学生姓名：郑雅文

班生姓级：机械2019-02班

指导教师：刘放

毕设题目：隧道全圆针梁式衬砌台车系统设计与仿真分析

一、概况

1.选题意义

引水隧洞的建设，是水利工程建设中的重要部分，而衬砌工程作为隧道施工最后的主要工序，其施工质量会对引水隧洞的后期运行产生非常重大的、直接的影响。

本选题所设计的隧道全圆针梁式衬砌台车性能优良：

（1）能够一次性浇筑整环衬砌，没有纵向施工缝；

（2）该衬砌台车的衬砌施工工艺采用的是上层240度钢筋绑扎，这样可以不受下层开挖面距离的限制，以减少路面成品保护投入；

（3）该衬砌台车的施工工艺具有施工工序简单，衬砌质量整体性好的特点，尤其适合衬砌与开挖距离没有限制的引水隧洞施工，能够提升衬砌质量、缩短整体工期、有效降低成本。

使用仿真分析软件对开发、设计的产品进行仿真、分析，是现代工业制造的一个常用的方法。这样不仅可以验证设计方案的合理性、可行性，还可以不断地对产品进行优化，提高产品性能，能够很好地减少产品的研发周期、降低产品的研发成本。

2.任务分解

（1）了解隧道施工流程、隧道智能建造装备的发展和应用现状，学习并掌握隧道智能建造装备的设计方法；

（2）根据隧道断面尺寸的施工要求，运用隧道智能建造装备的设计方法，设计台车结构主要参数：该针梁台车主要由桁架式针梁1、模板内框架2、全圆浇筑模板3、底座结构4等构成（如图1所示）；

图1针梁台车三维总图

（3）根据台车结构主要参数，用三维建模软件solidworks建立满足隧道施工衬砌功能的台车三维模型；

图2针梁台车三维模型

图3针梁桁架

   （4）基于隧道衬砌方法，分析衬砌施工过程中各个阶段台车的受力情况，对其中各个阶段中的极端情况分别建立台车的外载荷的数学模型；

   （5）运用工程分析软件PKPM建立针梁纵向平面的桁架杆件的二维模型，将各个阶段中的极端情况下的受力情况加载到针梁纵向平面的二维模型上，通过PKPM进行计算，得出针梁的桁架杆件的受力情况，进行理论强度校核和稳定性计算；

   （6）将台车的3D模型导入到有限元软件ANSYS中，定义属性，进行网格划分，按照所分析的台车的外载荷的数学模型对ANSYS中台车的3D模型添加载荷和约束；

   （7）对台车结构的强度、刚度和模态进行仿真，完成台车模板及内框架的强度、刚度校核；

   （8）基于以上工作，对针梁、模板进行模态分析；

   （9）撰写毕业论文。                                    

二、已完成工作

 1.查阅资料，收集文献

查阅文献资料，了解隧道施工流程、隧道智能建造装备的发展和应用现状，了解隧道衬砌的施工流程，了解国内外隧道衬砌、衬砌装备的发展现状，学习并掌握隧道智能建造装备的设计方法。

2.针梁桁架的载荷分析

基于隧道衬砌方法，分析衬砌施工过程中各个阶段的针梁台车的所受载荷的情况，对其中各个阶段中的极端情况分别建立针梁台车的外载荷的数学模型。

台车施工过程大体可以分为两个阶段：非浇筑阶段、浇筑阶段：

（1）非浇筑阶段

在该阶段，浇筑的混凝土已经凝固，对台车没有力的作用，台车的针梁桁架所受外载荷为通过轮对作用在针梁上的浇筑模板和模板内框架的自重。在该阶段，针梁桁架的受力的极端情况有浇筑模板在针梁端部（图4）和跨中（图5）两种情况。

