地铁预应力长轨枕钢模的设计论文（范文大全）

第一篇：地铁预应力长轨枕钢模的设计论文

摘要:通过对国内常用的地铁预应力混凝土长轨枕钢模型的结构分析，结合郑州地铁2号线的技术要求和公司多年来生产普通预应力轨枕和高速岔枕的成功经验，研制成功并应用了新的钢模结构、气囊式横孔成孔器、橡胶复合铁挡板等工艺配件，解决了地铁长枕尺寸精度差、横孔周围和端部蜂窝麻面严重的现象，使地铁长枕尺寸精度和外观上都了一个档次，顺利通过了铁总质检中心的型式试验和业主的进场验收。

关键词:地铁长枕;钢模;工装;研制

1研究背景

地铁预应力长轨枕(以下简称地铁长枕)，作为地铁线路常用的基础部件，随着地铁建设里程的快速延长，需求量也日益增多，但目前在流水机组法地铁长枕的生产过程中，普遍存在套管位置精度超标、坡度不合格、外观质量差，特别是横孔周围和端部因为密封不严漏浆造成的外观质量差，有时甚至发生被施工单位退货的情况，影响地铁线路的正常施工。我公司有幸中标了郑州地铁2号线的地铁长枕、短轨枕和岔枕的供应。由于地铁和大铁的业主不同，所以对产品要求的理解也不尽相同，地铁相对于大铁对于产品的外形尺寸的要求基本相同，但外观要求更为严格一点。我公司在大铁普通预应力混凝土轨枕和高速岔枕钢模型的基础上，集各种钢模型的优点，研制出了一种新型地铁长枕钢模型，其主要创新在于:

①使用机加工的端平板和定位螺栓，保证其塑料套管的位置和承轨面坡度;

②利用橡胶复合铁挡板中橡胶的特性对轨枕端部进行密封;

;③利用充气后横孔成孔器的膨胀对钢模侧孔实现密封，放气后成孔器收缩又可顺利取出。

通过以上措施的实施，生产出的地铁长枕，外观基本没有气孔，非常漂亮。得到了同行和业主、监理的高度评价。研制出的一种橡胶成孔器已经申请了国家专利(专利号ZL201621326772.5)。

2地铁长枕的钢模研制

2．1地铁长枕简介

地铁长枕分2.1米和2.2米两种型号，由四根高强度螺旋肋钢筋、数道箍筋、4个塑料套管和C60混凝土组成。塑料套管根据扣件系统要求设置在轨枕中心线两侧，相对尺寸公差小于±1mm，两承轨面向内设1∶40的坡度，表面缺陷(气孔、粘皮、麻面等)的长度≤10、深度≤5，要求十分严格。

2．2国内生产工艺现状及存在的问题

目前国内生产地铁长枕的生产基本上全部采用流水机组法生产工艺，钢模为2×5的结构形式，为成本考虑，采用6mm的Q235钢板拼焊而成，塑料套管直接安装在上面，铁挡板与钢模壳体之间采用大间隙配合，横孔成孔器采用钢管加工而成，与钢模侧孔采用小间隙配合。这种结构的钢模生产出来的产品存在承轨部位平面度超标，套管位置不准确，外观蜂窝麻面多等诸多问题。

2．3钢模及工艺配件的方案设计

经过分析，承轨部位套管位置、坡度平面度超差的根本原因，在于钢模相应位置的刚度不足在焊接过程中变形所致，端部和横孔周围蜂窝麻面的主要原因在于钢模和工艺配件之间的缝隙过大，混凝土在振动过程漏浆严重造成的。为此，我们分别制定了如下技术方案并进行了深入讨论。

2．4方案研究和确定

2．4.1模壳设计

模壳提出了如下两种方案:①沿用国内通用的结构形式，采用6mm钢板拼焊而成，只是在承轨部位使用20mm厚的经过机械加工的钢板。②基于成本和质量的双重考虑，采用五段折弯模壳焊接成型，承轨部位结构同方案①。方案①的优点在于工艺成熟、成本较低，承轨部位尺寸保证率高，但缺点在于焊接和打磨工人技术参差不齐，难免出现模壳纵向拼焊处坑凹不平，产品在放松应力过程中造成掉角掉块，影响外观。方案②大大减少了纵向的焊缝长度，可有效避免方案①出现的问题，但难点在于模壳折弯时的精度控制。不过经过试验，技术熟练的工人使用数控弯折机可以轻松实现标准要求。为产品外观考虑，选择方案②。

