市政管线传统直埋方式给城市交通、环境、景观和土地利用造成不同程度的影响, 已不能很好地满足城市重点地区发展需求, 市政综合管廊能提供足够空间, 将各市政管网整齐有序集中安装, 避免管线分散铺设反复开挖地面的问题, 已成为新的发展趋势^[1,2,3]。

在施工现场浇筑而成的管廊通常采用搭建脚手架支撑模板的方法, 拆装量大, 需要大量人工, 施工效率低且质量不稳定, 存在较大安全隐患。针对这一现状, 设计了一套可以快速支模、拆模和移动的模板台车, 具有拆装量小、工人劳动强度低、质量稳定且效率高的优点。

如图1所示为管廊标准横断面图, 管廊全断面一体浇筑而成, 4个舱内支模完后同时浇筑, 本文台车以天然气舱浇筑为例设计。单台车设计尺寸为长3m、高3.2m、宽1.7m。

模板应满足侧墙浇筑压力、顶板浇筑施工荷载。对结构表面外露的模板, 其最大变形值不得超过模板构件跨度的1/400^[4]。

支模、脱模过程实现自动化操作。行走过程中避开管廊内支墩、能适应管廊底部复杂的工作环境。

管廊台车结构如图2所示, 由行走机构、门架结构、模板总成、支撑机构和控制系统5大部分组成^[5]。

行走机构包括1个主动轮和4个从动轮。主动轮由电动机和减速机带动, 为台车行走提供动力;从动轮为带有减震弹簧的定向轮, 减震弹簧的形变量可很好地补偿不平路面下轮的水平高度差。

模板总成包括顶模板、侧模板和斜角模板。顶模板和斜角模板之间用合页连接, 斜角模板与侧模板搭接。

支撑机构包括顶部电动丝杆、侧部电动丝杆和底部电动丝杆。电动丝杆相较于电液推杆而言, 更适合地下管廊施工的环境条件, 具有更清洁、锁紧效果更好的特点。

控制系统包括控制柜、控制面板和传感器。传感器检测信号, 传输给控制柜处理信号, 进一步控制电动丝杆的动作。

底部丝杆将台车整体抬升至设定高度;然后顶部丝杆上升, 顶部模板和转角模板上升至管廊设计高度;最后侧部丝杆带动侧模板移动至管廊设计宽度, 在侧模板的推动下, 转角模板也移动至设计位置, 模板全部支撑到位, 然后开始浇筑混凝土。

混凝土强度达到要求后, 侧部丝杆收回, 侧模板收缩至指定位置;同时, 带动斜角模板转动;然后顶部丝杆收回, 顶模板下移;底部丝杆带动整车下移到初始位置;最后台车移动至下一工位, 等待下一次浇筑工作。

台车施工过程可分为3个工况。

1) 工况1台车行走时, 仅受自重作用。

2) 工况2浇筑侧墙, 模架台车除了受到自重外还受到新浇筑混凝土的侧压力作用。侧压力计算公式^[6]如下:

式中:γ_c为混凝土重度 (k N/m³) , 取24kN/m³;t₀为新浇筑混凝土初凝时间 (h) , 取4h;β₁为外加剂影响修正系数, 取1;β₂为混凝土坍落度影响修正系数, 取1;V为混凝土浇筑速度 (m/h) , 取2m/h;H为新浇筑混凝土顶面总高度 (m) , 取3.5m。侧压力取二者中的较大值, 经计算, 取3×10³y+7 500Pa的线性荷载作为台车的分析荷载。

3) 工况3顶模浇筑, 按照工况2所述给侧模板加载, 顶模板主要承受混凝土的重力作用, 顶部荷载计算^[7]如下。

活载控制时:

恒载控制时:

式中:Q_1k施工人员和设备荷载标准值, 取2.5;Q_2k为振捣时产生的荷载标准值, 2;G_1k为模板支架自重标准值, 0.9;G_2k为新浇筑混凝土自重标准值, 24;G_3k为钢筋自重标准值, 模板取1.1, 梁取1.5。

顶部荷载按式 (1) 计算, 取较大值, 按17 022Pa的均布压力作为台车的分析荷载。

上述3种工况下, 顶模浇筑工况下台车所受荷载最大, 分析工况3的受力情况即可。

模板最大弯曲应力计算公式为^[8]:

