CN112796792A - 一种衬砌台车的支撑监测系统以及支撑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种衬砌台车的支撑监测系统以及支撑方法，所述支撑监测系统包括支撑结构和监测模块，所述监测模块用于检算所述支撑结构的荷载以确定所述支撑结构的结构参数。通过该设置方式，能够基于监测模块计算现有的台车支撑结构的结构参数是否满足要求，如果不满足要求通过监测模块确定结构参数，并基于该结构参数对支撑结构进行调整，从而应对不同工况下应力变化范围过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种衬砌台车的支撑监测系统以及支撑方法。
背景技术
隧道混凝土衬砌台车是隧道二次衬砌施工中必不可少的专用非标设备。隧道混凝土衬砌台车由门架总成、托架总成、模板总成、调节系统、液压系统、行走系统、控制台等部分构成。
例如，公开号为CN111734447A的中国专利文献公开了一种隧道施工用可行走式衬砌台车，包括一门架，数个模板通过支撑总成与门架铰接，所述支撑总成动作，带动模板伸张与收缩，行走机构设置于门架底部，带动衬砌台车前后行进，减震机构设置于行走机构与门架之间，传感器设置于门架近模板开口端内侧，警报器安装于门架顶部侧面，警示灯安装于门架内侧顶部，所述传感器、警报器以及警示灯保持电气连接，通过外接控制器控制，缓冲机构安装于门架近模板开口端外侧面。该专利文献公开的台车能够降低衬砌台车行走过程中车体上下波动，防止工程车与门架碰撞。但是该专利公开的台车仅考虑台车主体上下波动造成的冲击，没有考虑到两侧行走机构不同步时对模板、支架以及紧固件造成的冲击。同时，该专利文献公开的技术方案也没有考虑到对台车在不同工况下的荷载进行监测。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种衬砌台车的支撑监测系统，包括支撑结构和监测模块。所述监测模块用于检算所述支撑结构的荷载以确定所述支撑结构的结构参数。台车的支撑结构复杂，并且彼此之间关联，从台车的整体结构进行建模分析很难得到解析解，而通过数值法进行检算计算量和时间开销又过大，更重要的是台车施工的工况具有非对称性，即浇筑过程的不平衡以及行走过程中两侧行走机构的不同步，使得支撑结构应力动态变化的范围过大。本发明考虑到台车的可拆卸工作方式，在一定范围内能够快速更换器件，因此本发明通过监测模块计算现有的台车支撑结构的结构参数是否满足要求，如果不满足要求通过监测模块确定结构参数，并基于该结构参数对支撑结构进行调整，从而应对不同工况下应力变化范围过大的问题。此外本发明采用选取多个结构参数以迭代的方验证该选取的结构参数是否满足要求，仅需要迭代有限次数就能够找到局部最优解，大幅度减少计算和时间开销。
本发明还提供一种衬砌台车的支撑监测系统，包括用于确定所述支撑结构的结构参数的监测模块。所述支撑结构包括第一支撑结构和第二支撑结构。所述第一支撑结构和第二支撑结构之间设置有调节部。所述调节部包括第一调节件、第二调节件、第三调节件和第四调节件。所述第二调节件、第三调节件和第四调节件按照彼此长度延伸方向相交形成的平面与所述第一调节件共面/异面的方式分别与所述第一支撑结构和第二支撑结构铰接。针对衬砌台车浇筑过程中出现的两侧不对称浇筑以及衬砌台车两侧不同步行走导致衬砌台车断面方向出现偏差和应力，从而导致台车结构不稳定问题，本发明通过调节部以第二调节件、第三调节件和第四调节件共面形成稳定结构以对抗顶模板1和第一支撑体传递的剪切力、拉力和压力，并通过与该共面平行设置的第一调节件对抗偏差带来的弯曲应力，从而在对抗应力的同时纠正偏差，保证整个台车结构的稳定。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为按照如下步骤确定所述支撑结构的结构参数：
基于设计参数计算所述支撑结构的荷载；
确定计算强度和/或刚度所需要的关于所述支撑结构的荷载组合；
对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为按照如下步骤基于设计参数计算所述支撑结构的荷载：
基于先验知识确定所述支撑结构中模板总成和主架总成的自重F1；
基于施工需要的混凝土的厚度计算衬砌混凝土自重F2；
确定施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载F3；
基于振捣混凝土时产生的标准值确定振动荷载F4；
选取砼外加剂修正系数和砼塌落度影响修正系数确定新浇筑混凝土对支撑结构中顶模板的压力F5。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为分别确定第一工况和第二工况需要的荷载种类；
基于第一工况对选取的结构参数进行检算；
