（机械设计及理论专业论文）高速铁路大型箱梁内模刚度研究及结构优化.pdf

中南大学硕1 ：学位论文 摘要 全自动液压内模是一种专门用来浇注大型箱梁的大型内模板系 统。随着高速铁路、高速公路等的桥梁箱梁的建设，该内模系统将具 有一个十分广阔的应用前景。 本文以中铁十一局株洲桥梁厂的3 2 m 全自动液压内模为研究对 象，对其结构、工作原理、施工工艺、设计方法进行了全面的分析。 在对国内外全自动液压内模资料进行分析和研究的基础上，在对株洲 某桥梁厂生产的内模标准段进行刚度分析的基础上，针对全自动液压 内模腹模板刚度不足，提出了改进措施在增加腹模板钢板厚度的 基础上，适当改变腹模板钢梁的截面尺寸，可以在很大程度上提高内 模的强度和刚度。以大型分析软件a n s y s 为工具，通过适当的假设， 建立了内模标准段有限元模型，然后模拟内模施工中的受力，得到了 内模标准段的应力与应变分布图，并由支撑反力求出了内模标准段的 油缸及支撑杆的直径，得到了它们的最小值；由内模标准段的应力应 变的分布情况，探讨了内模模板钢架结构优化设计的可能性，并利用 a n s y s 的优化分析模块对标准段钢架进行了截面尺寸优化，获得了模 板钢架的最佳结构参数，优化后的强度和变形对比优化前的强度和变 形有了明显提高，并有效减轻了重量，标准段模板应力分布更加合理； 为了检验有限元模型是否正确，设计了一个内模标准段模型，通过模 拟施工的加载过程，进行了应变测量，结果显示内模钢架的实验数据 与理论数据比较吻合，表明a n s y s 的建模是正确的。 论文应用现代设计计算、分析研究手段，提出了全自动液压内模 的改进措施，通过强度和变形的分析计算、钢架参数优化、实验等分 析，验证了a n s y s 的建模是正确的。这些工作对内模端部，变截厩及 相似结构设备的设计也能起到一定的借鉴作用。论文的研究成果对于 全自动液压内模的设计、制造是有重要的工程应用价值和理论意义 的。 关键词：全自动液压内模，有限元法，刚度，变形，优化分析 中南人学硕士学位论文英文摘要 a b s t i 认c t t h ef u l l a u t o m a t i cl i q u i dp r e s so ft h e i n s i d em o l di sak i n do f l a r g ei n s i d et e m p l a t es y s t e mt h a tt ou s ee x c l u s i v e l yi nm o u l dl a r g eb o x b e a m a l o n gw i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h eb r i d g eb o xo ft h em a s sr a p i d t r a n s i t ，s u p e r h i g h w a y e t c ，i n s i d em o l ds y s t e m w i l lf a c et oav e r yv a s t a p p li e df o r e g r o u n d t h i st h e s i su s et h ec h i n e s er a i l r o a d1 1b u r e a uo fz h u z h o ub r i d g e f a c t o r y s3 2m e t e rf u l l a u t o m a t i cl i q u i dp r e s so ft h e i n s i d em o l df o r r e s e a r c ho b j e c t ，a st oi t ss t r u c t u r e ，t h ew o r kp r i n c i p l e ，t h ec o n s t r u c t i o n c r a t t ，d e s i g n m e t h o dt o c a r r y o nm o r eo v e r a l l a n a l y s i s ，b a s e o n c o l l e c t i o n i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld a t ao ff u l l a u t o m a t i cl i q u i d p r e s so fi n s i d em o l d ，f o rt h es h o r t a g eo fr i g i dt ot h ef u l l a u t o m a t i cl i q u i d p r e s s o ft h e i n s i d e m o l d ，p u t f o r w a r dt h e i m p r o v e m e n t m e a s u r e i n i n c r e a s i n gt h ef o u n d a t i o no ft h et e m p l a t es t e e lp l a t et h i c k n e s sa n dt h e t e m p l a t es t e e lf l a m ec