1. 引言
随着中国城市建设的迅速发展,城市人口数量的急剧增长,电力传输、交通及能源问题日益突出。城市综合管廊的建设能够明显缓解人口增长带来的城市问题,对城市发展具有重大意义,也是现代化城市建设中一项比较关键的任务 [1] 。2013年9月《国务院关于加强城市基础建设的意见》指出开展城市地下综合管廊试点,开展了为期3年在全国36个大中城市全面启动地下综合管廊建设试点工程。2014年6月,国务院办公厅发布关于地下管线建设的指导意见,通过试点示范效应,带动具备条件的城市结合新区建设、旧城改造、道路新(改、扩)建,在重要地段和管线密集区建设综合管廊 [2] 。2015年4月10日,建设部、财政部公布计划3年内在建设地下综合走廊389公里,总投资351亿元。2016年3月5日,政府工作报告中指出:开工建设城市地下综合管廊2000公里以上。2016年5月26日,建设部、国家能源局印发《推进电力管线纳入城市地下综合管廊的意见》,协调电力管线入廊,进一步增加管廊的综合使用功能 [3] 。2022年,《国务院关于印发扎实稳住经济一揽子政策措施的通知》和《“十四五”全国城市基础设施建设规划》中指出各地要因地制宜推进城市管廊建设,合理布局规划城市管廊系统 [4] [5] 。目前,全国各省市都在进行地下综合管廊规划,因此完善城市地下管廊综合建造技术具有重要意义。
随着技术的进步,现代地下综合管廊施工建造工艺出现了多种方法,主要包括现浇施工、全预制拼装施工、现浇–预制结合施工和钢制波纹管施工等。现浇施工技术是最为常见的一种方法,现浇法建造管廊的施工工艺简单,技术风险可控。但是,现浇法具有施工周期长,劳动力需求量大,土方开挖量大,箱涵段间容易渗漏,地下水对施工的影响大,主体结构容易出现裂纹等特点,限制了自身发展 [6] [7] [8] 。全预制拼装施工技术具体成本低、效益高、闭水性能好等优点,但产品规格、地方要求不统一给施工和设计带来困难 [9] [10] 。预制管廊产品质量要求不一致,设计也无依据,给最终检测和测试数据带来难度。结合预制管廊和现浇管廊的特点,现浇–预制施工技术也是一优势选择 [11] ,但依然无法解决目前的难题。钢制波纹管施工技术跟预制拼装技术相似,是一个预制施工技术,具有施工周期短、工程质量优、安全性高等特点 [12] [13] 。然而,钢制材料的耐久性不足,很难达到城市综合管廊设计年限100年。其次,钢制波纹管施工技术在防渗漏和相邻接口连接都是难点,容易造成质量缺陷。
因此,亟需一种劳动力人口依存度低、更加环保、能实现工业化生产的施工方式,结合现浇法,采用液压模板台车进行城市综合管廊建造技术应运而生。该技术保留现浇工艺操作简单、安全等技术优势,借助台车实现全自动移动作业,高效且有效减少了劳动力的依存度,并且满足绿色环保的建造要求。但是,目前对液压模板台车结构优化分析的相关研究还较少 [14] 。
鉴于此,设计了液压模板台车性能测试试验和工程应用试验,对液压模板台车的台车框架、内外模板、加强横背楞和对拉螺栓进行应力测试,分析各关键节点的受力特征,借助工程试验分析了液压模板台车各部件设计的适用性,提出了液压模板结构优化方案,研究成果可望为液压模板台车的工程应用推广提供技术参考。
2. 台车结构与试验方案
2.1. 台车结构
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Figure 1. Section view of formwork trolley
图1. 模板台车剖视图
液压模板台车由台车、行走机构、内模板、外模板、液压系统和外模防倾翻装置等部分组成。其中,台车框架部分与内顶模板连接,承受模板压力,采用整体性焊接结构。行走机构包括行走轮和行走轨道。每个台车底部设置4个行走轮,对称布置在单节台车底部纵梁下,其中主动轮2套,从动轮2套,均为直径250 mm的槽形轮,可实现台车的纵向行走运动。走行前轮的设计成万向轮,可随下部的弯轨实现转向的功能。行走轨道为16 kg/m的轻轨。台车行走速度约5 m/min,配低转速大扭矩液压马达。
内外模板采用定型钢模板,厚度为5 mm,两侧铣边。模板竖筋为10#槽钢,间距500 mm,模板两边用角钢钻孔做成法兰盘,与相邻模板连接。每侧模板设2道横背楞,采用双16#槽钢,每道横背楞上安装4套(共8根)直径18 mm的3段式对拉螺栓,与台车上的螺旋丝杆位置相对应。内外模钢板厚度均为8 mm,为了便于运输,模板制作成2米一段。液压系统主要为台车行走和模板平移提供动力,包括4个支腿油缸、4个侧模平移油缸、4个侧面锁紧油缸、2个液压马达和1套泵站。液压系统通过一台7.5 kW的电机提供动力,工作压力20 MPa,流量14.4 L/min,工作时溢流阀调定压力为14 MPa,液压马达由单向节流阀控制速度。台车、内外模板及对拉螺栓等主要构件均采用弹性模量为200 GPa的Q235钢材。液压模板台车示意图如图1所示。
2.2. 试验方案
利用模板台车进行现浇管廊1:1全尺寸试验。管廊试验段长度为6 m,浇筑混凝土高3 m,顶板混凝土设计厚度为0.6 m。试验时,底板和导墙(高1 m)已完成施工并养护完成,测试现场如图2所示。浇筑混凝土前,将台车行驶至浇筑节段,调整好位置,启动液压泵站,开启台车顶模和侧模油缸控制操作杆,使顶板模板和侧模缓慢升至支模位置。通过开启单个或多个油缸,对局部需要调整位置的顶模和侧模进行微调,使模板尺寸及位置符合要求,然后浇筑混凝土。