基于第二工况对选取的结构参数进行检算。优选地，第一工况为浇筑顶模板混凝土的工况。第二工况为台车行走时的工况。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为按照如下步骤基于第一工况对选取的结构参数进行检算：
建立第一工况下的计算模型；
基于衬砌混凝土自重F2对顶模板的计算模型进行加载；
基于计算得到的混凝土侧压力F5对顶模板的计算模型进行加载；
基于加载后的计算模型和选取的结构参数计算刚度和/或强度是否小于设计参数筛选的结构参数。优选地，加载时按照三角形荷载进行加载，并计算加载荷载。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为按照如下步骤建立第一工况下的计算模型：
顶模板中每个单模板的面板、加强筋和弧形板基于板单元模拟；
所述支撑结构的主架总成基于梁单元模拟；
顶模板的千斤、丝杆及油缸基于桁架单元模拟；
基础千斤和走行轮处采用铰接约束。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为按照如下步骤计算所述支撑结构的强度和/或刚度：
基于选取的结构参数计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I；
基于确定的荷载计算荷载组合的标准值和设计值；
基于标准值、设计值、截面抗弯模量W和截面惯性矩I计算强度和/或刚度。
根据一种优选实施方式，所述监测模块配置为在强度和/或刚度小于设计参数的情况下搜索可选结构参数的区间。
本发明还提供一种衬砌台车的支撑方法，所述支撑方法包括：
基于材料材质确定设计参数；
基于设计参数计算支撑结构的荷载；
确定计算强度和/或刚度所需要的关于支撑结构的荷载组合；
对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。
附图说明
图1是本发明支撑监测系统的一种优选实施方式的模块示意图；
图2是本发明支撑结构的一种优选地计算模型示意图；
图3是本发明支撑结构的一种优选实施方式的平面结构示意图；
图4是本发明支撑结构的一种优选实施方式的轴向断面结构示意图；
图5是图2所示计算模型的混凝土侧压力加载示意图；
图6是图2所示计算模型的混凝土自重加载示意图；
图7是本发明调节部的一种优选实施方式的结构示意图；
图8是本发明支撑方法的一种优选实施方式的步骤流程示意图。
附图标记列表
10：支撑结构 20：监测模块 13：调节部
111：顶模板 113：单模板 121：纵梁
122：横梁 123：第一支撑体 124：第二支撑体
125：第三支撑体 126：第一框架 127：第二框架
131：第一调节件 132：第二调节件 133：第三调节件
134：第四调节件
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种衬砌台车的支撑监测系统，包括支撑结构10和监测模块20。监测模块20用于模拟计算支撑结构10的荷载以确定支撑结构10的结构参数。
优选地，监测模块20可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。优选地，监测模块20安装有用于计算荷载和/或应力的程序。
优选地，支撑结构10包括模板总成和主架总成。模板总成包括顶模板11和侧模板。侧模板分别设置于顶模板111的两侧。优选地，如图2所示，两个侧模板以顶模板111的轴线为中心对称的方式设置于顶模板111的两侧。顶模板111与侧模板连接。优选地，顶模板111与侧模板铰接。顶模板111与侧模板可以采用铰耳和销轴配合的方式实现铰接。
如图2所示，沿台车断面方向，模板总成包括两块侧模板和一块顶模板111。优选地，顶模板111和/或侧模板由多个单模板113构成。参见图3，沿台车移动方向，顶模板111和/或侧模板由多个单模板113拼接构成。优选地，沿台车断面方面，顶模板111由多个单模板113构成。优选地，顶模板111可以是弧形。优选地，顶模板111包括至少一个弧形板。顶模板111和侧模板设置有至少一个加强筋。多个加强筋之间彼此间隔设置。
优选地，顶模板111和侧模板可以采用厚10mm的钢板。顶模板111和侧模板设置有连接法兰。连接法兰可以采用12mm的钢板切割成形。加强筋可以采用断面为凹字形的8型钢。优选地，顶模板111和/或侧模板的中间区段可以采用断面为凹字形的20a型钢。优选地，中间区段的多个加强筋之间的间隔可以与非中间区段的多个加强筋之间的间隔相同。优选地，中间区段的多个加强筋之间的间隔可以与非中间区段的多个加强筋之间的间隔不相同。根据一种优选实施方式，顶模板111和/或侧模板的中间区段的多个加强筋之间的间隔可以是530mm。顶模板111和/或侧模板的非中间区段的多个加强筋之间的间隔可以是300mm。
优选地，顶模板111设置有用于灌注混凝土的浇筑孔，如图3所示。