u ta r e a ，w i t hl a r g ea n a l y s i st h es o f t w a r ea n s y s f o rt o o l ，f o ra p p r o p r i a t eo fa s s u m p t i o n ，b u i l tu pas t a n d a r ds e g m e n ta f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ei n s i d em o l d ，t h e ni m i t a t et oi sf o r c eu n d e r c o n s t r u c t i o n l yo ft h ei n s i d em o l d ，g e tt h es t a n d a r ds e g m e n to f t h ei n s i d e m o l d ss t r e s sa n ds t r a i nd i a g r a m ，c o m b i n et om o l d so i la mo ft h es t a n d a r d s e g m e n ta n dk n i g h t h e a dt oc a r r yo nac a l c u l a t i o n ，g e tt h e i rm i n i m u m v a l u e ；f r o mt h es t r e s sa n ds t r a i nc i r c u m s t a n c eo ft h es t a n d a r ds e g m e n t ， i n q u i r y t h e p o s s i b i l i t y o fo p t i m i z ea n a l y s i st om o l dt e m p l a t es t e e l f r a m e ，t h e nm a k eu s eo fa n s y s so p t i m i z ea n a l y t i c a lm o d u l et oo p t i m i z e t h es t e e lf r a m eo ft h es t a n d a r ds e g m e n t ，a c q u i r et h eb e s ts t r u c t u r e p a r a m e t e ro f t h et e m p l a t es t e e l ，a c q u i r et h eb e s ts t r u c t u r ep a r a m e t e ro ft h e t e m p l a t es t e e lf r a m e ，c o n t r a s tt o t h es t r e s sa n ds t r a i no fo p t i m i z e a n a l y t i c a lf o r e s t a l l ，t h eo p t i m i z ea n a l y t i c a la n o n si n c r e a s ee v i d e n t l y ，a l s o m i n i s ht h ew e i g h ta v a i l a b l y ，t h et e m p l a t eo fs t a n d a r ds e g m e n t ss t r a i n d i s t r i b u t em o r er e a s o n a b l e ；f o re x a m i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n tr i g h to rn o t ， d e s i g nac o n t r a c t e dm o d e l ，t h e nl o a dt h em o l da n dm e a s u r et h e s t r a i n e x p e r i m e n td a t ai n o s c u l a t et h et h e o r e t i c sd a t a ，a n de x p r e s st h ea n s y s s m o d e l i n gi sr i g h t s y n t h e s i z ea l la b o v e m e n t i o n e dw o r k ，t h e s i sa p p l i c a t i o nm o d e m 中南大学坝上学位论文 英文摘要 d e s i g na n da n a l y z em e a n s ，p u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r et o f u l l a u t o m a t i cl i q u i dp r e s so fi n s i d em o l d ，p a s ss t r e n g t ha n dt h ea n a l y t i c a l c a l c u l