式中:M_max为最不利弯矩设计值 (N·m) , 取均布荷载和集中荷载分别作用时计算结果的最大值;W_n为净截面抵抗矩 (m³) ;f为钢材的抗弯强度设计值 (Pa) 。

计算可求得M=2 208.5N·m, W=1.56×10^-5m³, 则最大弯矩为σ=141MPa。查得f=235MPa。σ≤f满足强度要求。

模板最大挠度计算公式:

式中:q_g为恒荷载均布线荷载标准值;P为集中荷载标准值;E为弹性模量;I_x为截面惯性矩;L为面板计算跨度;[v]为容许挠度, 一般为l/400。

计算可求得最大挠度v=1.625mm, 小于模板的容许挠度[v]=8.75mm, 满足挠度要求。

材料参数设定^[9]:模板材料为45号钢, 弹性模量E=200GPa, 容许应力[σ]=100MPa, 泊松比为0.3, 密度为7 850kg/m³, 选择模型的网格尺寸为25mm, 使用扫略方式进行网格划分, 台车网格模型如图3所示。

1) 边界条件处理将螺旋丝杆与顶部纵梁、立柱间的连接处进行全约束, 在门架底部车轮安装处约束x, y, z 3个方向位移自由度。

2) 荷载设定新浇筑混凝土对台车侧部的压力分布较复杂, 与浇筑高度呈正相关。为便于分析, 将新浇混凝土对台车侧不得压力简化为与浇筑高度呈线性关系, 即侧部按P=3×10³y+7 500 (Pa) 的线性载荷加载;顶部按17 022Pa的均布压力加载 (见图4) 。

由图5所示应力分布云图可知, 最大应力出现在侧模板下部支撑处, 其值为139.43MPa<235MPa, 满足强度要求。并且, 台车等效应力分布云图显示的最大等效应力与理论计算得到的最大弯曲应力相符^[10]。

由图6所示应变云图可知, 门架结构变形量最小, 侧模板中下部变形量最大, 为1.739 2mm<8.75mm, 满足刚度要求。并且, 台车应变云图显示的最大应变与理论计算得到的最大挠度也有较好的吻合度。

台车控制系统由传感器、控制器PLC、控制面板和驱动电动机组成, 是行程反馈的闭环控制。台车控制系统如图7所示, 具体原理为:安装在模架台车侧模板上的压力传感器和距离传感器, 在支模过程中, 传感器实时采集到压力、距离信号后反馈给控制器, 当压力和距离信号达到设定值后, 自动控制丝杆电动机停转, 侧模板支撑到位^[11]。

埋在浇筑混凝土内部的压力、湿度光纤光栅传感器, 在混凝土凝固过程中, 压力传感器监测混凝土内部的压力变化, 湿度传感器监测混凝土内部的湿度变化, 通过对分布式光纤光栅^[12]数据的融合分析, 达到脱模允许的压力和湿度值时, 内部PLC进行运算处理后控制丝杆电动机启动开始脱模。

安装在台车侧模板和顶模板上的红外线测平仪, 对台车顶模板进行平整度监测和对侧部模板进行垂直度监测, 配套设备检测红外信号, 处理并反馈信号给可编程控制器PLC, 进一步控制顶升电动机的动作。

控制面板上时刻反映各传感器采集的数据变化, 实现自动控制的同时进行人工监测。

为验证自行式台车机械结构和控制系统可靠性, 目前已在甘肃白银诚信大道段使用台车进行混凝土浇筑, 替代传统的支脚手架和木模板工艺, 使用效果良好 (见图8) 。工艺数据对比如表1所示^[13]。

针对设计的一种管廊施工智能台车, 采用理论计算分析方法进行详细的荷载和应力分析;同时, 建立了台车整体的荷载力学模型, 对台车整体进行了模拟分析;最后进行了现场施工验证, 进行施工工艺数据对比。得到如下结论。

1) 模拟分析与理论计算结果基本一致, 说明有限元模型建立的正确性和边界条件施加的合理性。并且说明台车的最大弯曲应力和最大形变量聚能满足设计要求。

2) 施工现场的成功试验, 说明了该设计方案的可行性。施工工艺数据对比进一步说明, 智能台车能有效解决传统管廊施工方法存在的拆装量大、施工效率低、安全隐患较大和施工质量不稳定的问题。