在浇筑混凝土过程中,测量台车框架、内外模板、模板加强横背楞和对拉螺栓关键节点的应变值,通过计算得到关节部位的应力值。测试时间为浇筑混凝土整个过程,及混凝土浇筑完成后的一段时间。测试采用了2台读数设备,一台为东华DH3816静态应变仪,有60测点通道,每5 s采集一个数据;另外一台为德国IMC集成测控有限公司CRONOScompact系列,共32个测点通道,每1 s采集一个数据。这两台设备均用于采集关键节点处的应变值。
测试前,首先在关键点位布置应变片,通过应变测试计算得到应力。应力应变测试点位主要分布在台车、外模板和内模板上,具体布置位置如图3、图4和图5所示。图3为台车测试点布置图,在台车上部横梁布置4个测试点,竖梁布置2个测试点,底梁布置2个测试点,目的在于掌握台车横梁、竖梁和底梁三个关键部位的应力特征。在内模板和内模板加强横背处分别布置2个测试点,以分别测量模板和横背楞的受力特征,如图4所示。图5是外模板、外模板加强横背楞和外模板对拉螺栓的应力测试点布置图。通过对台车、内外模板、加强横背楞和对拉螺栓四种结构关键节点的受力特征进行测试,并与相关规范或标准进行对比,提出台车结构的优化方案。
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Figure 3. Test point layout on trolley
图3. 台车测试点布置图
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Figure 4. Test point layout on internal formwork
图4. 内模板测试点布置
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Figure 5. Test point layout on external formwork
图5. 外模板测试点布置图
3. 现场测试结果与分析
3.1. 台车结构受力分析
地下管廊混凝土浇筑过程中,分别对台车上横梁、竖梁和底梁进行应力测试。图6是台车上横梁应力的变化情况。从混凝土开始浇筑1小时内,上横梁各测点应力随时间逐渐增加,1小时后各测点应力逐渐稳定,不再随时间增加。其中,测点1、2、3处最大应力不超过20 MPa,所有测试点最大应力值均小于25 MPa,满足台车上横梁设计承载要求。必要时,可以考虑适当减小上横梁尺寸,以节约制作成本和台车重量。台车竖梁承受应力情况如图7所示,由于应力为压应力,所以用负值表示。在开始浇筑混凝土的一段时间内,竖梁应力增加速率缓慢,在2500 s内从0逐渐增加至10 MPa左右。从2500 s后竖梁应力开始急剧增加,在3000 s时应力达到30 MPa左右。此后,竖梁应力逐渐平稳,随着时间增加,测点1处的应力略微增加至40 MPa左右,测点2处的应力没有明显增加。通过测试可知,所有竖梁所受压力应均远小于钢Q235屈服强度,满足台车竖梁承载力设计要求。
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Figure 6. Stress curve of the beam on the platform
图6. 台车上横梁应力曲线图
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Figure 7. Stress curve of vertical beam of trolley
图7. 台车竖梁应力曲线图
图8是台车底大梁跨中及悬臂处的应力变化。其中,测点1是底梁跨中位置应力变化情况,测点2是悬臂位置应力变化情况。由图可知,在混凝土浇筑过程中,底梁跨中位置应力在0~10 MPa之间波动,跨中位置应力在0~30 MPa范围内波动,均满足设计要求。通过以上分析可知,在地下管廊混凝土浇筑过程中,台车框架(包括上横梁、竖梁和底梁)各位置处的实际受力情况均小于结构自身承载力,因此台车框架结构处于稳定状态。
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Figure 8. Stress curve of the floor beam of trolley
图8. 台车底大梁应力曲线图
3.2. 内外模板受力分析
内外模板在浇筑过程中所受应力如图9和图10所示。其中,内模板2个测点分布在下侧加强横背楞靠上同一高度处的相邻位置。结果表明,开始混凝土后,内模板应力随时间迅速增加,在大约10 min后应力逐渐稳定,不再随时间明显增加,最大应力在20 MPa附近。
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Figure 9. Stress curve of the internal formwork
图9. 内模板应力曲线图
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Figure 10. Stress curve of the external formwork
图10. 外模板应力曲线图
外模板共设置4个应力测点,2个位于上侧加强横背楞靠下位置,另外2个位于上侧加强横背楞靠上位置。测试结果表明,外模板4个测点处应力均在开始浇筑混凝土后迅速上升,然后逐渐稳定;4个测点处的应力均不超过20 MPa,最大应力在17 MPa左右,外模板应力明显小于内模板应力。此外,在混凝土浇筑初期,横背楞靠下测点处的应力明显大于靠上测点处的应力,在混凝土浇筑中后期,上下测点处的应力没有明显区别。总体来说,内外模板受力稳定,且整体处于较低水平,模板设计满足其受力要求。
3.3. 内外模板加强横背楞受力分析
内模板加强横背楞测点共2个,均位于下侧加强横背楞处,其应力曲线如图11所示。从图中可以看出,从混凝土浇筑开始,内模板加强横背楞应力随着测试时间的增加而缓慢增加,60 min后混凝土浇筑结束,此后应力逐渐趋于稳定,基本在40~50 MPa范围内波动。值得说明的是,混凝土浇筑完成后,加强横背楞测点1处应力曾增加至70~80 MPa附近,持续时间约10 min,然后又恢复至40~50 MPa,这可能与试验过程中人为因素造成的扰动有关。
外模板加强横背楞共设置2个测点,分别位于上侧和下侧横背楞处,如图12所示。在混凝土开始浇筑后的500 s内,外模板加强横背楞应力急速上升至25 MPa附近,随后保持保持稳定,直到浇筑结束(3500 s)。后期,下侧横背楞测点处应力又增至35 MPa附近,上侧横背楞测点处应力无明显增加。外模板加强横背楞应力明显小于内模板横背楞,内外模板横背楞实际受力均明显小于设计值,满足要求。
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Figure 11. Stress curve of stiffening cross back at internal formwork
图11. 内模板加强横背楞应力曲线图
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Figure 12. Stress curve of stiffening cross back at external formwork
图12. 外模板加强横背楞应力曲线图
3.4. 外模板对拉螺栓受力分析
外模板对拉螺栓应力如图13所示,其中测点1、4位于上侧加强横背楞对拉螺栓,2、3位于下侧加强横背楞对拉螺栓。结果表明,对拉螺栓应力随着时间逐渐增加,在混凝土开始浇筑10 min内增长迅速,然后呈缓慢增长趋势。在测试过程中,各测点应力曲线发生了明显波动,可能是由于在混凝土浇筑过程中,重量增加对拉螺栓发生了轻微的震荡。对拉螺栓最大应力接近300 MPa,出现在测点4,其余测点最大应力在250 MPa左右。因此,混凝土浇筑过程中,对拉螺栓受力较大,最大可达250~300 MPa,这比对拉螺栓所用材料Q235的屈服强度(235 MPa)更大。因此,建议采用较大强度的金属合金对拉螺栓或者增加对拉螺栓的直径。
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Figure 13. Stress curve of tension control bolt
图13. 对拉螺栓应力曲线图
4. 工程应用分析
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Figure 14. Engineering test of working performance of hydraulic formwork trolley
图14. 液压模板台车工作性能的工程试验
为明确液压模板台车在管廊建设中的适用性,开展了液压模板台车工程试验,如图14所示。A图为液压模板台车通过轨道运行至指定位置,B图为内外模板的支护,C图为混凝土浇筑过程,D图为混凝土浇筑完成后脱模后的实际效果图。由图可知,液压模板台车可以完成管廊的建造,建造过程中台车、内外模板、加强横背楞和对拉螺栓工作性能良好。需要特别说明的是,此处外模板的对拉螺栓仍旧采用Q235钢制成,虽然工程试验达到了预期效果,但是为保证外模板的工作性能和施工过程的安全,建议在工程建造过程中将对拉螺栓进行强度升级。
5. 结论
通过开展液压模板台车工程性能测试和工程应用试验,对管廊施工过程中台车关键节点的受力特征进行分析,得出以下结论和建议:
(1) 混凝土浇筑过程中,直径18 mm的对拉螺栓最大应力约300 MPa,超过了Q235钢材的屈服强度,建议采用高强度合金材料或增加对拉螺栓的直径,保障台车在使用过程中的安全性和稳定性;
(2) 内外模板最大应力在20 MPa左右,外模板应力明显小于内模板,内外模板加强横背楞最大应力在40~50 MPa之间,均处于较低应力水平,模板和加强横背楞满足受力要求;
(3) 台车上横梁和底梁最大应力小于30 MPa,竖梁受力不超过50 MPa,在混凝土浇筑过程中和浇筑完成后,台车框架始终处于稳定状态,同时考虑到既有结构受力远小于材料可承受值,必要时可考虑精简台车构造。
基金项目
四川省科技成果转移转化示范项目:城市地下综合管廊施工全自动液压模板台车成套设备的研发及应用(2020ZHCG0028)。