MIDAS台车计算书及建模过程
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实例十隧道衬砌台车案例1设计依据及规范1.1隧道二衬设计施工图纸。
1.2《钢结构设计规范》。
1.3《新编机械设计手册》。
1.4《路桥施工计算手册》。
1.5《MIDAS结构设计软件》。
2台车主体结构描述台车设计为整体螺栓拼装结构，主构件为焊接结构，厂内制作，现场组装。
在台车两端分别设置起升油缸和横移油缸，两侧设置侧模伸缩油缸。
台车行走由电机控制，设计行走速度12m/min；横向伸缩，单侧200mm，侧向油缸拆立模，侧向丝杠支撑，垂直向伸缩，上下起升量200 mm，主缸拆立模，顶丝杠支撑。
（1）台车外形：高6.46m，宽9.5m，长6m，整车重量约64T。
（2）台车净空：最高3.43m ，最宽4.8m ，可通过挖掘机、装载机、高度低于3m的施工机械。
（3）门架形式：6米长台车共4榀3跨，跨距1.8米。
每榀由主柱、横梁栓接组成，跨间采用系梁、斜撑将台车栓接成整体。
主柱、横梁采用钢板焊接而成。
（4）模板结构设计：全车纵向6米长由3块模板组成，每块模板宽2米。
台车断面由二块顶模板、二块侧模板组成，二块顶模板间栓接连接，顶模板与侧模版间销轴连接。
（5）行走系统：2台4kw电机、减速器，行走小车。
（6）液压系统：4套升降主油缸，2套横移油缸，4套侧模伸缩油缸，公称压力20Mpa （7）横向、垂直方向伸缩丝杆的选择设计：伸缩丝杠采用梯形螺纹，丝杠两端为螺杆，中间加无缝钢管。
（8）砼捣固窗、灌注孔的设计：捣固窗为450mm×400mm，梅花状布置。
灌注孔直径125mm，共设置2处。
台车结构图如图1、图2所示。
图1 隧道衬砌台车断面图图2 隧道衬砌台车侧立面图3结构验算3.1基本参数设置（参考《路桥施工计算手册》）台车加工钢材材质为Q235B，[δ]＝175MPa，[τ]=106，E＝206GPa。
二衬钢筋混凝土比重＝26KN/m3。
混凝土浇筑速度应小于2m/h，两侧混凝土浇筑面高差应小于0.5m。
3.2载荷计算及工况分析隧道二次衬砌过程中，台车主要承受荷载有混凝土压力荷载、混凝土倾倒及振捣荷载。
其中混凝土压力荷载为静荷载，混凝土倾倒及振捣荷载为动荷载。
荷载组合计算时，静荷载取分项系数1.2，动荷载取分项系数1.4。
3.2.1顶模板混凝土压力台车顶部受压模板截面长度约为8.234m，混凝土厚度为0.5m，台车长度为6m，单位面积顶部混凝土荷载q1＝0.5×26＝13KN/m2；倾倒砼时的荷载q2=2 KN/m2；振捣砼时的荷载q3=2 KN/m2；台车顶部压力荷载组合：Q1= q1×1.2 +q2×1.4+ q3×1.4=21.2 KN/m2。
3.2.2混凝土侧压力混凝土侧压力：Pm＝krh；不加缓凝剂k＝1；混凝土容重r＝26kN/m3；混凝土浇筑速度V＝2m/h，混凝土入模时温度约为T＝25℃；因为：V/T＝2.0/25＝0.08≥0.035 ；故：h＝1.53+3.8V/T＝1.834m；则：q1＝krh＝1×26.5KN/m3×1.834＝48.6kN/m2；倾倒砼时的荷载q2=2 KN/m2；振捣砼时的荷载q3=2 KN/m2；台车侧面压力荷载组合：Q2＝q1×1.2 +q2×1.4+ q3×1.4＝63.52KN/ m2。
3.2.3工况分析隧道二次衬砌分两步施工，两种工况。
