基于有限元方法的鋁合金模板受力分析

孫 思 為

(廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州 510030)

基于有限元方法的鋁合金模板受力分析

孫 思 為

(廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州 510030)

基于ANSYS平臺(tái)，采用三種方法建立某型號(hào)單塊墻模板的有限元模型，模擬了混凝土澆筑時(shí)鋁合金模板的應(yīng)力情況，并對(duì)有限元分析結(jié)果與簡化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，得出有限元計(jì)算可對(duì)規(guī)范中設(shè)計(jì)方法進(jìn)行校核的結(jié)論。

鋁合金模板，有限元分析，撓度

1 概述

建筑工程所采用的混凝土澆筑方式大體相同，但在模板的使用方面存在一定差異。很多施工技術(shù)水平相對(duì)落后的地區(qū)和建筑單位，木模板的應(yīng)用十分廣泛。隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，竹制模板，塑料模板先后得到了一定程度的應(yīng)用，但由于其資源消耗量大，重復(fù)利用率低的弊端而逐漸被拋棄[1]。鋼制模板大大減少了對(duì)木材等資源的消耗，并在一定程度上加快了施工速度，但鋼制模板自重大，對(duì)垂直運(yùn)輸體系依賴大，操作不方便，易銹蝕等缺點(diǎn)影響了其推廣[2]。鋁合金模板系統(tǒng)是一種新型的模板系統(tǒng)，自1962年在美國誕生以來，已經(jīng)有50多年的歷史[3]，它的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)模板的各種弊端，因其自重輕、裝配周轉(zhuǎn)方便、結(jié)構(gòu)成型效果好，在美國、加拿大等國已經(jīng)成功推廣10年，在我國香港、澳門等地區(qū)也得到了廣泛應(yīng)用。

建筑模板的設(shè)計(jì)一般采用相關(guān)的力學(xué)理論進(jìn)行簡化計(jì)算，這種計(jì)算方法可以方便的對(duì)單模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于鋁合金模板的質(zhì)量較輕，其體系的整體受力性能應(yīng)當(dāng)成為更受關(guān)心的問題，因此需要對(duì)其進(jìn)行整體的有限元建模分析。

有限元法是一種對(duì)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能等問題求解的數(shù)值解法，常采用計(jì)算機(jī)軟件來求解。ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件?？蓮V泛用于土木工程、航天航空、機(jī)械制造、輕工能源等一般工程分析和科學(xué)研究中[4]。

本文基于ANSYS平臺(tái)，使用三種方法建立某型號(hào)單塊墻模板的有限元模型，模擬混凝土澆筑時(shí)鋁合金模板的應(yīng)力情況，并檢驗(yàn)有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算的吻合程度。

2 鋁合金模板的簡化計(jì)算

某模板工程標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8 m，墻厚200 mm?；炷翂w模板采用鋁合金模板組拼，背楞采用鋼背楞，M16穿墻螺絲，墻體高度2.8 m。混凝土墻體模板長度2 775 mm，寬400 mm。

2.1 混凝土側(cè)壓力計(jì)算

新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算公式為下式中的較小值[5]：

F=0.22γct0β1β2V

(1)

F=γcH

(2)

式中：F——新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc——混凝土的重力密度，kN/m3；V——混凝土的澆筑速度，m/h；t0——新澆混凝土的初凝時(shí)間，h，可按試驗(yàn)確定。當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用t0=200/(T+15)(T為混凝土的溫度，℃)；

β1——外加劑影響修正系數(shù)。不摻外加劑時(shí)取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數(shù)。當(dāng)坍落度小于30 mm時(shí)，取0.85；坍落度為50 mm～90 mm時(shí)，取1.00；坍落度為110 mm～150 mm時(shí)，取1.15；

H——混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m。混凝土側(cè)壓力的計(jì)算分布圖形如圖1所示，圖中，h=F/γc，h為有效壓頭高度。

由式(1)和式(2)得：

F1′=γcH=25×2.8=70 kN/m2。

采用新澆混凝土側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值F1=31.63 kN/m2。傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值F2=4.0 kN/m2。