参见图3，主架总成可以是由型钢与钢板焊接而成的桁架结构。优选地，主架总成包括纵梁121、横梁122、第一支撑体123和第二支撑体124。优选地，纵梁121和横梁122构成框架。两个纵梁121之间具有纵梁接缝。优选地，纵梁121和横梁122可以采用HW250×250热轧H型钢。优选地，纵梁121和横梁122既承载第一支撑体123的竖向荷载，又承受顶模板111的水平荷载。
参见图4，第一支撑体123垂直于框架平面。第二支撑体124与框架平面之间呈倾斜状态。优选地，第二支撑体124可以是斜拉支撑杆。第一支撑体123和第二支撑体124用于支撑模板总成和混凝土荷载。
优选地，纵梁121、横梁122、第一支撑体123第二支撑体124之间通过紧固件可拆卸地连接。可拆卸的方式可以是铰接、螺栓连接、卡扣连接。优选地，紧固件可以是螺栓副。通过该设置方式，衬砌时混凝土荷载通过模板总成传递至主架总成。
优选地，第一支撑体123可以设置于顶模板111的拼接处，如图2、3和4所示。优选地，多个第一支撑体123之间的间距与单模板113的长度相同。多个第一支撑体123沿台车移动方向的间距与单模板113沿台车移动方向的长度相同。多个第一支撑体123沿台车断面方向的间距与单模板113沿台车断面方向的长度相同。优选地，第一支撑体123可以采用工20a型钢。优选地，第一支撑体123按照可拆卸的方式分别与单模板113和横梁122连接。可拆卸的方式可以是螺栓连接、卡扣连接以及铰接。优选地，第一支撑体123通过紧固件分别与单模板113和横梁122连接。优选地，紧固件可以是螺栓副。优选地，第一支撑体123可以采用M20型螺栓分别与单模板113和横梁122连接。
参见图5，主架总成还包括第三支撑体125。第三支撑体125设置于框架面向地面的一侧。优选地，第三支撑体125彼此间隔设置。第三支撑体125与框架可拆卸地连接。第三支撑体125用于承受框架的竖向荷载和台车的升降。第三支撑体可以采用截面型号为HW300×300热轧H型钢。第三支撑体125朝向地面的一端连接有第四支撑体。第四支撑体可以是红木。优选地，第四支撑体可以设置于初支混凝土上。
优选地，支撑结构10还包括行走机构。行走机构包括电动机、减速机、钢轮和组焊件。优选地，行走机构可以安装于主架总成两侧的端部。优选地，可以将在行走机构下方设置行走轨道。行走机构沿行走轨道移动。优选地，行走机构的控制装置可以设置于纵梁121的前端。通过该设置方式，有利于对控制装置的操作。
优选地，台车还设置有升降筒。台车可以采用八点升降。升降筒采用16mm钢板焊接制作。升降筒设置有下支撑螺杆。下支撑螺杆的直径可以是80mm。
优选地，支撑结构10还包括液压系统。优选地，液压系统可以是手动多路阀单阀控制单缸液压系统。液压系统的工作压力为16Mpa。优选地，液压系统的每个主缸设置有液压锁。优选地，主缸设计行程为200mm。
参见图2、3、5、6和7，支撑结构10沿其顶模板111的中轴分为彼此对称的第一支撑结构和第二支撑结构。优选地，第一支撑结构和第二支撑结构之间设置有调节部13。如图7所示，调节部13调节部13包括第一调节件131、第二调节件132、第三调节件133和第四调节件134。优选地，第二调节件132、第三调节件133和第四调节件134按照彼此长度延伸方向相交形成的平面与第一调节件131共面/异面的方式分别与第一支撑结构和第二支撑结构铰接。优选地，第一调节件131的两端分别与第一支撑结构和第二支撑结构连接。第一调节件131的两端分别与第一支撑结构的第一框架126和第二支撑结构的第二框架127连接。优选地，第一调节件131的两端分别与第一框架126和第二框架127铰接。第二调节件132分别与第一支撑结构的第一支撑体123和第二支撑结构的第一支撑体123铰接。第三调节件133的一端与顶模板111铰接，另一端与第一支撑结构的第一支撑体123铰接。第四调节件134的一端与顶模板111铰接，另一端与第二支撑结构的第一支撑体123铰接。优选地，第三调节件133和第四调节件134之间彼此相对形成夹角。优选地，第一调节件131与第二调节件132彼此间隔。第一调节件131与第二调节件133彼此平行。优选地，第一调节件131、第二调节件132、第三调节件133和第四调节件134可以是调节螺杆。通过该设置方式，达到的有益效果是：
针对衬砌台车浇筑过程中出现的两侧不对称浇筑以及衬砌台车两侧不同步行走导致衬砌台车断面方向出现偏差和应力，从而导致台车结构不稳定问题，本发明通过调节部13以第二调节件132、第三调节件133和第四调节件134共面形成稳定结构以对抗顶模板111和第一支撑体123传递的剪切力、拉力和压力，并通过与该共面平行设置的第一调节件131对抗偏差带来的弯曲应力，从而在对抗应力的同时纠正偏差，保证整个台车结构的稳定。
优选地，监测模块20配置为按照如下步骤确定支撑结构10的结构参数：
基于设计参数计算支撑结构10的荷载；
确定计算强度和/或刚度所需要的关于支撑结构10的荷载组合；
对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。通过该设置方式，得到的有益效果是：
