地铁车站侧墙钢模台车结构有限元分析

刘晓宏1，刘济舟2

（1.湖南帝星智能科技有限公司，湖南 长沙 410100；2.中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

［摘要］地铁车站侧墙钢模台车广泛应用于明挖车站侧墙结构施工中，其结构强度和刚度决定了使用过程的安全性和衬砌质量，需对其结构进行受力分析和计算，分析其结构的强度和刚度。

［关键词］地铁车站；侧墙钢模台车；有限元分析；Hypermesh；ANSYS

［中图分类号］U231+.3 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2019）06-0087-03

Finite element analysis of the side wall trolley of the subway station

LIU Xiao-hong， LIU Ji-zhou

明挖基坑法具有施工简单、进度快、造价低、技术成熟等优点，是地铁车站首选的施工方法。自行式侧墙钢模台车全液压立模、脱模和自动行走，实现机械化施工，克服了传统支架施工中劳动强度大、速度慢、周转材料多、施工场地杂乱、混凝土表面质量差等问题，在明挖车站侧墙结构施工中应用越来越广泛。而钢模台车结构应力和变形决定了使用过程中的安全性和衬砌混凝土的质量，因此对钢模台车结构的受力分析和计算显得尤其重要。本文应用Hypermesh建模及ANSYS计算分析相结合的方法对侧墙钢模台车结构进行受力分析和计算，得到其危险工况下施工时结构的应力和变形情况，对结构设计和实际作业有着重要意义。

率，有效避免错台和保证混凝土衬砌质量。

桁架总成台车桁架设计共10榀，2榀之间间距为1950mm，由矩形基础桁架、标准加高节三角桁架、加高节三角桁架、连接梁、剪刀架、下纵梁、操作平台等部件组成。桁架外框架采用H294×200H型钢，内加强采用16#工字钢，连接梁采用18#工字钢，剪刀架采用F80×80×5的方钢，下纵梁采用双拼H400×200H型钢。

支撑系统主要包括支顶千斤和抗浮拉杆，每榀台车桁架前后各设1组支顶千斤，共20支，在台车工作时支撑台车桁架。抗浮拉杆与地锚连接，起到固定台车的作用。

该套侧墙钢模台车采用无轨式液压自动行走系统，行走系统由2部分组成：2组纵移装置和2组横移装置。行走为步履式，通过纵移装置和横移装置的交替工作可实现台车整体前行和横移；操作前后2组横移装置2油缸反向移动可实现台车任意角度方向的调整，特别适合于曲线半径小、有加宽段的施工场合。台车采用液压整体横移式脱模，脱模空间大，解决了脱模后面板清理、抹面等施工作业难等问题。侧墙钢模台车结构示意图见图1。

1 侧墙钢模台车结构组成

本次设计的侧墙钢模台车主要由模板系统、桁架总成、支撑系统、走行系统等组成，总长度为18m，每18m为一个施工循环。

模板系统由多块标准模板连接而成，标准模板宽度为1500mm，面板采用5mm厚钢板。为保证模板有足够的强度，纵向采用10#角钢加强，间距250mm。考虑到-1层、-2层、-3层高度的不同，标准模板设计为3.15m、2m和1.175m3种高度，可根据车站层高进行组合应用，满足不同衬砌高度需要。各标准模板采用模板纵梁连接成长18m的侧模，模板之间采用销过盈配合，大大提高工作效

DOI：10.14189/j.cnki.cm1981.2019.06.016［收稿日期］2018-12-13

［通讯地址］刘晓宏，湖南省长沙市岳麓区中南大学新校区中铝科技大楼D313

CONSTRUCTION MACHINERY

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SPECIAL RESEARCH

专题研究

18000200011756002200220022002150200073251950195019501950195018920195019501950195055260024504982图1 侧墙钢模台车结构图

2 有限元建模

为了简化计算模型，在建模过程中不考虑液压系统、操作平台等对结构受力影响不大的部分。桁架外框架、内加强、桁架连接梁、剪刀架、支顶千斤、模板纵梁均采用梁单元Beam188单元建模，模板采用Shell63壳单元建模，模板支撑丝杆、抗浮拉杆采用Link8单元建模，模板纵梁与模板之间的螺栓连接采用RBE3单元来模拟。

