大型膠囊臺(tái)車受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

馮海暴，張寶昌，付大偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

大型膠囊臺(tái)車受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

馮海暴，張寶昌，付大偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

大型膠囊臺(tái)車是我國獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)的一種新型陸上出運(yùn)設(shè)備，在進(jìn)行陸上頂升、運(yùn)移沉箱期間，由于臺(tái)車運(yùn)行軌道的基礎(chǔ)沉降，導(dǎo)致車輪受力過大出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，為精確的檢測臺(tái)車在動(dòng)態(tài)下的各車輪受力情況，從而制定臺(tái)車軌道建造驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合該設(shè)備的受力檢測特征，利用了力學(xué)計(jì)算和應(yīng)力測試的方法，進(jìn)行了受力檢測系統(tǒng)反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)室加載應(yīng)力驗(yàn)證，最終得出了受力檢測反系統(tǒng)力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)方案，為以后的類似受力檢測反力架設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

受力檢測；反力架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；研究應(yīng)用

引 言

萬噸級(jí)沉箱陸上出運(yùn)膠囊臺(tái)車［1］是中交一航局二公司獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)的一種新型陸上出運(yùn)設(shè)備，該設(shè)備是通過2年設(shè)計(jì)攻關(guān)，3年實(shí)踐驗(yàn)證而研究成功的目前具備國際領(lǐng)先水平的專用新型設(shè)備。經(jīng)過長期驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)萬噸級(jí)沉箱陸上出運(yùn)膠囊臺(tái)車在實(shí)際工作中，由于運(yùn)行基礎(chǔ)的沉降等因素造成軌道高低不平，高差過大導(dǎo)致臺(tái)車車輪受力過大出現(xiàn)破壞，為了確認(rèn)目前工況下車輪具體受力情況，而需要設(shè)計(jì)一套受力檢測系統(tǒng)，受力檢測由反力架、數(shù)據(jù)采集、加載設(shè)備和臺(tái)車四大部分組成，其中反力架設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，在不同組合頂升力作用下，進(jìn)行受力檢測并輸出數(shù)據(jù)，得出臺(tái)車的受力規(guī)律。要保證受力檢測反力系統(tǒng)的正常工作，對反力架的設(shè)計(jì)需要全面考慮各種影響因素，而與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和臺(tái)車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)則是系統(tǒng)正常工作的保證。膠囊臺(tái)車受力檢測系統(tǒng)見圖1。

圖1 膠囊臺(tái)車受力檢測系統(tǒng)

然后通過實(shí)踐應(yīng)用即時(shí)檢測受力規(guī)律，為后期膠囊臺(tái)車運(yùn)行軌道建造和驗(yàn)收提供平整度驗(yàn)收科學(xué)依據(jù)。在試驗(yàn)室需要對臺(tái)車車軸粘貼應(yīng)力片分級(jí)加載后，找出應(yīng)力片變形與受力的相關(guān)性，計(jì)算出臺(tái)車每個(gè)車軸的受力情況。為實(shí)現(xiàn)該檢測目的，需要在試驗(yàn)室通過反力架固定臺(tái)車來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的分級(jí)加載過程，這就需要設(shè)計(jì)一套反力架來完成臺(tái)車的分級(jí)加載工作。

1 受力檢測系統(tǒng)反力架系統(tǒng)

受力檢測系統(tǒng)反力架由鋼結(jié)構(gòu)支架和加載設(shè)備共同組成，該設(shè)備主要用于在加載期間固定膠囊臺(tái)車的位置，確保臺(tái)車處于模擬作業(yè)狀態(tài)，不斷的變化受力組合得出不同作業(yè)狀態(tài)下的受力規(guī)律，并通過加載系統(tǒng)的控制對臺(tái)車進(jìn)行模擬加載，在穩(wěn)定的狀況下完成分級(jí)加載，從而避免因臺(tái)車的穩(wěn)定性而影響測試結(jié)果。