台车的支撑结构复杂，并且彼此之间关联，从台车的整体结构进行建模分析很难得到解析解，而通过数值法进行检算计算量和时间开销又过大。本发明采用选取多个结构参数以迭代的方验证该选取的结构参数是否满足要求，仅需要迭代进几次就能够找到局部最优解，大幅度减少计算和时间开销。
优选地，监测模块20配置为基于材料材质确定设计参数。优选地，设计参数包括材料指标和挠度控制值。优选地，材料强度指标至少包括抗拉容许应力、抗压容许应力、抗弯的容许应力、抗剪容许应力。优选地，抗拉容许应力、抗压容许应力和抗弯的容许应力相同。优选地，基于Q235B材质确定抗拉、抗压、抗弯容许应力[σ]＝170MPa。抗剪容许应力[τ]＝100MPa。优选地，材料强度指标还包括抗拉强度设计值和抗剪强度设计值。基于M20普通螺栓确定抗拉强度设计值f＝170MPa。抗剪强度设计值为fv＝125MPa。材料强度指标还包括焊缝允许应力。优选地，在本实施例中和焊缝允许应力按照80Mpa计算。优选地，本实施例中挠度控制值为L/500。L为受弯构件的跨度(对于悬臂梁为悬伸长度的2倍)。
优选地，荷载至少包括台车自重、振动载荷、新浇筑的混凝土对侧模板的压力等。
优选地，监测模块20配置为按照如下步骤基于设计参数计算支撑结构10的荷载：
基于先验知识确定支撑结构10中模板总成和主架总成的自重F1；
基于施工需要的混凝土的厚度计算衬砌混凝土自重F2；
确定施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载F3；
基于振捣混凝土时产生的标准值(G2K)确定振动荷载F4；
选取砼外加剂修正系数和砼塌落度影响修正系数确定新浇筑混凝土对顶模板111的压力F5。
优选地，模板总成和主架总成的自重F1约为21.7t。优选地，衬砌混凝土的厚度按照0.9m计算，得到衬砌混凝土自重F2为26.25kN/m3×0.9＝23.6kN/m2。优选地，顶模板111的振动荷载F4可以按照2.0kN/m2计算。侧模板的振动荷载F4可以按照4.0kN/m2计算。优选地，可以基于公式(1)和公式(2)计算新浇筑混凝土对侧模的压力F5。公式如下：
Pmax＝0.22γt0k1k2v0.5 (1)
Pmax＝γh (2)
优选地，Pmax为新浇混凝土对模板最大侧压力(kPa)。γ为混凝土容重(kN/m3)，可以取值为25kN/m3。t0为砼初凝时间，可以取值为5h。h为有效水头高度(m)。v为混凝土浇筑速度。k1为砼外加剂修正系数，这里取值为1.0。k2为砼塌落度影响修正系数，可以取值为1.15。按公式(1)计算：Pmax＝0.22×25×5×1.0×1.15×10.5＝75.9kPa。按公式(2)计算，Pmax＝25×1.485＝37.1kPa。优选地，按规范规定取最小值，从而新浇筑混凝土对侧模的压力F5为37.1kPa。
优选地，支撑结构10的荷载组合为：
在计算强度时，取F1+F2+F3+F4；
在计算刚度时，取F1+F2。
优选地，监测模块20配置为分别确定第一工况和第二工况需要的荷载种类。优选地，第一工况为浇筑顶模板混凝土的工况。第二工况为台车行走时的工况。第一工况下需要的荷载包括台车自重、混凝土侧压力和浇筑砼自重。第二工况下需要荷载的种类包括台车自重和行走偏差。
优选地，监测模块20配置为：
基于第一工况对选取的结构参数进行检算；
基于第二工况对选取的结构参数进行检算。优选地，在台车行走前将台车自重转移至升降筒和行走轮。优选地，监测模块20配置为针对第二工况中两侧行走机构的同步走行工况和不同步走行工况分别进行检算。通过以上设置方式，本发明的有益效果是：
衬砌台车的使用过程中具有不同的工况，特别是浇筑混凝土的过程中，由于台车左右两端的混凝土浇筑的不平衡或者行走过程中产生的行走偏差，可以通过调节部13的不连续刚性结构对抗不平衡和行走偏差来提高稳定性，但是调节部13引入的应力的方向和大小的变化可能使得模板总成和主架总成所承受的应力超出原有的设计，因此本发明基于不同工况条件的独立计算支撑结构10的刚度和/或强度，增加支撑结构10适应应力变化程度的能力。
优选地，监测模块20配置为按照如下步骤基于第一工况对选取的结构参数进行检算：
建立第一工况下的计算模型；
基于衬砌混凝土自重F2对顶模板111的计算模型进行加载；
基于计算得到的混凝土侧压力F5对顶模板111的计算模型进行加载；
加载时按照三角形荷载进行加载，并计算加载荷载；
基于加载后的计算模型和选取的结构参数计算刚度和/或强度是否小于设计参数筛选的结构参数。建立的计算模型如图2所示。加载混凝土侧压力F5的计算模型如图5所示。加载砌混凝土自重F2的计算模型如图6所示。优选地，顶模板111和主架总成的自重为21.7t。二衬混凝土自重为161.3t。计算模型中台车实际自重为17.2t，实际混凝土荷载为174.6t(将部分模板自重与混凝土自重一并加载)，加载荷载略大于实际值，模型加载满足要求。
