钢模台车是一种用于隧道二次衬砌施工的大型非标机械设备。传统钢模台车以固定隧道截面尺寸进行设计制造,无法适应具有多种截面尺寸的隧道衬砌环境,而可变式钢模台车具有变高、变跨与变弧功能,能够通过调整自身结构满足隧道截面尺寸复杂多变的衬砌需求。曲线段可变式钢模台车主要应用于可变弯曲隧道衬砌环境,但该台车结构较传统钢模台车更为复杂,设计者往往采取过大的安全系数,致使台车体积与质量偏大。本文以曲线段可变式钢模台车为研究对象,从施工安全、节约材料、降低工程成本的角度出发,对台车模板系统以载荷计算与刚、强度分析为基础,通过模板静动态与稳定性分析等验证了模板系统可靠性,并对其进行了轻量化优化设计。主要研究内容如下:(1)曲线段可变式钢模台车结构简介及模板系统力学分析。首先,介绍了曲线段可变式钢模台车结构组成与三变原理;其次,根据混凝土随时间变化的力学性能,将台车衬砌施工过程划分为混凝土初凝前、两侧混凝土注满振捣后、混凝土浇注完毕三种工况,分别计算了每种工况下模板系统所承载的外载荷,并利用传统力学理论计算了浇注完毕后台车模板系统的变形与应力值;再次,以TC4635-Q型钢模台车为例,通过CREO软件建立了该台车最大尺寸规格下的模型,并将其导入ANSYS workbench软件进行了静动态分析;最后,将模板静力学分析结果与传统力学计算结果进行对比,验证了台车模板系统的刚、强度皆满足使用要求。(2)曲线段可变式钢模台车可调拱梁稳定性分析。首先,建立了可调拱梁在跨度最大时的三维模型,将其导入ANSYS软件验证了可调拱梁的稳定性;其次,通过拱梁静力学分析结果,建立了拱梁理论计算模型,分析了拱梁最不利部位的屈曲载荷;再次,利用ANSYS workbench软件对拱梁三维模型进行了非线性屈曲分析,将分析结果与理论计算结果进行对比,验证了拱梁具有良好的稳定性;最后,基于正交试验设计方法,以该台车在3m、4m、5m三种跨度下的可调拱梁拱跨、拱高及两支撑千斤距离结构尺寸为可变因素,分析其对拱梁稳定性的影响,结果表明跨度是拱梁结构稳定性的显著影响因子。(3)曲线段可变式钢模台车模板系统轻量化优化设计。首先,选择台车单个标准模板为优化对象,通过拓扑优化与多目标尺寸优化方法对其内部布局与尺寸进行了优化与调整;其次,以台车可调拱梁最大跨度规格为优化模型,利用ANSYS workbench软件进行了响应面分析优化,通过分析三角形板厚与拱梁质量、最大位移与应力的三维关系图,得到了拱梁优化尺寸与目标因素的线性关系,进而设计了可调拱梁的轻量化优化模型;最后,以该模板优化模型为样板,调整了其余模板结构尺寸,结合拱梁轻量化模型建立了台车模板系统的优化模型,并通过与初始模板系统分析结果对比分析,结果表明优化后模板系统整体质量减轻了22.73%,较好的达到了轻量化目的。