2．4.2套管定位方式的设计

套管定位方式有三种方案:①涨套定位，即套管套在圆锥弹簧卡上，利用弹簧卡向外的涨力实现套管的定位。②橡胶螺栓定位，在灌注混凝土之前把套管旋转固定在钢模壳体的橡胶螺栓上面。③螺栓定位，也是在灌注混凝土之前，两人配合，将螺栓穿过钢模底板的定位套，一人固定螺栓，一人旋转固定套管，将套管固定在钢模上面。以上三种方案安装在20mm厚的钢板上都能保证套管的定位精度，但由于是流水机组法生产工艺，在放松应力时，轨枕会相对于钢模壳体沿纵向移动，所以方案①是行不通的。方案②的缺点在于脱模时需要通过产品自身重量和橡胶螺栓脱离，如果脱模困难，翻模机多次起降容易造成产品掉角掉块。方案③的缺点是施工过程复杂，需要两人配合。经过试验，单根橡胶螺栓要脱离套管，需要40kg的力量，所以使用方案②在脱模环节还有可能存在脱模困难的问题，故最终选择方案③。

2．4.3铁挡板的设计

通常，轨枕长模设计时在两节轨枕之间预留40－60mm的间隙，为避免混凝土在浇筑振动过程中漏浆，生产过程中使用铁挡板四周与模壳端部内侧进行密封。铁挡板则为中部钻有通过预应力钢丝孔的4mm钢板，地铁长枕在脱模后要使用钎子和锤子使铁挡板与轨枕脱离，清理完毕后，同预应力钢丝一起放入钢模，再次利用。经过多次反复，铁挡板势必发生变形，与钢模壳体之间产生缝隙，导致混凝土浆体在振动过程中外流，端部出现蜂窝麻面。经过反复讨论，决定在轨枕与轨枕之间采用全截断框加铁挡板复合橡胶的方案进行这个问题的解决，原理是用铁挡板靠近边部的部分紧贴轨枕模壳端部形成密封，密封面积大大增大，另外在铁挡板与模壳接触的一面复合上4mm厚的橡胶，利用橡胶的弹性和两铁挡板之间橡胶挡板向外的涨力，将铁挡板紧紧的顶在模壳端部，使铁挡板与模壳之间没有一点间隙。

2．4.4成孔器的设计

地铁长枕钢模在产品图纸相应位置，或钻或割加工有分别穿过钢模主梁、模壳等6块钢板的圆孔，生产地铁长枕的厂家全部都是在混凝土浇筑前使用钢管穿入钢模的圆孔中，这6个圆孔为了和钢管配合好，保证在混凝土振动过程中不漏浆或少漏浆，都要把配合间隙做的很小，这样就导致混凝土振动完毕后，钢管拔出困难或者拔不出来，再次穿入时也很困难的情况。随着生产的延续，就不得不把圆孔孔径扩大，导致漏浆，横孔周围出现大量的蜂窝麻面，外观十分难看。我们发明的充气气囊式橡胶棒，和自行车轮胎一样，但也具有一定强度，在插入横孔后，将气充到一定压力，橡胶棒把钢模上的孔密封起来，等到混凝土振动完毕，将气放掉，很容易就能把它从钢模内抽出来。即降低了劳动强度，由提高了产品质量和生产效率。

3地铁长枕钢模的主要技术特点

(1)使用经过机械加工的端平板和定位螺栓的套塑料套管定位方式，保证了承轨部位的平面度和塑料套管的定位精度;

(2)铁挡板复合了橡胶，解决了轨枕因端部漏浆产生的蜂窝麻面;

(3)发明的充气式橡胶棒，创新性的解决了地铁长枕生产过程中成孔器安装移出困难，周边漏浆严重的问题。

4生产工艺和注意事项

使用本钢模及工艺配件生产地铁长枕的生产过程和使用通用地铁长枕钢模的生产工艺基本相同，但应注意以下几点:①安装铁挡板前，需要检查铁挡板是否变形严重，复合的橡胶是否与铁挡板脱离，并在有橡胶的一面涂上脱模剂备用;②铁挡板安装时，把复合有橡胶的一面朝向模壳;③橡胶棒在班后要充气存放，使用前要检查其是否漏气。如果出现漏气，则不得使用。

5结论

通过新型地铁长枕钢模的成果研制，实现了塑料套管的精确定位，铁挡板与模壳端部及橡胶棒与横孔的良好密封，完全避免了因为混凝土漏浆原因产生的蜂窝麻面。使用新型钢模后，不仅产品质量得到了有效控制，生产效率明显提高，工人劳动强度明显降低，每套钢模的生产节奏从8分钟缩短到了5分钟。生产出的产品得到了业主、监理和施工单位的一致好评，使地铁长枕的产品质量迈上了一个新的台阶。经过相关单位的广为宣扬，许多兄弟厂家到我公司进行参观学习，此技术现已被广泛使用。

参考文献

［1］中铁二院工程集团有限责任公司．02100－S－GD－04－01郑州市轨道交通2号线整体道床轨枕［S］．

［2］中华人民共和国铁道部．TB/T2190－2013混凝土轨枕［S］．

［3］周光辉，李建设，常盼阳．一种充气型地铁枕模型:中国，ZL201621326772.5［P］．

作者：杨阳 单位：汝州郑铁三佳水泥制品有限公司

第二篇：模电设计论文

一、.设计方案：

音频功率放大器要求：

输入信号为50mv，50~15KHz的音频信号，负载为8Ω扬声器的情况下，输出Pom≥5W。

本方案分两级设计，第一级采用集成运算放大器构成的比例放大器做为激励，主要完成对小信号的放大。要求放大倍数大，输出阻抗低，频带宽度宽，噪音低。第二级采用双电源的OCL电路做为功放输出级，功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能小、输出功率大。