优选地，建立第一工况下的计算模型的步骤如下：
单模板113的面板、加强筋和弧形板采用板单元模拟；
主架总成采用梁单元模拟；
顶模板111的千斤、丝杆及油缸采用桁架单元模拟；
基础千斤和走行轮处采用铰接约束。
优选地，计算支撑结构10强度和/或刚度的步骤如下：
基于选取的结构参数计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I；
基于确定的荷载计算荷载组合的标准值和设计值；
基于标准值、设计值、截面抗弯模量W和截面惯性矩I计算强度和/或刚度。优选地，强度和/刚度可以用弯矩、最大应力和最大挠度表征。
优选地，监测模块20配置为在强度和/或刚度小于设计参数的情况下搜索可选结构参数的区间。优选地，可选结构参数可以包括混凝土浇筑厚度、面板厚度、加强筋之间的间距等。通过该设置方式，达到的有益效果是：
该设置方式相当于是通过以某一个可选结构参数作为初始点，从不断增大的方向和不断减小的方向反复迭代直到到达强度和/或刚度大于设计参数终止迭代过程，因此其精度和搜索时间易于控制。
优选地，以顶模板111为例说明本实施例中计算强度和/或刚度的步骤。优选地，首先计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I。选取混凝土浇筑厚度为0.9m。单模板113的面板可以选取10mm厚的钢板，即h＝10mm。加强筋采用槽状的8型钢。间距可以选择为300mm。计算宽度b。b可以取1m。面板的截面抗弯模量W和截面惯性矩I取值如下：
W＝bh2/6＝1000×102/6＝16667mm3；
I＝bh3/12＝1000×103/12＝83333mm4；
弹性模量E＝20600N/mm2。
优选地，确定第一工况下所需要的载荷种类。第一工况下所需要的载荷种类包括混凝土自重F2、顶模板111的自重、施工活载荷以及正振捣荷载。优选地，顶模板111的自重可以通过测量获取。本实施例中顶模板111的自重为1.7kN/m2。施工活载荷为2.5kN/m2。振捣荷载为2.0kN/m2。优选地，荷载组合的标准值和设计值如下：
标准值：q11＝(混凝土自重F2+顶模板111的自重)×1＝25.3KN/m。
设计值：q21＝[1.2×(混凝土自重F2+顶模板111的自重)+(施工活载荷+振捣荷载)]＝36.7KN/m。
优选地，顶模板111按三跨连续梁计算，支撑跨间距取L＝300mm，净间距257mm。基于标准值和设计值可以计算弯矩、最大应力和最大挠度。
弯矩：Mmax＝q21l2/10＝330300N·mm。
最大应力：δmax＝Mmax/w＝19.8Mpa<170Mpa。
最大挠度：
优选地，可以按照以上步骤计算加强筋、弧形板、纵梁121、横梁122、第一支撑体123以及第二支撑体124的结构参数。
优选地，基于不对称浇筑产生的高度差值和水平浇筑长度的差值计算第一工况下调节部13的受力。优选地，调节部13可以使用φ40销轴与板件实现铰接。第一调节件131/第二调节件132/第三调节件133/第四调节件134的丝扣为φ60×6mm，其结构如图7所示。优选地，监测模块20基于可选的结构参数计算调节部13的强度和/或刚度，并搜索使得调节部13的强度和/或刚度小于设计参数的可选结构参数的范围。优选地，调节部13的强度和/或刚度可以通过螺纹抗弯强度、螺纹抗剪强度、丝杠抗拉强度中的一种或几种来表征。调节部13的可选结构参数至少包括第一调节件131/第二调节件132/第三调节件133/第四调节件134的截面面积、长细比、丝杆头的规格等。
优选地，在第二工况中两侧行走机构的同步走行的情况下，监测模块20配置为搜索满足行走机构的轴向应力、弯曲应力和/或组合应力小于设计参数的最大可选结构参数和最小可选结构参数最小值。
优选地，在第二工况中两侧行走机构的非同步走行的情况下，监测模块20配置为：
评估走行偏差并确定走行偏差的阈值；
在走行偏差小于走形偏差阈值的情况下，以支撑结构10的刚度和/或强度小于设计参数为约束条件，搜索满足该约束条件的结构参数。优选地，走行偏差阈值可以是5mm。
通过该设置方式，达到的有益效果是：
本发明通过对台车不同步走行进行试算，在各条走行导轨之间相对纵向的走行偏差不能超过一定阈值，如果超过走行偏差阈值那么针对目前的可选结构参数均不满足支撑结构10的刚度和/或强度小于设计参数。因此，在走行不同的工况下，支撑结构10的结构参数的确定是一种局部最优问题，尽管局部最优确定的结构参数不一定是最好的，但是其获取的结构参数是可以接受的，进而能够提高计算效率和减少时间开销。
实施例2
本实施例提供一种衬砌台车的支撑方法，该方法可以由本发明的支撑监测系统和/或其他可替代的零部件实现。比如，通过使用本发明的系统中的各个零部件实现该方法。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
参见图8，本实施例的支撑方法包括如下步骤。
