浅谈钢衬里筒体胎模设计

浅谈钢衬里筒体胎模设计

刘伟建、 李强

中国建筑第二工程局有限公司，北京 100000

【摘要】 钢衬里筒体为内直径45m的空心圆柱，而壁厚仅6mm，在背部角钢与钢板焊接前筒体结构比较“柔”，无法保证结构有效成型，为满足施工需求，需提前根据钢衬里筒体尺寸设计一个操作及固定平台——钢衬里筒体胎模。胎模需满足如下几点要求：第一，胎模的结构尺寸需贴合钢衬里筒体板；第二，胎模上能够承担的载荷需满足施工需求；第三，胎模能够重复使用；第四，胎模设计应经济合理。

【关键词】钢衬里 筒体 胎模 操作平台

1. 工程概况

太平岭核电站1、2号机组钢衬里筒体形状为空心圆柱，内直径为45m，壁厚6mm，分9层，共110块分快板。第1层层高为5.6m，第2层层高为3.77m，第3～8层层高为5.73m，第9层层高为4.295m。

2. 筒体胎模设计原理

在钢衬里筒体截取部分实体，以角钢、H型钢制作成框架结构，作为筒体壁板的成型胎模。成型后钢衬里壁板有背部加固角钢，能够有效防止壁板脱模后回弹。

筒体板按照展开图下好料拼焊完成后，将钢板铺设于胎模上，采用成品旋紧类或U型卡等夹具进行固定，让筒体板与胎模弧面紧密贴合形成钢衬里壁板设计弧面。再将弯曲好的弧形环向角钢与钢板焊接好，冷却后壁板成型。

为防止变形，壁板背部的栓钉应该在壁板脱模前进行。

为使壁板更好的成型及适当的防止焊接变形，可在预制壁板上方适当增加工字钢加固装置辅助成型。

为保证模块中心线与胎架中心重合，制作胎架前要在地样打出胎模中心线和“十”字检验线，作为筒体壁板定位的依据。胎模制作完毕，在立柱上打出水平线，重复使用胎模前要检查胎模变形是否在公差范围内，如超标，需要修正胎模线型并检验。

胎模可重复使用，周转率高有效提高了措施工装的利用率；下料前需进行复核，无误后方可下料减少材料的浪费。

3. 筒体胎模设计过程

3.1 次梁的方向设计

钢衬里筒体胎模中的次梁是直接承担操作平台荷载及控制筒体成型的，次梁方向的选择尤为重要，次梁的方向可以与钢衬里筒体竖向角钢平行或者垂直，胎模示意图如下图1、图2所示。当次梁的方向与钢衬里筒体竖向角钢平行时，次梁在钢衬里筒体圆弧方向上则形成一个多段线段其轨迹与筒体圆弧接近，而当次梁方向与钢衬里筒体竖向角钢垂直时，次梁需要先用型钢弯曲机将其弯曲成半径与钢衬里筒体内壁一致的圆弧，此时形成的轨迹自然与筒体圆弧一致。根据加工精度要求不同两种方法各有利弊，在图1中次梁都是直线容易加工，主梁用弧形钢板（圆弧半径与钢衬里筒体内侧半径一致）通过数控切割而成，但胎面在圆弧方向为连续多段线组成，不够圆滑（如图3所示）；而图2次梁本就是按圆弧来弯曲的，理论上来说与钢衬里筒体曲线完全一致，所以加工时对需控制次梁的加工精度，提前调节好曲率。