2 荷載及參數(shù)確定

2.1 受力工況及組合

圖2 車輪編號(hào)及受力組合

在沉箱出運(yùn)過程中，擬采用全程監(jiān)測臺(tái)車各車輪受力狀況的方法，以確保沉箱的全出運(yùn)并為臺(tái)車保養(yǎng)提供技術(shù)支持。經(jīng)過工程沉箱出運(yùn)過程中的受力分析調(diào)查，主要出現(xiàn)以下三種工況受力，車輪編號(hào)及受力組合見圖 2。因此，在進(jìn)行反力架設(shè)計(jì)時(shí)，主要按照以下三種工況分別計(jì)算受力。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載選取

經(jīng)過初步分析，臺(tái)車設(shè)計(jì)單個(gè)車輪受力為70 t，為驗(yàn)證膠囊臺(tái)車的極限破壞強(qiáng)度，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，決定對臺(tái)車施加100 t壓力。反力架測試狀態(tài)見圖3及圖4。

圖3 反力架平面

圖4 反力架斷面

2.3 反力架主要測試設(shè)備組成

1）壓力傳感器：數(shù)量4個(gè)。

2）軌道：重量88.96kg/m，數(shù)量4節(jié)。

3）膠囊臺(tái)車：重量約11 t，數(shù)量1節(jié)。

4）千斤頂：型號(hào)500 t。

3 設(shè)計(jì)分析

3.1 反力架設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1）內(nèi)輪廓平面尺寸

臺(tái)車兩邊距離反力架邊緣分別為80mm，反力架寬度初步設(shè)計(jì)為1 400mm；反力架探出膠囊臺(tái)車長度方向每側(cè)為 100mm，長度初步設(shè)計(jì)為3 000mm，后期根據(jù)計(jì)算實(shí)際調(diào)整。見圖5。

圖5 反力架內(nèi)輪廓平面

2）內(nèi)輪廓高度尺寸

反力架自底梁開始自下而上分別，20mm鋼板，壓力傳感器高175mm，20mm鋼板，鋼軌高150mm，臺(tái)車高1 321mm，20mm鋼板，500t千斤頂高470mm，千斤頂頂推空間按100mm設(shè)計(jì)，20mm鋼板。

壓力傳感器底部和底部反力梁之間設(shè)置的鋼板為2 800mm×300mm×20mm的板帶；傳感器和軌道之間設(shè)置的鋼板尺寸為300mm×300mm ×20mm；千斤頂?shù)撞亢湍z囊臺(tái)車之間設(shè)置的鋼板尺寸為500mm×500mm×20mm；上部反力梁梁底部和千斤頂之間設(shè)置的鋼板尺寸為 300mm ×300mm×20mm。臺(tái)車輪距為700mm。

經(jīng)過初步設(shè)計(jì)反力架內(nèi)輪廓高度尺寸為2 296mm（2 256mm為不計(jì)上下鋼板）。見圖6。

圖6 反力架內(nèi)輪廓正立面

3）反力架內(nèi)輪廓尺寸

經(jīng)過分析，得出反力架內(nèi)輪廓尺寸如下：

長度：3 000mm；

寬度：1 400mm；

高度：2 296mm。

3.2 反力梁設(shè)計(jì)（千斤頂支頂?shù)慕佑|梁）

根據(jù)分析，需要通過計(jì)算確定上、下反力梁截面尺寸。受力模型圖見圖7及圖8。

圖7 反力梁受力（A-A）

圖8 固定梁受力（B-B）

1）荷載及計(jì)算模型選擇

圖 7中，上部反力梁受兩個(gè)荷載 P分別為100 t，荷載距兩端距離分別為300mm，圖7可以將反力梁受力簡化為簡支梁受力模型進(jìn)行計(jì)算，但是實(shí)際受力時(shí)，固定梁的邊緣不能作為力矩的取臂點(diǎn)，為此，需要通過采取對固定梁和反力梁角點(diǎn)加固的方法，使得彎矩取臂點(diǎn)位于固定梁的邊緣處，以達(dá)到節(jié)約用材效果，具體方法為在拐角點(diǎn)兩側(cè)上部設(shè)置角鋼支頂，使彎矩受力點(diǎn)移至固定梁邊緣。