a t i o nf o rt r a n s f o r m ，t h es t e e lt h ep a r a m e t e ri se x c e l l e n tt ot u m ，t e s t e t c a n a l y s i s v e r i f i e da n s y st os e tu pam o l di sr i g h t t h e s ew o r kt o i n s i d et h em o l dc a r r yad e p a r t m e n t ，t h ed e s i g nt h a tc h a n g e ss e c t i o na n d a l i k es t r u c t u r ee q u i p m e n t sc a na l s oh a v et oc e r t a i n l yu s ef o rr e f e r e n c e k e y w o r d ：t h ef u l l - a u t o m a t i cl i q u i dp r e s s e so fi n s i d em o l d ，f i n i t ee l e m e n t ， r i g i d i t y ，t r a n s m o g r i f i c a t i o n ，o p t i m i z ea n a l y s i s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名 日期：年月日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早 三；百t 匕 整体箱梁形式多用于现代高速铁路桥梁和高速公路桥梁，它由内模和外模形 成箱梁的表面形状，再经混凝土浇注成型。而内模模板的质量是制梁的关键【1 2 1 。 随着现代科学技术的发展，对箱梁内模的设计提出了越来越高的要求：要求有较 高的承载能力、高的疲劳寿命；还要求减少原材料的使用、降低生产成本；在满 足强度的前提下，得到较好的设计等等。在对箱梁内的设计中，进行结构分析是 一个重要的环节。有限元法及其相应分析软件的出现给受力和形状复杂的箱梁内 模设计提供了设计工具。本章简单介绍箱梁内模的发展概况、国内外研究的现状 及其发展趋势、内模的分类等，确定论文的研究方向和要做的工作。 1 1 箱梁内模系统的发展和应用现状 模板是混凝土工程施工中的重要工具，模板工程费用大约占结构工程费用 的2 0 - 3 0 【3 】。模板及其支撑系统选择的好坏，不仅直接影响工程成本，而且 还严重影响工程的质量和施工进度。 我国直到2 0 世纪7 0 年代中期，模板一直以木模为主，而且采用在施工现场 散拼、散支、散拆的施工方法。这种施工方式不仅现场用工量大，木材消耗量也 非常大。7 0 年代末，在“以钢代木”方针的推动下，逐步摆脱了散支、散拆木 模和定型木模块的落后局面，先后成功研制了组合钢模板和大钢模。改进了当时 的模板施工工艺，节省了大量木材，取得了显著的社会经济效益。 8 0 年代以来，我国模板工程技术在新旧并举，不断创新的形式下已逐步朝 着多样化、标准化、系列化、商品化方向发展，近1 0 年来，不仅研制开发了塑 料、玻璃钢、铸铝等模板新品种，而且结合工程特点和工艺要求，研制了用于浇 注竖向结构的大模板、滑模、爬模。使我国模板技术初步形成了组合式、工具式、 永久式三大系列。 在已建成的秦沈客运专线中，普遍使用液压内模，开创了我国内模发展的新 局面。随着武广客运专线和京沪高速铁路的开工建设，国内对箱梁内模系统的设 计，改进与研究都在不断的进行着。例如：付国敏提出了双线箱梁内模板设计的 一些改进措施【2 “】：( 1 ) 关于模板板块连接方面，提出节与节之间的钢板没有必 要为了防止漏浆而紧接在一起，可以留有5 l o m m 的缝隙。浇注混凝土之前用胶 条将缝隙封住。这样内模在浇注混凝土时就不会因为变形而相互挤压，拆模也就 比较容易。( 2 ) 关于模板刚度方面，提出内模模板的钢板厚度应该在现在基础上 中南大学硕士学位论文第一章绪论 加厚，钢架型钢的刚度也应该加大，布置的更密一些；赵誉等对双线箱梁全液压 内模的施工工艺进行了探讨【5 母】，提出模板接缝采用企1 3 结构可以防止水泥砂浆 渗漏，顶板与上侧模板的接缝采用斜坡导向以利于模板自动回复到正确位置上。 于进江等对双线单箱梁自动化内模技术进行了研究在液压同步控制方面，提出 依靠定量泵来控制油缸同步比通常采用阻尼装置来达到流量均衡的方法要可靠。 杨晓辉对大型箱梁内模板的结构形式进行了探州1 0 】，并提出了一种新型模板方 案：将顶部模板设计成整体，使其具有较好的刚度，便于整体吊装，侧模按5 8 m 分节。作者等人对双线箱梁的液压自动化控制方法进行了探讨】，提出了一 种新的控制方法，即用p l c 控制液压油缸来实现同步控制。武艳霞等对机械优化 设计在箱梁模板中的应用进行了初步研究【l2 1 ，结合机械优化设计理论介绍了单 线箱梁内模板的结构设计原理并提出了优化设计数学模型。 在内模开发方面，中铁二十二局和武汉桥梁公司等已经设计和制造了成套的 液压内模设备，并应用到了桥梁建设中。同时，国内出现了大跨度( 5 0 m 及以上) 的预制箱型梁，箱梁跨度的增加导致箱梁高度的增加，梁体结构的改变对箱梁内 模板的设计提出了更高的要求。由于整孔箱梁的研制在我国刚刚起步，目前尚无 标准可循，因此各厂家设计制造的内模板在拆模和立模的方法上各有不同，大致 可以分为三类： 1 、拼装模板。完全由人工进行拆、立模的框架拼装式。其优点为设计和制 造比较方便，成本低。由于模板较轻，拆模时可用人工将模板从梁内搬运出来， 立模成型后内腔较大，便于进行浇注底板混凝土作业与抹灰。其缺点为框架全部 由杆件拼装，需人工用螺栓联接工人劳动强度大，从拆模到立模一个作业周期 所需时间长，所用工时也较多。此外，模板轻的同时也带来因板壁薄、支撑型钢 小，而造成强度和刚度不足。 2 、半自动液压模板。这种模板设计有一液压小车帮助拆模、立模。其优点 与前一种相似，只是模板的搬运借助小车。其缺点为拆模时依靠小车在梁内逐节 拆运，内模有多少节，小车就需往返多少次。其次，小车行走速度较慢，通过小 车运出梁体的模板，还需由人工将其重新用螺栓拼接起来。这种拆模、立模的方 式作业周期也较长，而且由于模板是用螺栓连接而成的，因此浇注混凝土时其内 模的整体性也较差梁体尺寸容易改变。 3 、全自动液压式。即拆模、立模由液压系统传动，进行整立整拆，模板无 需离开主架而只是油缸进行伸缩即可完成立模、拆模的动作，拆完的模板由卷扬 机整体拖出粱体。这种模板结构能减轻工人的劳动强度缩短拆模、立模的周期， 可以大大地提高制梁的质量，与钢筋加工工序匹配好，满足铺架周期的要求，节 省台坐等临时设施的数量，整备修理容易。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 拼装内模t 自动液压内模 全自动掖压内模 卜1 液压内模的分娄 虽然内模在设计的结构形式上有所不同，但内模板设计的通用原则基本一 致，主要有以下几点m ”。4 】： 具有足够的强度、刚度和稳定性，能可靠的承受施工过程中可能产生的各 项载荷和震动； 充分保证结构的形状、尺寸及各部分的相对位置的准确性； 结构和制造力求简单装拼方便，以提高装、拆速度和增加周转次数； 接缝严实、紧密，保证在强烈振捣下不漏浆。 同时，内模的设计还要考虑以下几点： 内模装拆和混凝土灌注成型相互之间的影响； 内模内腔的空间对模型作业人员，混凝土作业人员的影响： 内模对锕筋的影响； 内模和外模，底模之间的相互关系等。 在国内，目前太多采用拼装模板式和半自动液压式。如已建成的秦沈客运专 线，在施工中大多采用半自动液压内模。而在己建成的东海大桥的施工中，也成 中南大学硕士学位论文第一章绪论 功地运用了全自动液压内模，但没有大规模的应用。而全自动液压内模在国外采 用较多【1 5 09 1 ，如丹麦大贝带西桥海峡工程，包括公路桥及铁路桥并行的两部分。 标准段预制长度1 0 8 4 m ，分段预制，采用组合式模板系统：外模为灵活可移动式， 内模为全自动液压式内模系统。使用全自动液压内模板一套3 天即可浇注2 片粱， 而采用前两种内模板达到同样工效则需2 3 套。 由于液压内模的应用在我国还处于起步阶段，所以在施工中难免会出现问 题，常出现的问题包括以下几个方面： 1 模板刚度不够。现在已设计出的多套内模系统，模板多采用6 m m 厚的钢板， 在多次使用后就会出现凹向变形。因此内模板钢板应该在现有基础上加厚，这样 才能经久耐用。 2 液压同步问题。由于在同一段内模中有多套液压系统，所以在液压内模车 扩收过程中，油缸不同步会造成模板扭曲变形无法修复而报废，故油缸同步是保 证液压内模车正常使用的关键。 3 防漏问题。由于考虑到漏浆，我们总是把模板拼接得天衣无缝。但当浇注 完成以后，模板会因为受力变形而相互挤压，这样就给拆模造成了很大困难。国 外这种全自动液压内模在每个部分之间留有缝隙，浇注混凝土前用胶条将缝隙封 住，这样内模在浇注混凝土时就不会因变形而相互挤压。 1 2 箱梁内模系统的分类 - 一 大型箱梁内模的总体结构型式有组合拼装式、半自动液压式、全自动液压式。 组合拼装式内模精度较高、成本低，但劳动强度大、操作环境差，拼装速度慢； 半自动液压内模定位准确，成本较高，可减轻部分劳动强度，操作环境较好；全 自动液压内模在国外采用较多。它定位准确，可降低劳动强度，改善工作环境。 1 2 1 半自动液压内模 半自动液压内模从内模横断面看，一般有两种型式：项降侧收折叠式、底侧 分离式。 顶降侧收折叠式 此种结构型式由中铁二局科技部研制，内模脱模时，先将顶部模板降下， 然后再将两侧模板旋转收缩，使内模板呈折叠状态。可应用于所有大型箱梁的预 制，特别适合箱梁内腔高度低、宽度大、孔口小的箱梁。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 卜一项模2 一上侧模3 一下侧模4 侧模油缸5 一水平油缸6 一垂直油缸7 一底构 图1 2 顶降侧收折叠式模板支撑状态 底侧分离式 此种结构型式的特点在于先拆除内模底脚侧模，再拆除其它部分。多用在内 腔结构复杂，上下尺寸变化较大的箱梁。底侧分离式在实际工程应用中用的比较 少，因为其下侧模板不能一次性拆除，需用人工拆除。而且这种结构占用空间大， 人不易进入里面进行辅助支撑的安装。 2 3 1 一项模2 一上侧模3 下侧模4 一过河撑5 一斜向油缸6 一内模车- 7 一钢轨梁 图l 一3 底侧分离式模板支撑状态 1 2 2 全自动液压内模的类型 全自动液压内模多用全旋式。此种型式模板的特点是脱模时先分级转动所有侧模 收缩，然后将项模和侧模一起下降，使整各模板脱离混凝土面。此种结构多用于 箱梁内腔截面尺寸变化不大的箱梁。 l 2 3 1 一上侧模扳2 一下侧模板3 一下侧油缸4 一顶模板5 一顶油缸6 上侧油缸 图卜4 全旋式模内模支撑状态 全自动液压内模常见的形式有三种：龙骨梁上置结构、龙骨梁下置结构、针 5 中南人学顼十学位论文 第一章绪论 粱行走结构 龙骨粱上置结构： 托骨粱上置结构的升降液压缸安装于龙骨粱的下方，顶升龙骨梁使顶模就位， 梁下安装的滚轮实现内模滑移，升降油缸受力大，内模滑移时重心在上滚轮压在 底板混凝土上内模内腔空间小。 龙骨粱下置结构： y l 降油缸安装于龙骨梁的上方，直接顶升顶模就位内模滑移是通过脱模后顶 起龙骨梁，另外安装滚轮实现龙骨粱设计的结构简洁如考虑脱模后直接滑出则 更方便。 针粱行走结构： 模板和龙骨梁互为支撑，分开步履滑移出入，龙骨粱体积及重量较大，对现场 辅助设备要求高施工工序复杂操作时问较长。 龙骨粱上置结构龙骨粱下置结构 针粱行走结构 图卜5 全自动液压内模的袁现形式 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 箱梁施工的技术指标 3 2 米箱梁的主要技术指标为【2 0 】： 内模自重：7 2 0 t ； 走行大梁：5 0 t ； 液压千斤顶：6 4 台 模板收缩、出模时间：1 5 _ 2 0 h 另配：液压控制台：1 套； 1 0 t 卷扬机：l 台 同时，根据秦沈客运专线预制箱梁技术条件和桥梁工程质量检验评定标准规 定的模板施工允许偏差如下： a ，全长：1 0 r a m ： b ，高度：5 咖； c ，上翼缘外侧偏离设计位置：+ 1 0 m m ，一5 n n n ； d ，底板，顶板厚度：+ 1 0 m m ，0 ： e ，腹板厚度：+ 1 0 r n m ，- 5 m m ； f ，腹板中心偏离设计位置：1 0 r a m ： g ，底板平整度：2 5 m m m ： h ，模板垂直度：3 m m m ： i ，相邻模板错台：2 m m ： j ，模板表面平整度：3 m m ； k ，模板接缝处缝隙：l m m ； 1 ，支座板位置处任意两点高度差：lr m ； m ，四支座中心相对高度差：2 m m ； n ，底板反拱度：2 m m ： o ，端模预留孔道偏离设计位置：、 3 m m 。 1 4 本课题的课题来源，研究意义及主要内容 1 课题来源 本课题来源于中铁十一局株洲桥梁厂。该厂生产的3 2 m 全自动液压内模采用 龙骨梁下置结构，模板钢板钢板为6 m m ，模板钢架大为为8 0 r e x3 0 m m 扁钢，钢 架网格为4 0 0 r a m x 4 0 0 r a m ，在施工过程中出现了模板刚度不够，支撑力不足等问 题。这些问题在国内其它生产厂家生产的产品中也有出现。 本课题旨在设计一套比较好的全自动液压内模，使其应力分布合理，变形在 允许范围内，重量最轻，并通过本次设计，找到一种新的设计方法，为以后设计 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 同类机械或结构，提供一个好的设计思路。 2 研究意义 目前在我国，全自动液压内模的应用还处于起步阶段，由于内模系统受力大， 受力复杂，所以用常规方法不易计算。同时，内模系统重量大，用料多，如果能 对其进行结构优化设计，则对于公司来说是无疑是会降低制成本的。而箱梁内模 作为箱梁模板体系中最为复杂的结构，也是保证预制箱梁质量的关键。因此，对 全自动液压内模标准段进行理论分析和优化设计，对于提高内模的设计水平和制 梁质量都是具有非常大的意义的。我国将在十一五期间建成四横四纵共计1 2 万公里的高速铁路，其中桥梁占了很重的比例。而公路的建设中用箱梁桥梁的建 造更是不胜枚举。因此，箱梁内模的研究与技术开发有广泛的应用前景的。 3 主要内容 本课题以增加模板刚度为出发点，针对全自动液压内模系统在施工中出现的 问题，借助有限元分析功能，进行全自动液压内模系统中的标准段的仿真分析。 为改造该项目提供理论上的参考依据。 本课题采用理论分析、仿真研究和试验研究相结合的方法，课题的内容主要 包含以下几个方面： 1 ) 国内外研究现状 通过资料的收集和整理，查看全自动液压内模在国内外的研究和应用情况， 吸取国内外研究的先进经验和合理化建议，并分析目前施工中存在的各种问题， 为设计一套比较好多的全自动液压内模大好基础。 2 ) 内模结构、施工过程及设计方法 对内模标准段的结构、分类、施工工艺和技术指标作比较详细的介绍，并选 择两种施工方法中的一种作详细介绍。为了能很好的做标准段分析，对各种设 计方法作简单介绍和对比，找出一种比较适合的方法，对其特点作详细介绍。 3 ) 刚度分析 提出标准段刚度提高的改进措施，对标准段进行受力分析，并利用简化与假 设，建立起改进后的标准段模型，求解其应力应变情况，并作能否进行优化设计 的分析。 4 ) 优化分析 在对内模系统进行静力学分析的基础上，建立优化设计模型，并通过合理的 选择设计变量、状态变量、目标函数及其它们的变化范围，对标准段钢架截面尺 寸进行优化分析，使其应力分布更合理，重量最轻。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 5 ) 试验研究 由于在箱梁的施工现场来进行试验不太可能，所以利用一个缩小的模型对其 进行施工受力的静态试验研究，通过计算，并与a n s y s 模拟出的结果进行比对， 分析a n s y s 的建模是否正确。 9 中南人学硕十学位论文第二章全自动液压内模的结构、施工过程及设计方法 第二章全自动液压内模的结构、施工过程及设计方法 箱梁内模从纵向来看，是对称的结构( 如图2 一l 所示) 。它一般可以分为端 部模板、标准段模板、和过渡段模板三部分组成。其中端部模板两端各一节，过 渡端两端各一节，根据箱梁预制件的长度标准段有六节或八节。我国目前常用的 是2 4 m 和3 2 m 两种规格。 鬟， ， ” ：礓 内模端部内模标准段内模过渡段 图2 1 内模纵向划分示意图 2 1 全自动液压内模的组成 全自动液压内模一般由钢模板、液压及辅助支撑系统、牵引及滑移支撑装置 和电气系统组成。 。 1 液压及辅助支撑系统 液压系统主要由顶模收缩油缸、上侧模板收缩油缸、下侧模板收缩油缸、泵 站、管路和阀组成( 液压系统工作原理图见附一) 。内模板通过各油缸的伸出和 收缩来驱动控制内模板的张开和收缩。3 2 m 全自动液压内模标准段一般分为6 节，每节上一般有3 个顶油缸，6 个上侧油缸，6 个下侧油缸，因此每一节上执 行相同功能的液压油缸要求同步伸出和收缩，以保证同一模板上的油缸张开或收 缩正常，不发生模板扭曲现象。 辅助支撑系统主要由一级支撑丝杠、二级支撑丝杠、升降柱、垫柱组成。 为了保证在施工过程中内模系统的可靠性，在施工之前采用安装支撑杆的方式来 加固内模。同时为了防止油缸在受力后回缩而影响预制箱梁形状，在液压系统中 1 0 中南大学硕士学位论文第二章全自动液压内模的结构、施工过程及设计方法 设计了油缸自锁装置。 垫麓 升降哼 r 吖“u u u “i “卢u “卜h 、 ；r ；、 ， ；户 弧； | 幸 叫 ：， 一i 。i 0 。 翌掣 i 么l j 一 一级支撑丝杠7 ， 图2 3 内模液压及辅助支撑系统 2 牵引及滑移支撑装置 滑移支撑装置分为：龙骨梁、支撑脚和放置架。滑移支撑装置用于支撑和锁定 龙骨梁，并能使龙骨梁在卷扬机的牵引下沿着滑移支撑纵向滑动。 缈：。i 、。寸过； 1 ： _ 舡争卜嚣_ 屋。辛# 霞 放置架支撑脚 图2 4 支撑脚及放置架示意图 3 钢模板 钢模板主要由钢板和钢架组成。标准段内模模板分为顶模板、上侧模板和下 侧模板。 图2 5 标准段内模结构形式 中南火学硕十学位论文第二章全自动液压内模的结构、施一r 过程及设计方法 钢模板的主要作用是在油缸及辅助支撑杆的作用下形成具有一定外形的空 腔，并在浇注箱梁过程中保证箱梁内腔的设计尺寸。 4 电气系统 电气系统包括：电器控制台、腔内照明电气和附着式振捣器 电器控制台主要作用是控制油泵、电磁阀等元件，让它们完成预定动作。 腔内照明电气是因为箱梁的长度非常长( 箱梁一般为2 4 m 或3 2 m ) ，里面光 线不足，所以为了方便施工人员进入内腔而特别设计的。 振捣器是在浇注混凝土过程中为了捣实混凝土用的，一般是高频振动。 2 2 全自动液压内模的工作过程 内模按进入工作台方式来分，有吊装进入和自爬进入两种方式。 2 2 1 吊装进入工作台位工况施工过程 1 内模在放置架准备好后，就开始立模。从横截面看立模顺序为：项油缸伸 出匕侧油缸伸出_ 吓侧油缸伸出； 萋b 黍。圈：0 、 兰匹。二赴j巴扛：当：兰：j 。二一蛙一：一，j 侧油缸伸出 - - 图2 - 6 立模顺序图 从纵向看，内模立模顺序为：先中间后两边。然后安装端腔特殊模板及机械支 撑装置，涂刷脱模剂，连接缝密封，底模上安装滑移支撑机构。 二( 丘石可口3 j j 了工= 哥r 口口亍= 二i 了工工工工工：遗：日 一 二+ t 卜一卜暑1 一江：卜i f - - k 一 矗j ：_ 卜一曼。 图2 - 7 立模完毕的内模 2 用两台起重机将立模完毕的内模系统吊起，垂直放入已经绑扎完毕的底、腹板 钢筋笼内，然后完成顶钢筋的绑扎。 一 图2 - 8 内模与钢筋笼 1 2 中南大学硕七学位论文第二二章全白动液压内模的结构、施j ：过程及设计方法 3 用两台起重机将携钢筋笼的内模系统垂直放入底模板上，待定位以后，撤去起 重机。此时，钢筋笼与内模系统已经完全准备完毕。 霉嘲蘩霪受堕整翌鞠爹弩 ji j ，i 、j 硷星酉，7 夕7 _ 量壁主麓：置 图2 - g 准完毕的内模系统 4 加装两端特殊模板后，检查整个系统，无误后开始浇筑箱梁混凝土，混凝土浇 到一定位置时，用振捣器将混凝土振结实。；养生到达脱模强度。 图2 1 0 混凝土浇注完毕 5 拆除两端特殊模板；拆除机械支撑装置；内模系统开始脱模。同一横截面内模 脱模的顺序为：拆除机械辅助支撑一下侧油缸回缩上侧油缸回缩项油 缸回缩。从纵向来看，内模的脱模顺序为：先两端后中间。 6 移位机构( 一般为牵引机) 将内模拖出箱梁内腔，停在放置架上，清理修整 准备进入下一制模过程。 一一一：e 1 # i d z = = = = j = e 书= i e l j = c c z = j = r 。t f ：j e 一 二岳l 二：三耋量：兰羹! 耋二二兰! 二= 三三：! 三兰三= 二二二二二二工二嚣 k = 蛀当= 一一芝圭= ：童：兰= 二! ! ! ：二：! i ! ：二：三二 一。j f # 2 1 。4 c l l ， 。 l # e 2 = ，e f ，。2 2 4 ；一。 图2 一1 1 内模彼拖出内腔过程 2 2 2 自爬进入工作台位工况施工过程 自爬进入工作台位的工况与吊装计入工作台位工况的不同之处在于自爬进 入是在不立模的情况下，用牵引机将其拉入已经绑扎完毕的钢筋笼内，然后在钢 1 3 中南人学硕士学位论文第二章全自动液压内模的结构、施t 过程及设计方法 筋笼内立模的种工作方式。因此在此就不再熬述。 2 3 全自动液压内模的施工工艺 全自动化液压内模运至制梁场后，先进行外观检查，再进行拼装。然后是线 型和电气系统检查，待一切正常后方投入施工。 在底模板上安装调整好外侧模，将底、腹板钢筋笼整体入模，安装并调整好 一侧端模后，将全自动化液压内模就位。其施工工艺流程位： 安装轨道支架 上 安装调整轨道 上 底，腹板钢筋 上 检查各部位尺 j 模板尺寸微调 上 联结固定螺栓检修内模 2 4 内模设计一般方法简介 内模的设计过去就有三段设计的程式，现在大体分为五个步骤，即调查研究、 方案拟定、工作图设计、样机试制和鉴定。显然，在完成每个步骤、程式时，都 要应用一些分析问题和解决问题的具体方法和工具。这就涉及到设计方法的选择 问题。目前内模系统经常采用的设计方法有以下几种：极限状态设计法；优化设 1 4 栓 凝 护 螺 缸 模 螺 混 养 接 油 内上巧注工汽上联上护引 撑 浇 蒸 拆 收 牵 中南大学硕十学位论文第二章全自动液压内模的结构、施工过程及设计方法 计法；有限元和边界元设计分析设计法等。 2 4 1 极限状态设计法 采用许用应力或其它极限条件进行设计的方法就是极限状态设计法。在2 0 世纪中期，概率论、数理统计、可靠性理论等学科引用到结构设计中，出现了概 率统计方法为基础的金属结构极限状态设计法。把载荷、材料性质、构件实际尺 寸等给予某种概率统计的统计量，通过大量实测和调查，得到基本变量的分布概 率和参数，然后应用概率论的可靠性知识，计算失效的概率来估算各种钢结构的 安全度。这是一种比较传统的设计方法，使用简单方便。现在概率极限状态设计 方法已在结构设计中较多的采用。 2 4 2 优化设计 随着计算机技术的发展与应用，出现了一种通过建立设计过程来自动选择最 优方案的有效的设计方法，这就是优化设计。这种设计是数学规划与计算机技术 相结合的产物，成为解决复杂设计问题的一种有效工具。 机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与 程序，由于机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以首先要 根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型。在建立数学模型时需要应用专业 知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确立设计变量之间的相互关系等等。 数学模型一旦建立，机械优化设计问题就变成一个数学求解问题。应用数学 规划方法的理论，根据数学模型的特点，可以选择适当的优化方法，进而可以选 择或自行编制计算机程序，求得最佳设计参数。 优化设计不仅用于产品结构的设计、工艺方案的选择，也用于运输线路的确 定、商品流通量的调配、产品配方的配比等。 2 4 3 有限元法 把物理结构分割成不同大小，不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据 不同分析学科，推导出每个单元的作用力方程，组成整个结构的系统方程，最后 求解该系统方程，就是有限元法。 有限元法是一种离散化的数值法，离散后的单元与单元间只通过节点相联 系，所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使 得该函数在子域内部，子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足定的条 件，然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程就 可以得到结构的近似解。有限元法已经广泛应用于很多学科。它最初只在连续体 1 5 中南人学硕士学位论文第二章全自动液压内模的结构、施工过程及设计方法 结构力学中得到应用，但现在，有限元法已经广泛应用于求解热传导，电磁场， 流体力学等多个领域。 很显然，如果用极限状态设计方法来设计内模标准段的话，要使标准段各模 板的刚度都设计得比较精确，且使结构最轻是基本不可能办到的；如果仅利用优 化设计方法来设计标准段的模板和钢架，可以使结构最优，但模板的应力分布及 各部分的变形情况却不能得到；如果利用有限元法，借助与有限元软件来对标准 段进行分析，可以求解标准段模板的应力与应变情况，还能利用有限元软件的优 化分析模块，对钢架截面尺寸进行优化分析。因此，本文选用有限元法进行标准 段的结构分析。 为了能很好的求解标准段模板的应力应变情况，且对钢架截面尺寸进行优化 分析，正确的选用有限元软件是非常重要的。