图1 次梁与竖向角钢平行时胎模示意图

图2 次梁与竖向角钢垂直时胎模示意图

图3 次梁与竖向角钢平行时在筒体圆弧方向上形成的轨迹（红线）

3.2 次梁间的距离设计

钢衬里筒体胎模中的次梁是直接承担操作平台荷载及控制筒体成型的，是直接与钢衬里筒体板接触的，承担钢衬里筒体板上传来的施工荷载，也是钢衬里筒体板的支撑，因此次梁间的间距由钢板上的荷载及钢板刚度决定。钢衬里筒体板壁厚6mm，材质为P265GH，弹性模量E=204×10³N/mm²，取一微单元（板宽取1mm）进行研究，施工活荷载3kN/m²，设次梁间的间距为l，单个微单元上的线荷载为：1.5×3kN/m²×1mm=4.5N/m，则微单元上最大弯矩值为： ×4.5N/m×l²，微单元的抗弯截面系数为： ×b×h²= ×1mm×6²mm²=6mm³，惯性矩为： ×b×h³= ×1mm×6³mm³=18 ，设计强度取0.7 =0.7×265N/mm²=185.5N/mm²，

根据强度关系需满足σ= = ≤185.5N/mm²，求解后得l≤1407mm。

根据挠度关系需满足[ν_T]=l/150，则 = ≤ ，求解后得l≤748mm。

综上，l≤748mm即次梁间距小于等于748mm。

3.3 主梁间的距离设计

钢衬里筒体胎模中的主梁是承担次梁传递过来的荷载，其方向与次梁垂直，而主梁间的间距则主要考虑次梁的约束要求。次梁由于需要弯曲成型，而钢衬里筒体背部环向角钢也是弯曲成型，曲率半径也接近当次梁选用L125*80*10（钢衬里筒体背部环向角钢的规格）材质为Q235B时，设主梁间的距离为l，次梁上的线荷载最大为：1.5×3kN/m²×748mm=3366N/m，则次梁上最大弯矩值为： ×3366N/m×l²，又次梁的抗弯截面系数为37.33cm³，惯性矩为312.04 ，设计强度取0.7 =0.7×235N/ =164.5N/ 。

根据强度关系需满足σ= = ≤164.5N/mm²，求解后得l≤3605mm。

根据挠度关系需满足[ν_T]=l/400，则 = ≤ ，求解后得l≤3322mm。

综上，l≤3322mm即主梁间距小于等于3322mm。

3.4 立柱间的距离及大小设计

钢衬里筒体胎模中的立柱是承担主梁传递过来的荷载，其位置很大程度上取决于主梁的位置，而其大小根据每根主梁下的立柱数量不同而不同，以柱间距2100mm，柱高800mm，立柱截面型材为HW100*100*6*8材质为Q235B为例：立柱分担的最大荷载为1.5×3kN/m²×3322mm×2100mm=31.4kN，则σ= = =14.54N/mm²≤f= 215N/mm²满足承载强度要求；λ= = =33， = =1.0＞0.8对y轴为 类，查表可知φ=0.883， = =0.08≤1.0，满足稳定性要求。

4. 胎模整体设计

根据胎模的设计过程以及相关结论并结合钢衬里筒体各层具体尺寸，直接相应可以出具相应层胎模的加工图纸，胎模次梁为L125*80*10，长肢设为次梁梁高方向，短肢在最外侧的需朝外以便于U型夹具固定如图4所示（边缘角钢配合夹具照片），总宽略大于钢衬里筒体板宽度（需根据实际需要考虑相应切割余量），在操作空间允许的情况下也可以将不同宽度的筒体设计在同一个胎模上（保证钢衬里筒体板外边缘角钢向外），在宽度方向上次梁的间距控制不超过748mm即可；总长略大于钢衬里筒体板长度，主梁在长度方向上控制间距不超过3322mm即可。

图4 边缘角钢配合夹具照片

5. 效果与结论

钢衬里胎模的设计在实际工程运用中被证明是可行的并且可以重复使用，结构形式简单改装以及加工也方便，该成果对于类似薄壳结构施工平台提供了思路，从原理分析到设计步骤都具有借鉴意义。

【参考文献】

[1]JGJ 300-2013 建筑施工临时支撑结构技术规范

[2]GB 50017-2017 钢结构设计标准

[3]孙训方 方孝淑 关来泰 材料力学（І）第四版 北京 高等教育出版社，2002.8

第一作者简介：

刘伟建，男，中建电力建设有限公司，太平岭项目钢结构队结构工程师

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