S100：基于材料材质确定设计参数。优选地，设计参数包括材料指标和挠度控制值。优选地，材料强度指标至少包括抗拉容许应力、抗压容许应力、抗弯的容许应力、抗剪容许应力。优选地，抗拉容许应力、抗压容许应力和抗弯的容许应力相同。优选地，基于Q235B材质确定抗拉、抗压、抗弯容许应力[σ]＝170MPa。抗剪容许应力[τ]＝100MPa。优选地，材料强度指标还包括抗拉强度设计值和抗剪强度设计值。基于M20普通螺栓确定抗拉强度设计值f＝170MPa。抗剪强度设计值为fv＝125MPa。材料强度指标还包括焊缝允许应力。优选地，在本实施例中和焊缝允许应力按照80Mpa计算。优选地，本实施例中挠度控制值为L/500。L为受弯构件的跨度(对于悬臂梁为悬伸长度的2倍)。
优选地，荷载至少包括台车自重、振动载荷、新浇筑的混凝土对侧模板的压力等。
S200：基于设计参数计算支撑结构10的荷载，包括：
S201：基于先验知识确定支撑结构10中模板总成和主架总成的自重F1；
S202：基于施工需要的混凝土的厚度计算衬砌混凝土自重F2；
S203：确定施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载F3；
S204：基于振捣混凝土时产生的标准值(G2K)确定振动荷载F4；
S205：选取砼外加剂修正系数和砼塌落度影响修正系数确定新浇筑混凝土对顶模板111的压力F5。
优选地，模板总成和主架总成的自重F1约为21.7t。优选地，衬砌混凝土的厚度按照0.9m计算，得到衬砌混凝土自重F2为26.25kN/m3×0.9＝23.6kN/m2。优选地，顶模板111的振动荷载F4可以按照2.0kN/m2计算。侧模板的振动荷载F4可以按照4.0kN/m2计算。优选地，可以基于公式(1)和公式(2)计算新浇筑混凝土对侧模的压力F5。公式如下：
Pmax＝0.22γt0k1k2v0.5 (1)
Pmax＝γh (2)
优选地，Pmax为新浇混凝土对模板最大侧压力(kPa)。γ为混凝土容重(kN/m3)，可以取值为25kN/m3。t0为砼初凝时间，可以取值为5h。h为有效水头高度(m)。v为混凝土浇筑速度。k1为砼外加剂修正系数，这里取值为1.0。k2为砼塌落度影响修正系数，这里取值为1.15。按公式(1)计算：Pmax＝0.22×25×5×1.0×1.15×10.5＝75.9kPa。按公式(2)计算，Pmax＝25×1.485＝37.1kPa。优选地，按规范规定取最小值，从而新浇筑混凝土对侧模的压力F5为37.1kPa。
S300：确定计算强度和/或刚度所需要的关于支撑结构10的荷载组合。优选地，支撑结构10的荷载组合为：
在计算强度时，取F1+F2+F3+F4；
在计算刚度时，取F1+F2。
优选地，分别确定第一工况和第二工况需要的荷载种类。优选地，第一工况为浇筑顶模板混凝土的工况。第二工况为台车行走时的工况。第一工况下需要的荷载包括台车自重、混凝土侧压力和浇筑砼自重。第二工况下需要荷载的种类包括台车自重和行走偏差。
优选地，基于第一工况对选取的结构参数进行检算。基于第二工况对选取的结构参数进行检算。优选地，在台车行走前将台车自重转移至升降筒和行走轮。优选地，监测模块20配置为针对第二工况中两侧行走机构的同步走行工况和不同步走行工况分别进行检算。通过以上设置方式，本发明的有益效果是：
衬砌台车的使用过程中具有不同的工况，特别是浇筑混凝土的过程中，由于台车左右两端的混凝土浇筑的不平衡或者行走过程中产生的行走偏差，可以通过调节部13的不连续刚性结构对抗不平衡和行走偏差来提高稳定性，但是调节部13引入的应力的方向和大小的变化可能使得模板总成和主架总成所承受的应力超出原有的设计，因此本发明基于不同的工况条件独立计算支撑结构10的刚度和/或强度，增加支撑结构10适应应力变化程度的能力。
S400：对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。
优选地，基于第一工况对选取的结构参数进行检算的步骤如下：
建立第一工况下的计算模型；
基于衬砌混凝土自重F2对顶模板111的计算模型进行加载；
基于计算得到的混凝土侧压力F5对顶模板111的计算模型进行加载；
加载时按照三角形荷载进行加载，并计算加载荷载；
基于加载后的计算模型和选取的结构参数计算刚度和/或强度是否小于设计参数筛选选取的结构参数。建立的计算模型如图2所示。加载混凝土侧压力F5的计算模型如图5所示。加载砌混凝土自重F2的计算模型如图6所示。优选地，顶模板111和主架总成的自重为21.7t。二衬混凝土自重为161.3t。计算模型中台车实际自重为17.2t，实际混凝土荷载为174.6t(将部分模板自重与混凝土自重一并加载)，加载荷载略大于实际值，模型加载满足要求。
优选地，建立第一工况下的计算模型的步骤如下：
单模板113的面板、加强筋和弧形板采用板单元模拟；
主架总成采用梁单元模拟；
顶模板111的千斤、丝杆及油缸采用桁架单元模拟；
基础千斤和走行轮处采用铰接约束。
