强度满足安全工作条件。

7 结语

应用有限元分析软件ANSYS，建立了边墙模板台车的有限元模型并且添加了相应的约束；根据台车所受浮力及横向压力情况对台车划分了工况，通过多次计算各支撑点的约束反力，确定了每种工况下最大允许灌注高度，并校核了各工况下的变形与应力。通过计算可知最大的变形量始终控制在3.0 mm以内，台车各部位的应力分布也较为合理，均在规定范围内。

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Analysis of Pouring Conditions of Sidewall Formwork Trolley

MA Yan-fang TAN Li-li XU Yue-qun
(Shi jiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

Sidewall formwork trolley is built on the basis of a steel template by adapting the stent system to an integrated one and then connecting it with the adjustable hydraulic cylinders and the walking device. The external profile of the trolley has to be consistent with the internal profile of the subway sidewall. First, a closed circular silo is formed between the formwork and the outer sidewalk, and then the side wall lining is completed through concrete pouring. Because of the buoyancy effect in the process concrete pouring, it is not possible to complete the pouring at one time. Different pouring conditions need to be analyzed respectively.

formwork trolley load pouring conditions

A

1673-1816(2014)04-0042-05

2014-10-11

马艳芳（1982-），女，河北蠡县人，讲师，研究方向领域为工程机械与CAD。

注：此论文与课题《地铁车站边墙浇注模板台车结构分析研究与应用》有关，课题为河北省教育厅青年基金项目，项目编号为Q2012018。