2）截面選擇

初步選擇使用工字鋼作為反力梁，根據(jù)受力情況，由于反力梁受固定梁抱箍，可按端點(diǎn)固結(jié)計(jì)算，為考慮安全，將反力梁計(jì)算模型簡化為簡支梁甲酸。文獻(xiàn)［2］給出了反力梁的受力模型和彎矩、剪力見圖9。

圖9 反力梁受力模型

根據(jù)受力模型計(jì)算 Mmax=3×108 N·mm，V==106 N。

工字鋼選取 Q235鋼材，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f=210 N/mm2，則需要總截面抵抗矩W=M/f=1.43 ×103 cm3，初步選擇I36a工字形鋼，h=360mm，b=136mm，工字鋼的詳細(xì)尺寸見文獻(xiàn)［3］，該工字形鋼截面抵抗矩Wx=877.6 cm3，則縱向需要材料數(shù)量為n=W/Wx=1.63根，選取2根，則Wx=2× 877.6=1.75×103 cm3，滿足要求。

3）剪切強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)受力分析，τ=V/A，τ為剪應(yīng)力，V為總剪力，A為受力面積。

選取2根I36a工字鋼合拼在一起，則截面積A=15 288mm2。文獻(xiàn)［3］工字鋼抗剪強(qiáng)度 fv= 125 N/mm2。

1）反力梁在受106 N的總剪力情況下，剪切強(qiáng)度計(jì)算如下：

2根I36a工字鋼合拼在一起的組合反力梁剪切強(qiáng)度滿足要求。

4）反力梁最大撓度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，該受力模型最大撓度

3.3 固定梁設(shè)計(jì)（固定反力梁）

根據(jù)分析，需要通過計(jì)算確定固定梁截面尺寸。受力模型見圖9。

1）荷載及計(jì)算模型選擇

圖 8中，由于固定梁要承擔(dān)反力梁荷載，所以固定梁也受到兩個(gè)荷載N=P，也為100 t。初步選取立柱擬初選材料為I36a工字鋼，h=360mm，b=136mm，圖8可以將反力梁受力簡化為簡支梁受力模型進(jìn)行計(jì)算，見圖10。

圖10 固定梁受力模型

根據(jù)圖10可知，主要是對固定梁中間柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行截面抵抗距核算（該處受兩個(gè)力），將結(jié)構(gòu)計(jì)算模型簡化為2跨連續(xù)簡支梁進(jìn)行計(jì)算，求取最大彎矩，做為計(jì)算選取會(huì)偏于安全。

2）彎矩計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，按 2跨簡支連續(xù)梁計(jì)算，得Mmax=2.824×108 N·mm。

3）截面驗(yàn)算

工字鋼選取 Q235鋼材，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f=210 N/mm2，固定梁需要的抵抗矩W1=M/f=13.45 ×105mm3。

選用1榀I36a型工字鋼作為上端固定梁，則上端固定梁截面抵抗距W=8.77×105mm3，不滿足要求。故選取兩榀I36a型工字鋼作為上端固定梁，截面抵抗距為W=2×17.54×105mm3，可以滿足要求。

4）剪力驗(yàn)算

固定梁剪力Vmax=6.88×105 N。

選取 1榀 I36a工字鋼作為立柱，則截面積A=76.44 cm2=7 644mm2。工字鋼抗剪強(qiáng)度 fv= 125 N/mm2。

上端固定梁和中間立柱在受6.88×105 N的總剪力情況下，剪切強(qiáng)度計(jì)算如下：

1根I36a工字鋼作為立柱剪切強(qiáng)度滿足要求，上端固定梁為2榀I36a工字鋼對拼，可滿足要求。

5）反力梁最大撓度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，wmax==0.00 00 01mm，撓度很小，可以忽略不計(jì)。