因此，荷載組合為：

F=1.2×G4k+1.4×Q3k=1.2×31.63+1.4×4=43.56 kN/m2，有效壓頭高度為：h=F/γc=43.56/25=1.74 m。

其他計(jì)算參數(shù)為：彈性模量70 000 N/mm2，鋁合金密度2 700 kg/m3，泊松比取0.330，鋁板厚度4.00 mm。側(cè)壓力分布圖見圖2。

2.2 墻身鋁板撓度驗(yàn)算

鋁板為四周支撐的雙向板，最大計(jì)算尺寸為400 mm×300 mm。雙向板撓度計(jì)算公式：

按四邊固定板計(jì)算[6]：

由l01/l02=300/400=0.75 查表得f=0.001 97。

3 有限元模型及計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)計(jì)算的鋁合金墻模板使用通用有限元軟件ANSYS建立三種有限元模型[7]，第一種為實(shí)體單元，采用Solid186單元；第二種和第三種均為梁殼單元，邊框和背楞采用Beam188單元，鋁合金模板采用Shell63單元，第三種考慮梁偏置，三種有限元模型的邊界條件均為沿邊框的三向鉸支約束和沿底邊的豎向約束。模擬結(jié)果見圖3～圖5。

從圖3～圖5的變形圖可知鋁合金墻模板變形分別為1.43 mm，1.84 mm及1.76 mm，采用梁偏置方法的有限元建模與計(jì)算結(jié)果較為吻合。

4 有限元模擬中的注意事項(xiàng)

1)在采用實(shí)體單元的有限元模型時(shí)，需采用具有中間節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元，如本計(jì)算中所用到的Solid186單元，若采用Solid185單元會(huì)造成較大的計(jì)算誤差；

2)在采用梁殼單元的有限元模型時(shí)，最好采用梁偏置方法建模，該方法通過不斷的轉(zhuǎn)換工作平面確定梁截面的形狀及位置，盡管相對(duì)于一般的通過關(guān)鍵點(diǎn)—線—面建立的梁殼單元模型該方法工作量較大，但建模思路更為清晰，更加符合模板實(shí)際情況；

3)若采用一般的通過關(guān)鍵點(diǎn)—線—面建立梁殼單元有限元模型時(shí)，邊框和橫肋的慣性矩應(yīng)使用平行移軸公式進(jìn)行慣性矩等效，并保持等效前后的截面面積相等。在不建立節(jié)點(diǎn)約束方程時(shí)，梁殼單元?jiǎng)澐忠ＷC共用節(jié)點(diǎn)。

5 計(jì)算結(jié)果及討論

從上述簡化計(jì)算結(jié)果及有限元分析結(jié)果中可以看出，有限元計(jì)算可作為簡化計(jì)算的輔助方法應(yīng)用到模板設(shè)計(jì)中，可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)論，并可作為對(duì)規(guī)范中設(shè)計(jì)方法的校核。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用多種不同方式建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

[1] 蔣 劍.鋁合金模板在高層房屋建筑施工中的應(yīng)用[J].新建設(shè):現(xiàn)代物業(yè)上旬刊，2012(4):42-43.

[2] 王永好，李奇志.全鋁合金模板在某超高層建筑施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)(下半月)，2012(11):35-37.

[3] 戴桂揚(yáng).鋁合金模板在建筑施工中的應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施，2013(10):51-53.

[4] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社，2005.

[5] JGJ 162-2008，建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)[M].第2版.北京:建筑工業(yè)出版社，2001.

[7] ANSYS User’s Guide,ANSYS.Inc.,2010.

ForceanalysisonalloyaluminumformworkbasedonFEMmethod

SUNSi-wei

(GuangzhouMetroCorporation,Guangzhou510030,China)

Based on ANSYS platform, the paper adopts three methods to establish some finite element model of the single block wall, simulates the stress of the concrete grouting on the alloy aluminum, inspects the finite element analysis results and the simplified calculation results, and points out the finite element calculation can check the design methods according to the regulation.

alloy aluminum formwork, finite element analysis, deflection

1009-6825(2014)14-0061-03

2014-03-01

孫思為(1987- )，女

TU755.2

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