优选地，计算支撑结构10强度和/或刚度的步骤如下：
基于选取的结构参数计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I；
基于确定的荷载计算荷载组合的标准值和设计值；
基于标准值、设计值、截面抗弯模量W和截面惯性矩I计算强度和/或刚度。优选地，强度和/或刚度可以用弯矩、最大应力和最大挠度表征。
优选地，在强度和/或刚度小于设计参数的情况下搜索可选结构参数的区间。优选地，可选结构参数可以包括混凝土浇筑厚度、面板厚度、加强筋之间的间距等。通过该设置方式，达到的有益效果是：
该设置方式相当于是通过以某一个可选结构参数作为初始点，从不断增大的方向和不断减小的方向反复迭代直到到达强度和/或刚度大于设计参数终止迭代过程，因此其精度和搜索时间易于控制。
优选地，以顶模板111为例说明本实施例中计算强度和/或刚度的步骤。优选地，首先计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I。选取混凝土浇筑厚度为0.9m。单模板113的面板可以选取10mm厚的钢板，即h＝10mm。加强筋采用槽状的8型钢。间距可以选择为300mm。计算宽度b。b可以取1m。面板的截面抗弯模量W和截面惯性矩I取值如下：
W＝bh2/6＝1000×102/6＝16667mm3；
I＝bh3/12＝1000×103/12＝83333mm4；
弹性模量E＝20600N/mm2。
优选地，确定第一工况下所需要的载荷种类。第一工况下所需要的载荷种类包括混凝土自重F2、顶模板111的自重、施工活载荷以及正振捣荷载。优选地，顶模板111的自重可以通过测量获取。本实施例中顶模板111的自重为1.7kN/m2。施工活载荷为2.5kN/m2。振捣荷载为2.0kN/m2。优选地，荷载组合的标准值和设计值如下：
标准值：q11＝(混凝土自重F2+顶模板111的自重)×1＝25.3KN/m。
设计值：q21＝[1.2×(混凝土自重F2+顶模板111的自重)+(施工活载荷+振捣荷载)]＝36.7KN/m。
优选地，顶模板111按三跨连续梁计算，支撑跨间距取L＝300mm，净间距257mm。基于标准值和设计值可以计算弯矩、最大应力和最大挠度。
弯矩：Mmax＝q21l2/10＝330300N·mm。
最大应力：δmax＝Mmax/w＝19.8Mpa<170Mpa。
最大挠度：
优选地，可以按照以上步骤计算加强筋、弧形板、纵梁121、横梁122、第一支撑体123以及第二支撑体124的结构参数。
优选地，基于不对称浇筑产生的高度差值和水平浇筑长度的差值计算第一工况下调节部13的受力。优选地，调节部13可以使用φ40销轴与板件实现铰接。第一调节件131/第二调节件132/第三调节件133/第四调节件134的丝扣为φ60×6mm，其结构如图7所示。优选地，基于可选的结构参数计算调节部13的强度和/或刚度，并搜索使得调节部13的强度和/或刚度小于设计参数的可选结构参数的范围。优选地，调节部13的强度和/或刚度可以通过螺纹抗弯强度、螺纹抗剪强度、丝杠抗拉强度中的一种或几种来表征。调节部13的可选结构参数至少包括第一调节件131/第二调节件132/第三调节件133/第四调节件134的截面面积、长细比、丝杆头的规格等。
优选地，在第二工况中两侧行走机构的同步走行的情况下，监测模块20配置为搜索满足行走机构的轴向应力、弯曲应力和/或组合应力小于设计参数的最大可选结构参数和最小可选结构参数最小值。
优选地，在第二工况中两侧行走机构的非同步走行的情况下，评估走行偏差并确定走行偏差的阈值。在走行偏差小于走形偏差阈值的情况下，以支撑结构10的刚度和/或强度小于设计参数为约束条件，搜索满足该约束条件的结构参数。优选地，走行偏差阈值可以是5mm。
通过该设置方式，达到的有益效果是：
本发明通过对台车不同步走行进行试算，在各条走行导轨之间相对纵向的走行偏差不能超过一定阈值，如果超过走行偏差阈值那么针对目前的可选结构参数均不满足支撑结构10的刚度和/或强度小于设计参数。因此，在走行不同的工况下，支撑结构10的结构参数的确定是一种局部最优问题，尽管局部最优确定的结构参数不一定是最好的，但是其获取的结构参数是可以接受的，进而能够提高计算效率和减少时间开销。
本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种衬砌台车的支撑监测系统，其特征在于，包括支撑结构(10)和监测模块(20)，其中，
所述监测模块(20)用于检算所述支撑结构(10)的荷载以确定所述支撑结构(10)的结构参数。
2.一种衬砌台车的支撑监测系统，其特征在于，包括用于确定所述支撑结构(10)的结构参数的监测模块(20)，其中，
所述支撑结构(10)包括第一支撑结构和第二支撑结构，所述第一支撑结构和第二支撑结构之间设置有调节部(13)，所述调节部(13)包括第一调节件(131)、第二调节件(132)、第三调节件(133)和第四调节件(134)，其中，