3.4 反力架設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算得出反力架中的反力梁截面和上端固定梁截面為兩榀I36a工字鋼橫向拼接，下端固定梁為I40c工字鋼，中間加支頂，按照三點(diǎn)簡支計(jì)算，并在拐角處設(shè)置肋板，可以滿足要求。立柱為I36a單排工字鋼。材料統(tǒng)一為Q235。

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算后，反力架外輪廓尺寸為長3 372mm，反力架下寬1 818mm、上寬1 944mm，高3 396mm。頂升空間為100mm。詳細(xì)設(shè)計(jì)見圖11、圖12。

圖11 反力架（下架）平面布置

圖12 反力架（上架）剖面

在反力架設(shè)計(jì)中，GJ-6為構(gòu)造要求，將反力梁連續(xù)在一起，下部反力梁為滿鋪鋼板。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過加工設(shè)計(jì)的大型臺(tái)車反力架測試系統(tǒng)，進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試，在施工中，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

率定開始前，先將臺(tái)車吊入反力架，就位后使用 4根手拉葫蘆將臺(tái)車起升至傳感器安裝高度，安裝傳感器和短軌道傳感器和段軌道之間應(yīng)有卡槽限位以提高率定數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

傳感器安裝完畢后，臺(tái)車落下，使臺(tái)車僅受系統(tǒng)自重，采集系統(tǒng)清零。用千斤頂系統(tǒng)對臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)壓以消除偶然荷載，預(yù)壓噸位為臺(tái)車單輪荷載70 t，以受力最大輪為準(zhǔn)，保壓3～5 min卸載至空載，待采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)不再變化后，系統(tǒng)清零，開始率定。

每個(gè)組合率定加載時(shí)以最大輪壓為受力控制點(diǎn)，平穩(wěn)連續(xù)加載至70 t開始卸載，卸載過程應(yīng)保持平穩(wěn)連續(xù)。每輛臺(tái)車重復(fù)率定3次。4個(gè)組合做完后每個(gè)車輪產(chǎn)生6組率定數(shù)據(jù)，均達(dá)到了測試目的。

5 結(jié) 論

通過設(shè)計(jì)大型臺(tái)車反力測試系統(tǒng)，確定了反力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)荷載，通過分析計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得反力系統(tǒng)的測試達(dá)到了預(yù)期效果，不僅減小了結(jié)構(gòu)的重量，節(jié)約了費(fèi)用，同時(shí)滿足其他的使用功能。目前該反力測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了對膠囊臺(tái)車受力的測試試驗(yàn)，為膠囊臺(tái)車的受力測試提供了裝備和技術(shù)依據(jù)，該裝備為首次應(yīng)用，可為同類工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供借鑒。

［1］張寶昌，付大偉.膠囊臺(tái)車頂升與運(yùn)移大型沉箱工藝［J］.中國港灣建設(shè)，2011，（01）：59-62.

［2］汪正榮，朱國梁.簡明施工計(jì)算手冊［M］.中國建筑工業(yè)出版社.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊［M］.中國建筑工業(yè)出版社.

［4］國振喜，張樹義.實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.

Application and Design of Reaction Frame Structure in Stress Test System of Large-sized Capsule bogie

Feng Haibao，Zhang Baochang，F(xiàn)u Dawei
（The Second Engineering Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266071，China）

Large-sized capsule bogie is a new land launching equipment which has been independently designed and developed by China.While caissons are lifted and moved，the settlement of bogie orbit foundation results in much higher stress on bogie wheels，which damages the wheels.It is necessary to detect the dynamic stress on the bogie wheels accurately so as to make up bogie orbit construction and acceptance specifications.Based on the stress test characteristics of the equipment，the mechanical calculation and stress test method are combined to carry out the design of reaction frame structure applying to the stress test system and laboratory load stress test.Finally the detail design of reaction frame structure is produced，which will provide a scientific basis for the design of similar stress test reaction frame in future.

stress test； reaction frame； structure design； application research

U653.923

A

1004-9592（2016）05-0030-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160508

2015-07-03

馮海暴（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事港口航道、沉管隧道等工程施工及研究工作。