工况1：施工隧道二次衬砌施工两侧混凝土，台车主要荷载为混凝土侧压力荷载、混凝土倾倒荷载及振荷载、台车自重。
荷载模型图如图1所示：图3台车荷载模型图（工况1）工况2：施工隧道二次衬砌施工顶部混凝土，台车主要荷载为混凝土侧压力荷载、顶部混凝土压力荷载、混凝土倾倒荷载及振荷载、台车自重。
荷载模型图如图2所示：图4台车荷载模型图（工况2）3.3建立模型采用Midas对结构进行建模计算分析，在台车结构实体模型中，共建立节点306个，梁单元586个，板单元138个。
边界条件：由于轨道两侧锚杆及撑地丝杆锚杆约束，台车底部设置横向、竖向位移约束，共16个约束点。
模型建立主要包含以下内容：（1）定义材料和截面；（2）建立关键节点坐标；（3）建立台车支架梁单元；（4）建立台车模板面板单元；（5）定义边界条件；（6）定义荷载及荷载组合；（7）运行计算；（8）查看结果。
具体建模步骤如下：（1）定义材料和截面单击鼠标右键，点击“材料和截面特性”一栏，点击“材料”，弹出材料和截面对话框，点击“添加”，弹出“材料数据”对话框，选择“设计类型为“钢材”，数据库“Q235”。
选择确定即可。
图5定义材料和截面点击“截面”，依次定义如图6所示12种截面。
图6点击“厚度”，定义台车钢模板面板，设置为10mm厚钢板。
图7（2）建立关键节点坐标整理台车CAD图纸，对关键节点进行编号，建立台车底部中心点为坐标原点，将节点坐标输入excel表格，如图8、图9所示：图8 图9将excel表格中坐标数据复制到Midas civil节点表格中，如图10所示，生成节点如图11所示：图10 图11（3）建立台车支架梁单元将已建立的节点相连，生成梁单元，在定义梁单元过程中，注意不同截面类型的切换。
点击鼠标右键，点击“单元”，选择“建立单元，对话框如图12所示。
图12点击“消隐”，生成模型图如图13所示：图13将已生成单元镜像，点击“单元”对话框，选择“镜像单元”，“形式”选择“复制”，“镜像平面”选择“y-z”平面，“交叉分隔”勾选“节点”、“单元”，勾选“复制节点属性”、“复制单元属性”、镜像“Beta”角，生成模型如图14所示。
图14将已生成单元复制，点击“单元”对话框，选择“移动\复制单元”，“形式”选择“复制”，等间距复制，“dx，d，ydz”输入“0,2000,0”，“复制次数”输入“3”，“交叉分隔”勾选“节点”、“单元”，勾选“复制节点属性”、“复制单元属性”，生成模型如图15所示。
图15连接相应节点，建立台车纵向梁单元，生成模型如图16所示。
图16（4）建立台车模板面板单元“扩展类型”选择“线选中生成的弧形连接板，点击“单元”对话框，选择“扩展单元”，单元-面单元”，“原目标”都不勾选，“单元类型”选择“板单元”，“材料”、“厚度”均为默认，“生成形式”选择“复制和移动”，选择等间距复制，“dx，d，ydz”输入“0,2000,0”，“复制次数”输入“3”，生成模型如图17所示。
图17（5）定义边界条件对台车施工工况进行分析，边界节点为底纵梁底托及对地丝杆，选择对应单元，点击“激活”，图标，约束节点竖向及隧道横向平动。
在边界条件对话框中选择“一般支撑”，选择“添加”，将“Dx、Dz”勾选，生成模型如图18所示。
图18（6）定义荷载及荷载组合；在工具栏中点击“荷载”，在“静力荷载工况”对话框中对荷载进行定义，输入荷载名称“自重”，工况中选择“永久荷载工况”，类型选择“恒荷载”，点击添加。