台车结构主体材料选用Q235B，其弹性模量为E=210000MPa，泊松比v=0.3，密度、重力加速度取g=9800mm/s2。

建模采用Hypermesh软件，模型总共定义了4种单元类型、16种截面和7个实常数，共134253个单元，130333个节点，其整体有限元模型如图2所示。

撑在地面上，两端的上纵梁通过液压油缸支撑在横移装置上，故施加约束为：在桁架底梁支撑千斤顶下部施加竖直方向的位移约束，两端上纵梁与液压油缸连接处施加3个位移约束和2个旋转约束，释放连接销轴轴向的旋转自由度，抗浮拉杆下端约束其X，Y，Z3方向位移自由度。

根据GB 50204-92《混凝土结构工程施工及验收规范》，得出混凝土侧压力计算方法

F=0.22γctoβ1β2V1/2 （1）

其中F为混凝土对模板的最大侧压力，kN/m2；

γc为混凝土的重力密度，kN/m3，取值为

γc=25kN/m3；

to为新浇混凝土的初凝时间，h，取值为4.44h；V为混凝土的浇筑速度，m/h，取值为1.39m/h；β1为外加剂影响修正系数，根据实际情况取值为1.2；

β2为混凝土坍落度影响修正系数，根据实际情况取值为1.15。

则侧压力

F=0.22γct0β1β2V1/2=0.22×25×4.44×1.2×1.15×1.39=39.77kN/m2浇筑速度V=1.39m/h，初凝时间为4.44h，则浇筑高度H=V×to=1.39×4.44=6.2m以下的位置已经初凝，可以认为混凝土侧压力作用范围为浇筑面到浇筑面以下6.2m。

图2 有限元模型

3 边界条件和载荷施加

侧墙台车浇筑时，抗浮拉杆与预埋件连接，起到固定的作用；同时，下纵梁依靠各支承千斤支

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建筑机械

2019/06总第520期

除侧压力外，混凝土浇筑时模板还受到倾倒混凝土产生的荷载2kN/m2和振捣混凝土产生的荷载2kN/m2，作用在有效压头高度h之内，其中h=39.77/25=1.59m。

混凝土侧压力以PRESSURE的方式加载到模板的壳单元上，结构自重以施加Y方向重力加速度的形式施加至所有结构单元。

4 计算结果分析

根据施工实际情况并组合台车受力结构，分析出下列2种最危险的工况，并对这2种工况进行结构分析计算，将Hypermesh建立好的模型导入到ANSYS软件中进行计算。

工况1：浇筑高度6.2m，校核单侧直墙台车结构的强度和刚度。

工况2：浇筑高度7.4m，校核单侧直墙台车结构的强度和刚度。

浇筑高度6.2m时，单侧直墙台车整体应力云图和位移云图如图3所示。

NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1

SEQV （AVG）DMX=6.803SMX=137.481

0

15.276 45.827 76.379 106.93 137.481

30.551 61.103 91.65 122.206

a 应力云图

NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1

USUM (AVG)RSYS=0DMX=6.803SMN=.303E-19SMX=6.803

.303E-19 1.512 3.024 4.536 6.047

.755928 2.268 3.78 5.291 6.803

b 位移云图

图3 工况1有限元计算云图

从图中可知应力最大值为137.481MPa，小于Q235的许用应力175MPa，强度满足要求；位移最大值为6.803mm，小于18000/500=36mm，刚度满

足要求。

浇筑高度7.4m时，单侧直墙台车整体应力云图和位移云图如图4所示。

NODAL SOLUTIOVSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV (AVG)DMX=9.905SMX=168.904

0 37.534 75.068 112.602 150.136

18.767 56.301 93.835 131.369 168.904

a 应力云图

NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1

SEQV (AVG)DMX=9.905SMX=168.904

0 37.534 78.068 112.602 150.136

18.767 56.301 93.835 131.369 168.904

b 位移云图

图4 工况2有限元计算云图

从图中可知应力最大值为168.904MPa，小于Q235的许用应力175MPa，强度满足要求；位移最大值为9.905mm，小于18000/500=36mm，刚度满足要求。

5 结束语

侧墙台车在浇筑高度分别为6.2m和7.4m的2种最危险工况下，其结构应力均小于材料的许用应力，且位移在施工许可范围内，故其结构强度、刚度满足使用要求，能够保证设备使用过程的安全性和衬砌混凝土的质量。

［参考文献］

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