鋼框塑料組合模板ANSYS分析計算

張 磊，楊曉東，陳曉東，史一劍

（中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 100000）

鋼框塑料組合模板ANSYS分析計算

張 磊，楊曉東，陳曉東，史一劍

（中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 100000）

本文所述鋼框塑料模板是由鋼邊框、鋼背楞及塑料模板組合而成。整個組合模板結(jié)構(gòu)受力合理，通過分析計算面板各項指標(biāo)均滿足要求。本文是利用大型通用有限元軟件ANSY11.0，結(jié)合有限元理論將該模板簡化為梁板結(jié)構(gòu)，同時對該鋼框組合模板在混凝土澆筑過程中所受側(cè)向力荷載作用下力學(xué)性能進(jìn)行分析。通過仿真模擬計算證明運(yùn)用該仿真方法來進(jìn)行模板計算是可靠的，同時對模板的研發(fā)積累了一定的經(jīng)驗。

組合模板；梁板結(jié)構(gòu)；ANSYS

1 概述

鋼框塑料模板是一種新型的建筑模板，是目前工業(yè)高度發(fā)達(dá)下的產(chǎn)物且為最廣泛應(yīng)用的模板形式之一。該組合模板的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組合而成，一部分是冷彎型鋼框架結(jié)構(gòu)，另一部分是塑料模板，鋼框架結(jié)構(gòu)與塑料模板之間采用鉚釘連接。如圖1所示。

圖1 鋼框塑料模板整體圖

2 新型建筑模板ANSYS有限元分析

2.1 有限元的原理

有限元法的主要思想是將所要求解的整體分成若干個連續(xù)的子區(qū)域，以未知函數(shù)在節(jié)點(diǎn)上的值作為基本未知參數(shù)，得到單元的剛度矩陣仿真，然后用離散的方法求解。

2.2 有限元軟件ANSYS的簡介

ANSYS包括下列幾個功能：結(jié)構(gòu)靜力分析；模態(tài)分析；瞬態(tài)動力學(xué)分析；特征屈曲分析。

2.3 ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析的基本過程

結(jié)構(gòu)靜力分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。有限元結(jié)構(gòu)分析過程可以說是十分程序化，整個分析過程都有固定的步驟，它的一般過程是：確定研究對象和研究目標(biāo)；確定建模方式（合適的單元類型、形狀和尺寸等）；確定約束（邊界條件）和載荷；求解并后處理。

3 建筑模板的參數(shù)化受力分析過程

3.1 模板的參數(shù)選擇

本文選取尺寸為300mm×900mm的模板（共3塊）作為此次分析的對象，該模板主要分為兩部分，一部分為框架結(jié)構(gòu)，它是由冷彎異型截面邊框、矩形背楞焊接組裝而成，另一部分為塑料面板。

通過對模板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，可觀察出穿墻螺栓孔的位置（即約束的位置）對模板來說是一個很重要的條件，另外模板邊框和背楞的截面形狀對于模板來說也是一個重要的計算參數(shù)。

3.2 建模過程

本文采用由其他CAD軟件導(dǎo)入的方法，直接導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行建模。本文研究的模板為鋼框塑料組合墻模板，邊框和背楞焊接連為整體，模板嵌入到鋼框架中，框架結(jié)構(gòu)與塑料面板之間采用鉚釘連接，在澆筑混凝土?xí)r，框架的變形受到約束，同時又有足夠數(shù)量的夾具加以連接固定，因而建模時可以近似地將塑料面板與鋼框架看作一個整體。

綜上所述，本文將該模組合板簡化為梁板結(jié)構(gòu)，塑料面板采用shell63單元，邊框和背楞采用beaml88單元。

本論文分析的材料屬性設(shè)置為：塑料面板的彈性模量6500N/mm2和泊松比0.33；鋼框和背楞材料的彈性模量2.06E105N/mm2和泊松比0.3。

3.3 網(wǎng)格劃分

本文中網(wǎng)格劃分采用手動劃分方式。劃分網(wǎng)格時，首先設(shè)置邊框和背楞的單元尺寸，進(jìn)而對面板采用映射的模式進(jìn)行劃分，映射方式劃分的面網(wǎng)格形狀是四邊形，規(guī)范整齊，計算機(jī)計算時速度也會相對提高。網(wǎng)格劃分后如圖2。

圖2 模板的網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.4 加載求解過程

模板的主要荷載為澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的側(cè)壓力，混凝土側(cè)壓力實際為梯度載荷，為保守起見在加載時，我們采用最大側(cè)壓力值均為均布荷載。

仿真分析后，得到模板的位移變形如圖3，位移變形的最大值位于對拉螺栓中間位置處，最大撓度為1.9mm，符合變形要求且達(dá)到了混凝土平整度的驗收標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 模板變形云圖

最大應(yīng)力云圖如4所示，最大等效應(yīng)力為304MPa，出現(xiàn)在穿墻螺栓位置處，小于鋼框材料Q345的屈服極限。

圖4 模板應(yīng)力云圖

至此，運(yùn)用ANSYS11.0對整體模板的分析完成，得到了模板的應(yīng)力及變形圖。

4 結(jié)語

本論文旨在研究鋼框塑料模板體系的力學(xué)性能，運(yùn)用ANSYS進(jìn)行仿真計算，該研究對模板的設(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。該塑料模板能夠回收再次利用節(jié)省了模板成本，同時為綠色建筑、節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。本論文通過仿真得到以下幾個結(jié)論：

4.1 ANSYS建模的簡化

結(jié)合有限元的知識，由于面板的厚度遠(yuǎn)小于長度和寬度，因此將塑料面板簡化為板殼單元，邊框和背楞根據(jù)受力情況簡化為beam單元，然后運(yùn)用ANSYS對其進(jìn)行整體建模。

4.2 塑料模板的回收利用

該塑料模板不同于傳統(tǒng)的面板，可以回收利用，且其周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，達(dá)到了節(jié)約資源減少建筑垃圾的效果。

通過對傳統(tǒng)模板設(shè)計方法了解模板所受載荷的計算方法，并掌握模板各個組件的校核方法，掌握傳統(tǒng)模板設(shè)計的過程，為之后對模板的參數(shù)化建模分析打下必要的基礎(chǔ)，最后對模板撓度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，探索出合理的檢驗計算方法。

TU352

A

1671-3362（2013）07-0062-02

課題名稱《節(jié)材型模架體系開發(fā)研究與示范》（項目編號：2012BAJ03B05）