然后依次定义“侧面荷载”、“混凝土顶部压力荷载”。
如图19所示。
通过树形菜单对荷载进行定义，“荷载工况名称”选择“自重”，荷载类型选择“自重”，“自重系数”中“Z”栏输入“-1”，点击“适用”，完成自重荷载定义，如图19所示。
“荷载工况名称”选择“混凝土顶部压力荷载”，“荷载类型”选择“压力荷载”，“选项”选择“添加”，“荷载”选择“均布”，在“P1”栏中输入顶部压力荷载值。
“荷载工况名称”选择“侧面荷载”，“荷载类型”选择“流体压力”，“选项”选择“添加”，“荷载类型”选择“线性”，分别输入“参考高度”、“均布压力荷载（流体压力梯形荷载最小值）”、“流体容重（梯形荷载斜边斜率）”数值。
侧面荷载分两种工况：工况1为无顶面荷载，侧面流体压力荷载最下值为“0”，荷载输入模型如图20所示；工况2有顶面荷载，侧面流体压力荷载最小值为“顶部压力荷载值”，荷载输入模型如图21所示。
图19图20图21定义荷载组合：在工具栏“结果”选项中点击“荷载组合”，弹出“荷载组合对话框，点击“钢结构设计”。
工况1荷载组合：名称定义为“工况1”，“激活”选择“承载能力”，“类型”选择“相加”。
右侧“荷载工况和系数”对话框中分别选择“自重”、“侧面荷载（工况1）”、“侧面荷载（工况3）”；工况2荷载组合：名称定义为“工况2”，“激活”选择“承载能力”，“类型”选择“相加”。
右侧“荷载工况和系数”对话框中分别选择“自重”、“侧面荷载（工况2”、“侧面荷载（工况3）”、“顶部混凝土压力荷载；对话框参数输入如图22所示。
图22（7）运行计算；在工具栏中点击“运行（F5）”，程序自动进行计算，如图23所示。
图23（8）查看结果。
在树形菜单中选择要查看的内容，可分别查看“反力”、“位移”、“内力”、“应力”，在“荷载工况/荷载组合”中选在要查看的工况。
建立模型整体效果如图24所示。
图243.4分析结果（1）台车钢面板受力分析结果图25台车钢面板组合应力（工况1）图26台车钢面板组合应力（工况2）图27台车钢面板变形（工况1）图28台车钢面板变形（工况2）台车钢面板最大组合应力10.4MPa，最大变形5.1mm，满足要求。
（2）台车模板骨架受力分析结果图29台车模板骨架组合应力（工况1）图30台车模板骨架组合应力（工况2）图31台车模板骨架变形（工况1）图32台车模板骨架变形（工况2）台车模板骨架最大组合应力117MPa，最大变形5.1mm，满足要求。
（3）台车支架受力分析结果图33台车支架组合应力（工况1）图34台车支架组合应力（工况2）图35台车支架变形（工况1）图36台车支架变形（工况2）台车支架最大组合应力113.5MPa，最大变形5mm，满足要求。
（4）台车支撑丝杆分析结果图37台车支撑丝杆最大轴力（工况2）支撑丝杆为D89×8无缝钢管，最大长度L=1.35m，最大轴力N=55.53KN。
对钢管稳定性进行计算。
计算依据《钢结构设计规范》。
钢管截面特性：A=2035mm2，I=1.685×106mm4，i=28.8mm。
计算钢管长细比：λ=L/i=46.9，a类截面，查表得稳定系数φ=0.924，得出：N/（φA）=55.53×103/0.924/2035=29.53MPa。
满足要求。
4小结4.1 台车设计计算的重难点1. 台车支架承载能力计算。
2. 台车模板强度、刚度计算。
3. 台车支撑丝杆稳定性计算。
4.2 适用范围适用于隧道施工二衬台车结构计算。