所述第二调节件(132)、第三调节件(133)和第四调节件(134)按照彼此长度延伸方向相交形成的平面与所述第一调节件(131)共面/异面的方式分别与所述第一支撑结构和第二支撑结构铰接。
3.根据权利要求1或2任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为按照如下步骤确定所述支撑结构(10)的结构参数：
基于设计参数计算所述支撑结构(10)的荷载；
确定计算强度和/或刚度所需要的关于所述支撑结构(10)的荷载组合；
对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。
4.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为按照如下步骤基于设计参数计算所述支撑结构(10)的荷载：
基于先验知识确定所述支撑结构(10)中模板总成和主架总成的自重F1；
基于施工需要的混凝土的厚度计算衬砌混凝土自重F2；
确定施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载F3；
基于振捣混凝土时产生的标准值确定振动荷载F4；
选取砼外加剂修正系数和砼塌落度影响修正系数确定新浇筑混凝土对支撑结构(10)中顶模板(111)的压力F5。
5.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为分别确定第一工况和第二工况需要的荷载种类，其中，
第一工况为浇筑顶模板混凝土的工况，第二工况为台车行走时的工况；
基于第一工况对选取的结构参数进行检算；
基于第二工况对选取的结构参数进行检算。
6.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为按照如下步骤基于第一工况对选取的结构参数进行检算：
建立第一工况的计算模型；
基于衬砌混凝土自重F2对顶模板(111)的计算模型进行加载；
基于计算得到的混凝土侧压力F5对顶模板(111)的计算模型进行加载，其中，
加载时按照三角形荷载进行加载，并计算加载荷载；
基于加载后的计算模型和选取的结构参数计算刚度和/或强度是否小于设计参数筛选的结构参数。
7.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为按照如下步骤建立第一工况下的计算模型：
顶模板(111)中每个单模板(113)的面板、加强筋和弧形板基于板单元模拟；
所述支撑结构(10)的主架总成基于梁单元模拟；
顶模板(111)的千斤、丝杆及油缸基于桁架单元模拟；
基础千斤和走行轮处采用铰接约束。
8.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为按照如下步骤计算所述支撑结构(10)的强度和/或刚度：
基于选取的结构参数计算面板截面抗弯模量W和截面惯性矩I；
基于确定的荷载计算荷载组合的标准值和设计值；
基于标准值、设计值、截面抗弯模量W和截面惯性矩I计算强度和/或刚度。
9.根据前述权利要求任一所述的支撑监测系统，其特征在于，所述监测模块(20)配置为在强度和/或刚度小于设计参数的情况下搜索可选结构参数的区间。
10.一种衬砌台车的支撑方法，其特征在于，所述支撑方法包括：
基于材料材质确定设计参数；
基于设计参数计算支撑结构(10)的荷载；
确定计算强度和/或刚度所需要的关于支撑结构(10)的荷载组合；
对选取的结构参数进行检算以确定强度和/或刚度是否满足设计参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Shen Qingmeng Inventor after: Fu Chunqing Inventor after: Huang Xuemei Inventor after: Zhao Dongmei Inventor after: Deng Caixia Inventor after: Xing Ying Inventor after: Wang Qing Inventor after: Song Heyu Inventor after: Feng Xiaoyan Inventor before: Shen Qingmeng Inventor before: Fu Chunqing Inventor before: Huang Xuemei Inventor before: Deng Caixia Inventor before: Xing Ying Inventor before: Wang Qing Inventor before: Song Heyu Inventor before: Feng Xiaoyan |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |