水利渡槽用鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)有限元分析

趙馭陽(yáng)

( 河南省鄭州水利學(xué)校，鄭州450008)

針對(duì)水利工程施工中使用的一種鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過(guò)使用SolidWorks 有限元插件，對(duì)模板主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，得出有助于工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 軟件簡(jiǎn)介

SolidWorks 軟件具有強(qiáng)大的建模功能，其插件Cosmosworks 是功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，其數(shù)據(jù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2 分析過(guò)程

2.1 鋼模臺(tái)車介紹

鋼模臺(tái)車是一種為提高隧道襯砌表面光潔度和襯砌速度，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)、制造的專用設(shè)備。有邊頂拱式、直墻變截面頂拱式、全圓針梁式、全圓穿行式等。采用鋼模臺(tái)車澆筑功效比傳統(tǒng)模板高30%，裝模、脫模速度快2 ～3 倍，所用的人力是過(guò)去的1/5。

全斷面針梁式混凝土襯砌鋼模臺(tái)車適應(yīng)于引水洞、導(dǎo)流洞等為全圓或橢圓的地下洞室的混凝土襯砌施工。

鋼模臺(tái)車主要由外模板、內(nèi)模板、臺(tái)車架和各種連接結(jié)構(gòu)幾部分組成。其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋼模臺(tái)車主視圖

2.2 計(jì)算工況

此結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)按下述工況計(jì)算:按照水泥完全澆筑又沒(méi)有凝固狀態(tài)。此時(shí)按液體壓力計(jì)算水泥對(duì)內(nèi)外模板以及內(nèi)部臺(tái)車架產(chǎn)生的力，此工況為最惡略工況。

2.3 載荷分析

計(jì)算時(shí)添加載荷主要為混凝土自重載荷，混凝土密度按照2.6 ×103kg/m3計(jì)算，混凝土模板所受壓力計(jì)算公式按照流體壓強(qiáng)計(jì)算。

由于模板結(jié)構(gòu)特性，對(duì)內(nèi)外模板側(cè)面添加壓強(qiáng)時(shí)，需要進(jìn)行分段處理。

在外模處添加壓強(qiáng)如下，坐標(biāo)系說(shuō)明: 豎直向上為X 正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在外模板最低處，按照此原點(diǎn)，將整個(gè)受力曲線分為以下3 段:

第一段受力點(diǎn)坐標(biāo):

第一段受力直線方程式:

第二段受力點(diǎn)坐標(biāo):

第二段受力直線方程式:

內(nèi)模處添加壓強(qiáng)如下，坐標(biāo)系說(shuō)明: 豎直向上為X 正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)模板最低處:

2.4 材料性質(zhì)

提梁機(jī)主框架金屬結(jié)構(gòu)主材為Q235，彈性模量E =2.06e5 Mp，泊松 比 為0. 3，屈 服 極 限235 MPa，許 用 應(yīng) 力180 MPa，安全系數(shù)1.3。

2.5 有限元模型

本例采用SolidWorks 對(duì)鋼模臺(tái)車主結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，計(jì)算過(guò)程中模型各個(gè)部分均與實(shí)際設(shè)備相應(yīng)，模型進(jìn)行適度簡(jiǎn)化:由于模架長(zhǎng)度方向、寬度方向?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，故只對(duì)其1/2計(jì)算，既不影響計(jì)算精度，又能提高計(jì)算速度及工作效率。具體模型及網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2 ～圖7。

圖2 鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

網(wǎng)格結(jié)果: 節(jié)點(diǎn)數(shù)=916 652 單元數(shù)=449 510

2.6 計(jì)算及結(jié)果分析

2.6.1 模型計(jì)算

在臺(tái)車底部及模板底部施加固定約束，同時(shí)在內(nèi)外模板添加壓應(yīng)力，壓應(yīng)力分布為分段非均勻分布( 參考2.3 載荷分析中載荷分析) 。

圖3 應(yīng)力框架圖

圖4 變形云圖

2.6.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算可得出以下結(jié)論: 模板局部應(yīng)力較大( 如圖5、圖6) ，應(yīng)力集中主要分布在鋼筋張拉處以及模板拐角處，模板連接處加焊槽鋼; 張拉處鋼筋受張力大，應(yīng)力約為425 MPa。需要選用張拉鋼筋符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》( GB/T 20065—2006) 要求。此外鋼筋錨固處需進(jìn)行加強(qiáng)處理;模板本身安全系數(shù)均＞1.33，安全。

圖5 鋼筋張拉處應(yīng)力集中圖

圖6 模板拐角處應(yīng)力

圖7 張拉處鋼筋壓力

另外通過(guò)對(duì)模板局部桿件進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定性校核，基本確定該模板滿足使用要求。

3 結(jié) 論

目前，該模板臺(tái)車已經(jīng)生產(chǎn)并投入使用，經(jīng)過(guò)使用未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。由此可見(jiàn)，在工程機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中Cosmos Works 起到了指導(dǎo)性的作用，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)校核以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)都有借鑒性。

［1］徐格寧. 機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］王志騫. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］. 北京:科學(xué)出版社，2009.