二、.各部分电路分析：

1、电源部分

由于设计要求Pom为(VCCUCES)

2om5W，根据P2RL（其中RL

为8Ω，UCES一般取3V以上），所以有：

即VCC12V

本方案选用了±15V的VCC电压。

2．功放部分：

由两部分构成，前级采用集成运算放大器构成的比例放大电路，对输入的信号进行电压放大，输出级采用OCL互补输出结构的功率放大电路，对经过前级放大的信号进行功率放大。

晶体管Q1～Q4组成复合式晶体管互补对称电路。Q1、Q2为相同类型的NPN管，组成复合式的NPN管；Q3、Q4为不同类型的晶体管，组成复合式的PNP管，用于多级放大。

1.对于集成运放电压放大倍数的选取：

放大倍数决定于R9、R10和R11的选取。由公式 VCCUCES2PomRL

A1(R11R10)R9

决定。

mV，其放输入为有效值为50mV的信号，其峰-峰值为2250mV1

41大后的峰-峰值不能超过正负电压差值，即： V，2250mVAu30

所以，放大倍数不得大于213。

Urms输出功率要不小于5W，因为W，所以 8RL

2UOPPRLW2217.9V 决定了运放的输出电压需不小于17.9V

2250mV127

接入电位器R11以便于对放大倍数进行适当的微调，电路中放大倍数的调节68K68K200K范围为（1，1），即69≤Au≤269。1K1K

选取集成运放时，GBW需不小于Auf12715k2MHz

本方案选用NE5534，其GBW为10MHz，足以满足要求。

2.OCL两功率管的选取：

功率放大管的选择决定于管子的极间反向击穿电压，集电极最大电流与集电极最大功耗。

1)极间反向击穿电压UCBO=2VCC=30V。

2)集电极最大电流ICmaxIEmax(VCCUCES)，考虑留有一定余地，RL

VCCI一般取CmaxL，即所选功放管ICmax应大于1.5A。

3)集电极最大耗散功率PCM

因此选择的功放管应满足：

1.UCBO>30V；

2.ICM>1.5A；

3.PCM>1W； 2Pom20.2Pom1W

本方案选用TIP41C，它的UCBO=100V，ICM=6A，PCM=65W。足已满足要求。采用复合管可以保证一定的放大倍数更重要的是可以使用两个相同的功放管，以使两管参数更为一致。

3.用于消除交越失真的偏置电路：

R1、R15、R5和二极管D1、D2组成的支路是两对符合管的偏置电路，用于消除交越失真，设置静态工作点，使两个晶体管均工作在临界导通状态或微导通状态。UAB＝URp3＋UD1＋UD2，各大于Q1、Q3发射结开启电压之和，有微小电

流通过，静态调节R5，使

UR6IE1R6IBR60.7V（1）

Q2也临界导通。由于IE1IE2，R6R12，所以Q4也临界导通。Q1、Q3Q4提供激励电流，为Q2、这个电流不需要太大，Q1、Q3只需一般的8050和8850就可以了。但这对管的值一定要接近。本人选到一对都等于234的管。本方案试取R6、R12=220Ω。根据（1）式可得IB1IB20.136mA。因为流过二极管D1、D2的电流远大于IB1、IB2，可认为大一个数量级，即ID1ID210IB11.36mA。由此可确定R1R15R52VCCUD1UD2。ID

1UD2取决于二极管的材质，其中UD1、硅管为0.7V，锗管为0.2V。这里要与8050

和8550的材质一样，才能做静态偏置电压。而8050和8550都是硅管，所以二极管选用硅管N4148。这样可计算出R1R15R521K。其中R5用于调整复合管的微导通状态，调节范围不需太大，几百欧或1KΩ的电位器，由此可确定R1R1510K。焊接电路应使R5＝0，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。

Rp1控制音量调节取47KΩ，以保证功放的输入阻抗大于前级的输出阻抗；因为Ui＝0时要求Uo≈0，所以Rp1须接地。

R2、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十至几百欧。本方案取100Ω。R8、R13为负反馈电阻，可改善功放的性能，并能观测功放管的静态电流，但不宜太大。一般为几欧。本方案取0.5Ω。因为末级电流较大，所以此电阻应用大功率水泥电阻。

电容C1起隔直作用，只有很小时，在交流通路中才可视为短路，所以取值：C1＝10μF。

实验证明，VCC大电压输入会对输入小信号造成很严重的干扰，所以应在VCC输入端各接一个100μF电解电容和一个0.1μF瓷片电容，用于电源的去耦。

三．个人心得

刚开始做一个电路板，首先要接触的就是protel这个软件。因为需要这个软件来进行电路原理图的设计以及pcb图的绘制。当我们拿到这次课程设计的要求后，我就马上着手准备设计所需要的电路，由于自己之前没有接触过protel这个软件，所以在开始那段时间很是纠结，后来在请教了一些学长以及上网找到了一

些视频教程之后有所进展，根据设计要求把原理图画出来了。这只是一小步，当我开始要封装，还有布线的时候，才发现原来这个才是最有难度的。在参考了很多学长的资料后，我自己一点进展都没有。不管怎样布线，最后还是会交叉重叠，出现错误。眼看时间有点紧了，所以就决定舍弃自己布线的念头。于是我就把学长们的PCB图进行修改。这个修改主要有两方面：一是由于我们班买的散热器比学长们设计的大，所以在PCB图上放散热器的空间是不够的，所以要对PCB图进行一些移动调整。二是原始的PCB图的线是布出来了，但是在某些连接以及转角位置有点瑕疵，我也对它们进行了一些修改。就这样，PCB图这一步就弄好了。

接下来就是将PCB图打印出来，这时候又遇到了一个问题：就是我在打印预览的时候看到的过孔都是灰色的，以及过孔的孔没有显示出来。于是自己就上网去找了一些资料了解了一下，但是网上的资料有点不全，没能把这个问题解决。后来我就在打印预览页面每个功能选项都看了一遍。后来发现问题出在打印页面的属性设置，要把属性“显示孔”“黑色&白色”选上，还有把“multilayer”图层移到第一位。这样的设置就没问题了。

当PCB图打印出来之后，印版腐蚀焊接方面就没什么问题了，最后一次测试通过。

第三篇：复合材料制件钢模设计制造方法研究

复合材料制件钢模设计制造方法研究

作者：龚强、吴茜

作者简介：中航工业洪都公司

摘要：目前国外的航空领域，特别是四代机均采用复合材料作为飞机的主要结构材料以及整体化设计技术。先进复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等优点，在同等结构情况下比金属结构节省重量可高达40%，大大提高了燃油效率，改善了飞机整体性能。伴随复合材料制件的应用，复合材料模具的设计制造也体现的非常重要，而公务机零部件尺寸较小，采用钢结构金属模具具有造价低，加工周期短，寿命长等优点，本文就公司试验机新制模具设计制造技术相关方法进行分析和研究，对工程实践具有一定意义。

关键词：复合材料模具；设计制造；脱模；结构。引言

在航空工业中，随着复合材料的广泛应用和复合材料制件技术的发展，相应的模具设计制造也显得相当重要，就选材来言，复合材料模具需考虑的因素有：传热性，热膨胀系数、费用、制造周期等，就公司目前新制零件所需模具，考虑到周期、费用等原因最后选用钢制金属模具，钢制金属模具费用低，加工周期短、使用寿命长，虽然其热膨胀系数与碳纤维复合材料稍有差异，但这次大部分零件尺寸较小，个别大尺寸零件其外形由于在装配时需留装配余量，使用钢制模也可以满足精度要求。模具设计考虑的因素

1.1 结构简单

1.1.1 钢的密度较大，可达到7.85g/cm，用金属钢做复合材料制件模具在质量方面都会比较

3重，导致运输不便，操作困难，所以模具其支撑结构必须考虑合理的框架结构，支撑结构一般采用钢结构的型材，用中间均匀掏空的方式来固定型面结构，这样会有较好的热传导性，也会大大减重，节约成本，如图1。

图1 支撑框架结构

1.1.2 在采用以上支撑框架结构的情况下还需注意： 1）接缝要满焊焊死；

2）做好框架后要消除应力；

3）为了防锈剂美观支撑结构需喷铝色耐高温漆。

1.2 脱模性

1.2.1脱模性是在设计模具中考虑的关键因素之一，如果设计不合理制造出零件无法正常脱模，不仅会影响工作生产进度，也会造成模具返修，对成本进度等带来影响。脱模性设计不合理有两种情况：

1）设计缺陷，本身有负角的地方设计为整体模，导致负角把零件卡死，无法脱模，如在这次试验机制件中，发动机短舱下壁板唇口位置，通过数模投影是一个负角（见图2），但是模具设计成整体模，最后导致无法脱模，最终只能破坏零件，影响了生产进度也造成了浪费时间。合理的设计为在负角处沿轴线切开成组合模（见图3）。

图2 负角影响脱模

图3 合理设计

2）设计不合理，有些模具虽然没有负角，但是由于制件较大且型面复杂也会导致不好脱模，如试验机制件中的主起落架舱左右模具（见图4）都存在这样的问题，该零件虽然最后脱模，但是脱模难度大，花费时间久。合理设计是在模具底部开1-2个压缩空气口，用橡皮销子插

上，密封好，脱模的时候打开把压缩空气嘴插进去吹起制件。

图4模具

1.2.2 对于复杂零件，合理的组合模，会大大降低脱模的难度，如试验机制件中进气口盖（如图5），该零件型面复杂，必须采用多组合模的方式才能对其进行很好的脱模，该模具设计为三块组合模形式，先将橙色模块从端口拔出，然后零件和红色模块整体从上脱出，然后把红色模块拔出，具体组合形式详见图6,7。这次就是通过与外协方很好的沟通，协助设计，定出最佳的设计方案才保证了制件的脱模。

1.2.3 组合模在日常模具设计中比较常见且应用广泛，但是由于复合材料模具对气密有着严格的要求，所以在设计组合模考虑脱模性的同时还必须保证气密性，设计过程中往往采用整体底座的形式来保证组合模的气密性，如进气口盖模具的蓝色整体底座，在该底座上制袋，就可以保证良好的气密。

图5进气口盖

图6进气口盖模具

图7进气口盖模具组合形式

1.3 合模

合模在模具设计中也是很重要的，合理的合模可以方便工装的管理，也可以降低模具制造的成本，多个小零件模具合模还可以提高整体的模具刚度。如试验机制件的行李舱后上壁板左下角材、行李舱后上壁板右下角材及行李舱前壁板下支撑角材，三个零件合模（如图8），大大的降低了模具制造的成本，也便于模具的管理。图8

图8合模图

1.4 人性化

1.4.1 作为模具设计，制造出可以加工满足要求的制件是不够的，还需考虑工人师傅的可操作性以及安全性。

1.4.2 在较小的模具四周或两侧设计手柄，方便工人师傅移动模具，而且手柄要先平角后有一段上翘的角度，这样要把模具放置在空心的架车上项通过手柄末端放置的话，不容易让工人的手受伤，如图9。

图9 1.4.3 在框架模具配备叉车孔位（插孔要用矩形管，以不影响框架整体结构）以及20kg以上非框架结构的模具配吊环，方便质量较大模具的移动。

1.4.4 有一些组合模块，模块较重，工人师傅在拆模块的时候不方便抬举，很容易失手砸脚造成安全事故，如试验机发动机舱上罩壁板唇口处组合模（见图10）外形光滑，质量较大，极其容易在分离主模的时候不慎砸脚。合理的设计为在唇口组合模型面上攻丝，拆分时拧一手柄，制件时把手柄拆除。图10

图10 组合模块

1.4.5 由于一些组合模是通过很多标准件及插销等连接的，这些标准件及插销在工人操作过

程中易丢失，配备一工具小盒放置，可以避免丢失现象。

1.5 可检测性

在模具设计中，模具长期使用难免会有变形，为了便于检测模具变形，在模具三个角落刻出相对于零件的坐标系，以便于模具型面的检测。如图11。

图11 1.6 机加性

在金属模具设计过程中，要考虑设计的模具的机加性，根据现有的设备，是否可以加工出所设计的模具，即使可以加工出来，也要考虑机加的成本及周期，如果机加难度大、成本高，周期长，可以考虑采用组合模的方式，使加工简便，也可以考虑把阴模改成阳模等。模具制造考虑的因素

2.1 机加精度

为了保证零件的精度，首先要保证模具精度，而金属模具的精度是依靠数控设备保证的，必须采用满足精度的数控设备才可以加工出合格的模具，试验机模具要求机加精度为0.1mm。

2.2 原材料选择

2.2.1 钢制模具可采用铸件铣切加工，铸件需先设计木模，制造木模铸出铸件，然后用数控设备进行机加，这样铸件体积大，铸造周期长，且内部质量不佳，砂眼等会使模具表面质量粗糙，更有可能会发生漏气现象，不建议采用。2.2.2 钢制模具也可以用板材焊接后加工，板材焊接即将板材弯曲成模具大致的型面满焊焊接起来，然后用数控设备进行机加，板材制造的模具周期短、体积小，热分布好，表面质量好，且费用低。小的制件不需焊接直接整体板材机加即可满足，大型模具需几块板材

满焊后进行机加，焊接的板材模具需进行严格的气密试验来保证模具整体的气密性，建议采用。试验机模具都是选用该形式的金属模具。

2.3 气密检测

对于铸件机加模具和板材焊接机加模具需进行严格的气密试验，气密试验的方法是铺一层玻璃钢预浸料，制袋抽真空进固化炉加热固化，固化后玻璃钢制件上有发黄的区域该区域可能存在气密问题。

结束语

本文通过试验机制件过程中总结出模具设计制造需要考虑的六大因素1）结构简单，2）脱模性，3）合模，4）人性化，5）可检测性，6）机加性，分别用图片、文字，实例说明了各项因素的重要性及改进合理的方法，制造需要考虑的三大要素1）机床精度，2）原材料选择，3）气密检测。本文内容是生产过程中不断总结积累出来的，希望对以后的生产实践有所帮助。

参考文献

第四篇：预应力钢柑网组合结构屋盖的设计与施工

预应力钢柑网组合结构屋盖的设计与施工

南京体院体育馆平面呈椭圆形,长短轴尺寸为86m×62m,馆内大厅净高15m,总建筑面积8780m2,屋面面积约4547m2(图6-6-1)。屋盖采用预应力钢析网组合结构体系,主桁架2/3外露屋面,体现了现代结构技术与建筑艺术有机结合的风格。

第1章

屋盖结构体系选型

根据建筑环境特点,为配合建筑造型的需要,经多因素综合分析比较,选用“桁-网架“组合结构体系屋盖方案,将屋盖平面沿长轴方向用2榀桁架分成约三等分,并用宽6m,高6.6m,跨度64.68m的空间三角形钢管桁架,铰支于8根直径1.4m的独立钢筋混凝土圆柱顶(图6-6-2)。由于铰支大跨桁架跨中杆件内力较大,为改善桁架杆件受力分布不合理性和增强桁架刚度,结合建筑造型,在结构方案上将桁架每端外伸6.5m,并在桁架两端每角点各斜拉1道预应力筋束,即桁架体外施加预应力(图6-6-3)。根据不同施工荷载阶段分阶段外张预应力,以抵抗桁架各荷载状态下产生的部分挠度,改善桁架受力性能,充分利用各杆件钢管钢材的强度。在桁架下弦节点之间和外围柱顶间,搁置2.3m高正放四角锥平板片式网架,平板片式网架最大跨度24m。由于桁架的设置,大大减小了屋盖网架的有效跨度,为大面积应用螺栓球节点平板网架提供了方便。采用预应力“桁-网架”组合结构体系,在结构上发挥了主次结构受力特点;桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,满足了规划要求,协调了建筑环境,并可减小建筑体积,节省能耗,为声学处理带来方便。

第2章

屋盖体系构造

预应力“桁-网架”组合结构屋盖设计,关键在预应力空间三角形钢管桁架;桁架的关键是体外预应力能否在桁架各杆件中有效建立;而预应力有效建立的关键又是桁架支座的性能。设计中指架支座采用双面弧形压力支座,其作法是在支座板和柱顶间设l块上下均为弧形的铸钢块,在铸钢块两侧,支座板与柱顶板上分别焊2块梯形钢板,用螺栓将三者连系在一起,这样桁架支座节点即可绕螺栓沿铸钢块上下弧面作一定的转动和移动(图6-6-4)。

桁架设计的另一关键是桁架的节点,计算结果表明,桁架杆件最大拉力约2500kN,最大压力约1600kN,最大管材截面为Ф450×25,按传统空心球节点做法,空心球直径达l.2m以上,而目前国内空心球模具只能加工800mm球。另据统计,节点所用钢材一般占总耗钢量的20%~35%。取消空心球节点,采用钢管直接焊接节点,即相贯连接节点,是本次桁架设计的一大突破。对于钢管相贯节点的设计计算,现行《钢结构设计规范》(GBJ17一88)只有平面相贯节点的强度计算,对于空间节点尚无完备资料。进行空间相贯节点的试验,无论在技术上、经费上、时间上都有一定难度。为保证桁架相贯节点设计安全可靠,将空间受力分解为平面受力,参照平面相贯节点的强度计算,并适当增加相贯节点强度设计的安全储备,对受力较大的重要节点的主管采取了加强措施(图6-6-5)。

原设计考虑将平板网架悬挂在桁架下弦,后从美国肯萨斯州体育馆屋面倒塌事例中了解到拉力支座采用高强螺栓抗疲劳性能差,为此,本次设计将平板网架拉力支座改为压力支座。由于网架一端搁置于桁架下弦节点上,另一端搁置在外围钢筋混凝土圆柱上,受荷后将架跨中各点挠度不一,平板网架必然产生次生内力,使设计、计算分析复杂化,故采用平板片式网架,铰支桁架下弦节点在圆柱上,解决了平板网架由于支座变位产生次生内力的问题。为了使平板片式网架支座接近铰接,网架支座采用板式橡胶支座。

体外预应力筋采用无粘结Фj15钢绞线,每束7根。考虑到斜拉索在长期荷载作用下的松弛影响,斜拉索张拉控制应力σcon=0.35,ƒptk=550N/mm2;考虑到斜拉索的更换,桁架端部每角点斜拉索双束设置。固定端采用QMl5P挤压套,张拉端为QMl5-7群锚。保护套采用薄壁无缝钢管,425普通硅酸盐水泥掺U型膨胀剂灌浆。

第3章

屋盖结构计算

由于桁架按不同施工荷载分阶段外张预应力,故桁架荷载工况较多。为简化分析,先求单位力作用下的杆件内力,然后分阶段组合,选择最不利杆件内力,配置钢管截面。并分别作出端部加单位力的内力图和下弦节点加单位力的内力图。各种荷载工况下内力组合见表6-6-1。

每种荷载工况下,杆件内力Ni=P1N1i+P2N2i。

桁架2/3高度外露屋面,1/3高度在室内,由于室内外温差对大跨度桁架存在温度应力问题。为此对桁架钢管采取保温措施,上弦杆采用80mm厚聚氨酶材料保温,下弦杆及腹杆采用50mm厚聚氨醋保温。采用保温措施后,考虑到室内工作条件及室内外温度变化,桁架温度应力计算参数为:夏季最大温差△t=10℃,冬季最大温差△t

=20℃。经计算分析,夏季σ上弦=－14N/mm2,σ下弦=8N/mm2,冬季σ上弦=28N/mm2,σ下弦

=－16N/mm2。

第4章

预应力斜拉索施工

该工程每榀主桁架重88t,利用8根独立的支承柱作为基点,每根独立柱内埋4根角钢组成劲性柱来顶升就位。

第1节

斜拉索安装基础外露部分

斜拉索安装基础外露部分斜拉索预应力筋安装前,必须把预应力筋的保护套管固定在相应的位置。在钢管脚手上弹出相应的位置线,然后把保护套管上端加焊于桁架下弦杆,其余部位和脚手架临时固定(扣件、点焊、绑扎),保留下部一节大一号的套管约2.3m,向上套接。然后把预应力筋放盘逐根用人力导入套管中由下向上穿筋,直至预应力筋伸直为止,下部一节套管复位,上部安上锚具,穿筋即告结束。本工程采用的保护套管为Ф102、厚4.5mm的薄壁钢管,下部一节套管为Ф114,厚4.5mm。

第2节

分阶段张拉预应力

该工程采用分次递增地施加预应力,以抵抗或平衡逐次施工阶段的荷载挠度,预应力分3次完成;第1次在主桁架安装后,每道张拉值为400kN;第2次在网架和屋面板安装后,每道张拉至760kN;第3次在马道、吊顶、灯具、风管等安装后,每道张拉至1020kN。由于分次张拉间隔时间较长,除初次应注意观察预应力筋有无松弛外,对外露预应力筋的张拉工作长度和锚具应作防锈蚀保护措施(加套管涂油脂等),以免由于锈蚀而影响下一次张拉与锚固。

每榀主桁架四角配套预应力张拉设备同时同步张拉,先拉内束,后拉外束,必要时进行一次补张。

第3节

套管灌浆

最后一次张拉完成后由下而上灌浆,下设阀门,上设铁盒保护套和泌水孔。压力灌浆到位后关闭阀门,卸下灌浆机头并在上部泌水孔不断注浆直到无沉陷凝固为止,最后进行钢套管防锈处理。

第5章

结语

采用预应力钢“桁-网架”组合结构屋盖,在国内尚属首例,它将建筑艺术与结构技术相结合,推动了我国大跨度结构体系的发展。

采用劲性柱顶升法施工工艺安装桁架和螺栓球拼接片式网架,可方便施工,节省人力物力,且工艺简单,工期短,质量好。

桁架经足尺载荷试验和夏季、冬季考验,证明体外施加预应力方法成功,相贯连接节点安全,桁架受力合理均匀,并节省了钢材,达到预期效果。

第五篇：水电工程设计论文：某水电站工程压力钢管及钢岔管设计

水电工程设计论文：

某水电站工程压力钢管及钢岔管设计

【摘 要】根据某水电站工程的工程规模和特点、结合主要的设计计算研究压力钢管和钢岔管的布置设计,使其结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。

【关键词】某水电站;压力钢管;设计

1.工程概况从调压井后直接压力管道。压力管道内径4.6m,主管全长804.473m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成,上下转弯段转弯半径为15m,考虑施工方便,斜井段坡度1:0.8391。上平洞段长10.0m,断面中心点高程1812.700m;上弯段长度为13.09m,断面中心点高程1812.700m~1807.342m;斜井段长度为277.304m,断面中心点高程

1807.342m~1594.915m;下弯段长度为13.015m,断面中心点高程1594.915m~1589.557m;下平洞段长度为451.312m,断面中心点高程1589.557m~1587.300m;明管段长度为39.752m,断面中心点高程1587.300m(水轮机安装高程)。压力钢管外采用C20素混凝土衬砌,抗冻标号F200,抗渗标号W6,衬砌厚度0.6m。

岔管及支管为明钢管,外包C25钢筋砼。1#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角70°,主锥、支锥各由三节锥管过渡;2#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角72°,主锥、支锥各由三节锥管过渡。岔管的设计内水压力3.25 N/mm2(包括水击压力)。与1#岔管相连接的主管内半径2.3 m,1#岔管公切球内半径2.7 m,与1#岔管相连接的支管内径分别为1.7m和1.1m。与2#岔管相连接的主管内半径1.7 m,2#岔管公切球内半径2.0 m;与2#岔管相连接的支管内半径1.1 m,支管间距15m。

3.材质选择

压力管道主管段管径4.6m,支管管径1.1m,岔管最大直径5.4m,最大内水压325m。由于钢管的HD 值较大,从结构应力分布、抗外压稳定、制作卷板能力、焊接工艺和经济性等综合比较决定,钢材采用高强钢。埋管采用段采用16MnR钢,由于岔管受力极其复杂,岔管肋板为三向受力结构,还需采用耐层状撕裂钢,通过对钢材生产质量、性能、价格和使用运行情况的分析比较, 1#钢岔管和2#钢岔管最终采用满足设计要求的80Kg级压力容器钢;其特点是:(1)强度高,能适应和满足岔管的不良应力分布,减少管壁厚度和钢材用量;(2)经调质和退火处理后,化学成份合金含量适中,焊接热裂纹敏感性能较好,且碳含量及碳当量低,改善了岔管的焊接条件和性能,预热温度和残余应力的消除要求较低;(3)肋板钢材含硫量小于0.8% ,Z向抗层状撕裂性能良好,断面收缩率大于25%。

4.结构计算

4.1 计算荷载。

(1)外水压力:考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑折减系数0.7。压力管道起始点的外水压力为0.28MPa,末点的外水压力为0.11MPa,整个压力管道段的外水压力为0.11MPa～1.73MPa。

(2)考虑3台机瞬间丢弃负荷沿程最大水锤压力+相应内水压,通过过渡过程分析,岔管段设计内水压力(包括水击压力)为3.25MPa。整个压力管道段的内水压力为0.55MPa~3.25MPa。

(3)施工期灌浆压力:回填灌浆压力采用0.2~0.3MPa;接触灌浆压力采用0.1MPa。

4.2 荷载组合。

(1)运行期(荷载组合):内水压力(含水击压力)+弹抗。

(2)检修期(荷载组合):外水压力。

(3)施工期(荷载组合):灌浆压力。

4.3 压力管道的工程地质条件。

洞室埋深40~120m,围岩主要处在新鲜～弱风化岩体内,属Ⅲ类围岩,建议K0

=3000N/cm3。桩号0+730~0+769m过沟段,成洞条件差,须采取强支护措施。1620m高程以下压力管段有滴水渗水现象,须采取防腐措施。

4.4 计算成果。

4.4.1 埋管段。本工程中压力管道段的进出口段不满足最小覆盖围岩要求,按明管设计,中间部分按埋管设计。通过各种工况的计算,压力管道的出口的壁厚由内压控制,按锅炉公式计算;压力钢管的中间部分的壁厚由外压控制。

压力钢管抗外压稳定分析首先是要确定外水压力的大小。外水压力至今还缺少理论计算公式,只能根据地形地质条件、工程类比等综合确定。外水来源有2种,一是地表水下渗产生外水压力;二是隧洞内水外渗形成外水压力。外水压力与地下水位线无明显联系,而与隧洞内水外渗直接相关,跟随隧洞充水和放空时内水升降稍有滞后的上升和消落。考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑外水折减系数0.7。

钢管抗外压设计有3种:光面管、锚筋式钢管和加劲环式钢管。采用光面管抗外压对高水头电站不太经济;锚筋式钢管便于洞内混凝土回填,但锚筋与钢管焊点多,影响钢管质量;考虑到本工程水头较高,故采用加劲环式钢管抗外压。管壁抗外压稳定分析采用米塞斯公式计算。计算结果表明,管壁厚度对抗外压的影响远不如加劲环间距、高度和厚度的影响大,且加劲环自身的抗外压值一般要低于管壁抗外压值。管壁厚度主要由内水压力控制,加劲环参数由外水压力决定,为了充分发挥两者的作用,宜在管壁满足抗内压的条件下加密、加高、加厚加劲环。加劲环间距一般为管壁厚度的60～240倍,加劲环太密的缺点一是制作、焊接工作量大,二是混凝土不易浇筑密实,影响浇筑质量;加劲环高度受开挖洞径制约,增加高度势必增大开挖洞径;加劲环厚度与管壁厚度相差不宜过大,以利于施焊。

经综合比较,斜井段及下平洞段从上至下采用16MnR钢,厚度为22 mm~28mm。加劲环间距分别为2000mm、1000mm、700mm、1000mmm、2000mm,高度200mm,采用与管壁相同的钢材。

4.4.2 岔管段及支管段。岔管是由锥管、柱管、肋板(梁)焊接而成,是一种板壳组合结构,其在内水压力作用下应力分布和变形很不均匀。在运行工况下,管内壁承受3.25 MPa内水压力;各管节厚度及梁厚度均扣除2mm的锈蚀磨损裕度。对本工程岔管的计算优化过程和结果表明,管壳上发生应力集中的部位在管壳母线的转折处,在一定的平面布置条件下,岔管管壳应力集中的程度取决于管壳母线间的转折角大小,在符合规范及设计要求的前提下调整角度,可极大地改善管壳应力集中的程度,从而使管壳应力分布趋于均匀。

岔管的体型庞大,结构复杂,1#岔管主锥体最大直径2.7 m,2#岔管主锥体最大直径2.0 m。钢岔管和支管按明管计算,设计情况下膜应力区允许应力取0.5σs,局部应力区允许应力取0.8σ。计算结果见表1:

综上所述,本工程压力钢管根据不同管段所受内、外压力不同,确定压力钢管壁厚设计是合理的。根据工程的特点,结合主要的设计计算布置钢岔管,结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。压力钢管的环间管壳及加劲环有足够的安全储备.能够满足工程需要,安全可靠。另外,要求施工时尽量保证钢管的焊接质量以及加劲环与混凝土的浇筑质量.以提高压力钢管的承压能力。