压力钢管洞内运输台车方案设计研究

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摘要：文章以巴基斯坦N-J某工程为背景，介绍了一种压力钢管洞内运输台车的方案设计。首先介绍了钢管台车的三大组成系统，之后详细介绍了该钢管台车的主要特点。最后对钢管台车的关键受力部件进行有限元计算，结果表明钢管台车结构满足施工强度要求。该台车方便操作使用，洞内运输时需要的空间小，可极大提高施工效率，缩短工程工期，节约项目成本，对类似工程有着借鉴意义。

关键词：钢管台车；压力钢管；方案设计；有限元

1工程简介

作为巴基斯坦目前在建和已建的最大水电工程，巴基斯坦尼拉姆—吉拉姆（Neelum-Jhelum）水电站工程（简称“N-J工程”）位于巴基斯坦东北阿扎达査谟和克什米尔州（AzadJammu＆Kashmir）首府穆扎法拉巴德（Muzaffarabad）地区，距离州府22km，距离首都伊斯兰堡市（Islamabad）125km，海拔在600～1100m之间，工程建设中采用了很多先进的施工方法和先进的调度规划。根据设计要求该水电站装机4台，总容量为963MW，工作水头为420m，工程总动态投资近30亿美元，N-J工程采用长隧洞引水式的水电建筑方案，该水电站在尼拉姆河上建立拦水坝和取水口，经过轴线长达28.6km的引水隧洞将河水引入地下电站厂房，利用其间河水的天然落差发电，尾水经尾水洞汇入吉拉姆河。N-J水电站过河段压力钢管每个单元管节由δ30mm钢板焊接成圆筒状，单节长度12000mm，单个管节重量约为80t。压力钢管外径Φ6660mm，在压力钢管外圈间隔1500mm焊接圆环状加劲环，算入加劲环外径达到Φ7260mm。根据长隧洞引水式水电站洞内结构的特点，压力钢管洞内运输通常采用的方法为平板拖车拖运，但这种拖运方式需要提供较大的施工空间，这使得隧洞前期准备和开挖工程量较大，成本较高。同时，平板拖车并没有调整功能，压力钢管在运输、安装过程中难免需要其他工程设备的配合，操作难度大、成本高，安装部位隧洞开挖截面也需要扩大，增加开挖和混凝土浇筑成本。针对N－J工程实际情况，研究设计出了一种压力钢管洞内运输台车方案，该方案旨在给出一种具备调整功能的运输台车，方便操作使用的同时提高施工效率，节约工程成本。压力钢管运输台车方案如图1所示。图1压力钢管运输断面图

2钢管台车方案设计

2.1钢管台车结构设计

巴基斯坦N-J水电站过河段压力钢管台车卸车方案如图2所示。巴基斯坦N-J水电站过河段压力钢管顶升卸车台车方案有三部分组成。压力钢管卸车系统、钢管运输顶升系统和控制系统组成，三个系统的协调配合来精确实现压力钢管的位置安装。（1）压力钢管卸车系统由卸车门架、提升系统、液压系统组成。提升系统负责压力钢管卸车时的升降，门架负责支撑压力钢管重量，液压系统负责提供卸车系统的动力提供。（2）钢管运输顶升系统负责压力钢管由卸车部位运输到安装部位的运输行走工作，同时负责在安装过程中的钢管上下左右前后六个姿态的调整工作和带动压力钢管绕钢管轴线转动。（3）控制系统分为两部分，分别控制压力钢管的卸车系统的动作和钢管运输系统的动作。压力钢管的卸车系统的控制部分为固定式，设置在液压站旁。钢管运输系统的控制系统设置在小车上，随着小车移动。

2.2运输台车主要结构特点

（1）台车总承载载荷大，每节压力钢管（包括环筋）总重达80T。（2）N-J运输台车采用轨道自行式移动装置，共设有4个驱动箱梁，不需要外力牵引，液压马达都安放在每个驱动箱梁上，实现自带驱动，达到高效施工的作用。（3）运输台车前后共设有两组顶升装置，每组顶升装置由两侧的双级液压油缸进行顶升；4个双级液压油缸既可同步动作，也可单独动作，对待安装的压力钢管进行调整。在双级液压油缸协同动作下，压力钢管有较大的调整范围，垂直方向可移动1360mm，左右方向可摆动±110mm，至压力钢管轴线与设计轴线重合，达到安装精度和结构的要求。（4）运输小车的4个驱动箱梁上都设计有压力钢管支撑架，在运输过程中压力钢管的重量由支撑架承受，运输过程中液压油缸不承载。（5）运输小车的前后驱动箱梁可分别驱动。压力钢管就位后，后箱梁处于支撑状态，前箱梁可以单独退车，为压力钢管加固提供空间，避免工序的干涉。（6）为便于压力钢管开孔对位，钢管台车设计两个压力钢管转动油缸，当钢管转动油缸伸缩时，通过钢管上的钢丝绳可以，单次转动距离600mm，可以通过调整钢丝绳，可以在任意一方向上转动n次。利用另外一个转动油缸动作时，则反向转动钢管。

3钢管台车受力有限元计算

在使用钢管台车运载压力钢管的过程中，固定支架承受全部的钢管重量，同时压力钢管也将受到四个支点反力，因此有必要同时对固定支架和压力钢管自身进行应力分析。压力钢管在顶升过程中，钢管托架也将承受压力钢管的全部重量，因此也必须进行校核。当台车结构能够同时满足结构强度要求时，才可以用于施工过程中。分析可知，钢管台车在卸车、运输和顶升工况下都是4点受力，压力钢管自重为80t，考虑动载系数，则每点受力为25t。在大型有限元软件ANSYS中建点连线赋截面分别建立三个部分模型，自身重力通过ANSYS自带模块设置，再设置材料弹性模量为2.06×105，泊松比为0.3。施加相应的外部载荷和约束，进行后处理，分别求解完成后得到钢管托架以及钢管支架应力应变如图3所示。分析结果表明，钢管台车在整个运输施工中钢管托架和钢管支架的变形小于1mm。因此两个结构在相应作用力下都小于规定的变形要求，钢管台车结构满足施工刚度要求。钢管台车托架和支架应力小于100MPa，因此钢管台车结构满足施工强度要求。钢管台车在使用过程中，钢管中心在轨道中间，重心高度不高，且钢管台车车轮支座力均竖直向上，不会发生倾翻。

4结束语

文章以巴基斯N－J工程为工程背景，介绍了一种带有自身调整功能的压力钢管洞内运输专用台车，以及相应安装方案。该台车方便操作使用，结构强度能够达到施工要求，洞内运输时需要的空间小，可极大提高施工效率，缩短工程工期，节约项目成本，对类似工程有着借鉴意义。

参考文献：

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作者：孙海涛 单位：葛洲坝集团项目管理有限公司施工科学研究所