图4模板位于针梁端部

图5模板位于针梁跨中

模板自重产生的对针梁的外载荷通过7对上托轮传递给针梁（如图6），模板自重为m=120t，则每个轮子的轮压为

图6模板自重作用于针梁

这7对托轮所产生的载荷，可视为两侧4对托轮两两一组对针梁施加力，中间3对托轮单独对针梁施加力，即两侧的力为2F，则非浇筑阶段，模板位于针梁端部受力图（如图7所示）：

图7非浇筑端部受力

非浇筑阶段，模板位于针梁跨中受力图（如图8所示）：

图8非浇筑跨中受力

（2）浇筑阶段

在该阶段浇筑的混凝土未完全凝固，对模板会产生作用力，而混凝土对模板的作用力又会通过模板传递至针梁。且混凝土对模板的作用力会随着浇筑过程的进行而变化。在该阶段，模板会一直停留在针梁端部，对针梁的作用力的大小会发生变化。针梁所受外载荷等于模板自重加上混凝土对模板的作用力。

将浇筑过程按混凝土的终凝时间主要离散为6个阶段,拟浇筑混凝土如图9所示为外半径7.57m、内径半6.57m、长12m的一个圆柱体，由于浇筑速度大约为20m³/h，因此总浇筑时间t_总为：

图9 浇筑阶段离散化划分

    第一阶段，模板上外荷为液相混凝土对模板造成的浮力F₁，浮力F₁为：

    第二至第五阶段，模板上外载荷为液相混凝土对模板造成的侧压力，由于每浇筑一个阶段，前一阶段所浇筑混凝土到达终凝时间而凝固脱模，因此在每一阶段浇筑时之前的阶段所浇筑混凝土对侧模板无压力作用，混凝土对侧模板面压强P为：

第六阶段，模板上外载荷为液相混凝土对模板造成的重力F₂，此时第一到五阶段所浇筑混凝土已经成为固相而脱模，对侧模板无压力作用，重力F₂为：

 3.PKPM进行结构计算

运用工程分析软件PKPM建立针梁纵向平面的桁架杆件的二维模型（如图10所示），将各个阶段中的极端情况下的受力情况加载到针梁纵向平面的二维模型上，通过PKPM进行计算，得到针梁的桁架杆件的应力情况。

图10 PKPM中的针梁二维模型

（1）依据已得到的针梁所受外载荷的数学模型，在桁架杆件的二维模型上施加载荷和约束。

（2）工程分析软件PKPM进行结构计算后，得到各个桁架杆件的轴力、弯矩、挠度等数据。

三、下一步工作计划

（1）将应用工程分析软件PKPM进行结构计算所得到的各个阶段的极端情况的数据进行分析、总结，完成针梁桁架杆件的理论强度校核和稳定性计算；

（2）将台车的三维模型导入到有限元软件ANSYS中，完成台车模板及内框架的强度、刚度校核；

（3）完成对针梁、模板的模态分析；

（4）撰写毕业论文。

问题一：将针梁桁架这一三维模型进行二维化分析是否合理？

回答：全圆模板及模板内框架的自重及混凝土的作用力通过针梁桁架上的7对上托轮传递给针梁，针梁两侧平面上的桁架结构是针梁上实际承受外载荷的部位，而针梁横向的桁架结构只起到了稳定针梁结构的作用，所以将三维针梁桁架二维化分析是合理的，且可以达到简化模型的目的。

问题二：针梁桁架进行强度、稳定性校核的标准是什么？

回答：进行针梁桁架强度、稳定性校核所取用的各项系数主要依据《起重运输机金属结构》一书中的相关理论来选定。

在完成毕业设计的过程中，我得到了很多进步和成长。由于自身所具备的理论知识有限，在进行毕业设计的过程中常常会遇到许多问题，通过查阅资料、与导师及学长进行探讨，再加上自己的思考总结，最终解决了这些问题。与此同时，也使自己的理论知识更加丰富，解决问题、分析问题的能力得到提升，心智也愈发成熟。

毕业设计已经过半，我会继续努力，认真撰写毕业论文，圆满完成毕业设计的任务。