对比目前市场上的各种有限元分析 软件，由于a n s y s 应用广泛，且它有很强的结构分析模块和优化分析模块，因 此，决定选用a n s y s 作为本文的有限元分析软件。 5 有限元分析软件a n s y s 简介 内模的结构和受力都比较复杂，不易用一般方法计算，因此本论文采用有限 元分析方法。现在使用的有限元分析软件有a n s y s 、a l g o r 、a b a c u s 、m a r k 、 n a s t r a n a 等。由于a n s y s 应用广泛、结构分析功能强大、还附带有优化分 析模块，所以本文选用a n s y s 作为分析工具。 a n s y s 软件是融结构，流体，电磁，声学于一体的大型c a e 通用有限元分 析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、 能源、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用 家电等一般工业及科学研究【2 卜2 3 1 。该软件可在多数计算机及操作系统中运行， a n s y s 文件在其所有地产品系列和工作平台上均兼容。 2 5 1a n s y s 的特点 a n s y s 的如下特点使得其在有限元分析软件中具有领先位型】。 唯一能实现多场及多场耦合分析功能的软件。 唯一实现前后处理，求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件。 唯一具有多物理场优化功能的软件。 非线性分析功能强大。 多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。 支持从微机，工作站到巨型机的所有硬件平台，以及所有平台之间的并行 计算。 1 6 中南大学硕士学位论文第二章全自动液压内模的结构、施工过稃及设计方法 支持异种，异构平台的网络浮动，在异种，异构平台上用户界面统一，数 据文件全部兼容。 多种网格划分技术。 可与大多数的c a d 软件集成并有接口。 多层次多框架的产品系列。 良好的用户开发环境。 方便的二次开发功能。 2 6 本章小结 本章介绍了全自动液压内模的组成、吊装进入工作台位工况和自爬进入工作 台位工况的工作过程。同时，也对全自动液压内模的施工工艺进行了简要介绍。 针对内模设计的一般方法，介绍它们的概念、理论、运用领域，还对其优劣进行 了比较，找到了适合本设计的设计方法一有限元软件a n s y s ，并对其应用范 围、特点进行了简要介绍。 1 7 中南大学硕士学位论文第三章全自动液压内模标准段模板刚度分析 第三章全自动液压内模标准段模板刚度分析 全自动液压内模标准段模板由项模板、上侧模、腹模板板和下侧模板四部 分组成。各模板均由钢板和钢架组成。内模板结构和受力复杂，它设计的好坏已 经成为影响预制箱梁生产效率及成本的一个关键制约因素【”。3 4 1 。同时，它也是保 证预制箱梁质量的关键。株洲某桥梁厂生产的全自动液压内模的钢板厚度为 8 m m ，钢架网格为4 0 0 x 4 0 0 m m ，钢梁为扁钢，截面尺寸为8 0 x 3 0 m m 。由于内模 板的变形主要取决于模板的钢板厚度、钢架截面尺寸及钢架网格，因此在钢架网 格不变的情况下，增加钢板厚度，钢架的截面尺寸也增大，这样内模板在浇注混 凝土时才不至于产生过大变形，才能保证梁体内箱的尺寸，同时也为后面的结构 优化留有余量。由于内模节与节之间是独立的，立模时节与节之间也有2 - 5 毫 米的缝隙，加载后，其节与节之间的缝隙会加大，因此相互之间并无干涉情况。 所以，全自动液压内模标准段可作为一个独立的模型来研究。同时对标准段进行 独立的研究，对于研究内模端模和变截面段也有参考意义。在本文，只对内模标 准段中的一节进行结构分析。 3 1 全自动液压内模标准段力学模型 内模在施工过程中主要受的静力为混凝土压力q i 和自身重力g 作用。其标准 段横截面受力示意图如下： 图3 1内模受力截面受力示意图 1 8 中南大学硕士学位论文第三章全自动液压内模标准段模板刚度分析 3 2 全自动液压内模标准段受力分析 假设混凝土在凝固之前为纯流体性质。则： q i = k p g h i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ( 3 - 1 ) k ：超重系数，取1 1 ； p ：混凝土密度，取2 5 0 0 k g m 3 f 3 5 】； g ：重力加速度，取9 8 m s 2 ； h i ：混凝土层厚度。 qn = k p g h l = 1 1x 2 5 0 0 x 9 8 0 3 = 8 0 8 8 n m ； q 2 = k p g h 2 = 1 1 2 5 0 0 x 9 8 x 0 6 5 = 1 7 5 2 4 n m 2 ： q 3 = k p g h 3 = 1 1x 2 5 0 0 x 9 8 x 2 4 7 = 6 6 5 9 0 5 n m 2 ： q 4 = k o g h 4 = 1 1x 2 5 0 0 x 9 8 x 2 7 7 = 7 4 6 7 8 6 n m 上。 内模标准段自重：在a n s y s 中根据内模标准段模型直接给出材料密度，软 件会进行自动计算出内模标准段