淺析混凝土施工中全鋼模板面板厚度的選取方法

摘? 要：全鋼模板面板厚度是影響混凝土表面成型的重要因素，增加面板厚度可提高混凝土表面成型質(zhì)量，但是盲目的增加面板厚度，模板的材料成本也會(huì)隨之上升，進(jìn)而造成施工成本的增加。本文以全鋼模板的面板為研究對(duì)象，對(duì)其受力及加工難度進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化面板厚度，為全鋼模板的設(shè)計(jì)和加工提供參考。

關(guān)鍵詞：全鋼模板面板;單向板;厚度;變形;屈服

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755.2+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）02-0000-00

0 引言

自20世紀(jì)70年代末期我國(guó)“以鋼代木”的方針推動(dòng)以來(lái)，混凝土橋梁施工中大量應(yīng)用了全鋼模板結(jié)構(gòu)，并且由于其強(qiáng)度高、剛度大、使用壽命長(zhǎng)，幾乎取代了以往混凝土橋梁施工中木模板、竹膠板模板的地位。

混凝土橋梁施工中模板工程占混凝土工程造價(jià)的20%～30%，占工程用工量的30%～40%，模板的質(zhì)量直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和造價(jià)，而模板結(jié)構(gòu)中決定混凝土成型后表面質(zhì)量的主要結(jié)構(gòu)是面板。作為直接接觸混凝土的部分，面板厚度的選擇直接影響混凝土成型后的表面質(zhì)量。近幾年混凝土全預(yù)制裝配施工工藝的興起，對(duì)混凝土預(yù)制件的成型精度、表面平整度等質(zhì)量要求越來(lái)越高。與此同時(shí)，隨著混凝土材料技術(shù)的不斷發(fā)展，自密實(shí)混凝土、UHPC超高性能混凝土的逐步推廣，使得模板在混凝土澆筑過(guò)程中受到的壓力更大，更容易產(chǎn)生變形。顯然使用更厚的面板可以解決上述問(wèn)題，但在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，需要尋求性能和經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)。因此如何更合理的選擇面板厚度，在全鋼模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。

1 不同厚度面板的應(yīng)力及變形比較

混凝土橋梁施工中所用鋼模根據(jù)使用情況分為標(biāo)準(zhǔn)小鋼模和異型定制模板，如圖1（a），小鋼模的面板厚一般為3mm，寬度及長(zhǎng)度尺寸為模數(shù)制設(shè)計(jì)，通用模板寬度從100mm～1200mm不等，長(zhǎng)度為450mm～2100mm不等。小鋼模常用在隱蔽的混凝土結(jié)構(gòu)或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求不高的混凝土結(jié)構(gòu)中，如設(shè)計(jì)需回填的墩柱承臺(tái)、公路箱梁內(nèi)腔等位置。因其應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)模板特別是面板的允許變形相對(duì)較為寬松，故不列入本文對(duì)比范圍。而對(duì)于受力大、外表裸露的混凝土結(jié)構(gòu)，例如公路及鐵路墩柱、箱梁等，均會(huì)采用定制模板進(jìn)行澆筑，如圖1（b），本文主要對(duì)定制模板面板的厚度選取進(jìn)行分析和對(duì)比。

定制鋼模板通常由面板、次肋、主肋等組成，面板的材料基本均為Q235鋼板。在施工過(guò)程中混凝土作用在模板上的側(cè)壓力以及傾倒荷載、振搗載荷，均直接作用在面板上，然后通過(guò)面板將壓力傳遞到次肋，再通過(guò)次肋，將壓力傳遞到主肋、支架或拉桿上。次肋與主肋分層布置，次肋間距一般為0.25m～0.4m。如圖2（a），按照次肋的布置方式，在強(qiáng)度校核中可將面板簡(jiǎn)化為單向板[4]進(jìn)行計(jì)算。

單向板的跨度即為模板次肋的間距，單向板受力后變形最不利的約束方式為單向簡(jiǎn)支。通過(guò)對(duì)多個(gè)墩柱及箱梁項(xiàng)目混凝土澆筑參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析，橋梁施工中混凝土澆筑時(shí)對(duì)模板的側(cè)壓力為65kPa左右，單向板跨度取0.35m，約束方式為簡(jiǎn)支，如圖3，分別計(jì)算此條件下面板厚度為3mm～16mm時(shí)的受力及變形情況，結(jié)果如表1。

從表中可以看出，隨著面板厚度的增加，相同載荷與約束條件下面板的應(yīng)力、變形隨著厚度的增加而減小。當(dāng)面板大于6mm后，面板的應(yīng)力均小于GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求的材料許用應(yīng)力215MPa[2]。同時(shí)，根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中5.2.7節(jié)的要求，結(jié)構(gòu)表面外露的模板，最大允許撓度為模板構(gòu)件跨度的1/400，面板變形需小于1.5mm[4]。提取表1中的變形數(shù)據(jù)并繪制厚度-變形曲線(xiàn)，如圖4。從圖中可直觀的看出當(dāng)面板厚度為6.6mm時(shí)變形為1.5mm，而當(dāng)面板厚度大于8mm后，面板厚度的變化對(duì)變形的影響越來(lái)越小。

2 不同厚度面板加工及成型難度

面板形狀由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，在橋梁施工中，橋墩、橋梁的結(jié)構(gòu)大都不是標(biāo)準(zhǔn)的平面或圓弧結(jié)構(gòu)，存在很多圓角、倒角以及曲面結(jié)構(gòu)，從而面板也要加工成對(duì)應(yīng)的形狀來(lái)確保混凝土成型效果，如圖5（a）、（b）。

面板的成型主要通過(guò)特制模具，使面板發(fā)生非彈性變形來(lái)達(dá)到所需的形狀。從異形模板的面板加工成型角度而言，面板厚度越厚，成型所需的壓力越大，成型難度也越大，成型效果也越難以保證，尤其是較厚的鋼板，成型時(shí)容易產(chǎn)生裂縫，使產(chǎn)品報(bào)廢[5]。在滿(mǎn)足強(qiáng)度及剛度要求的前提下，面板厚度越小，越有利于異形模板的加工成型。

同時(shí)，鋼模板成型以焊接為主，面板厚度越小，對(duì)焊接工藝要求越高，且對(duì)焊接應(yīng)力更為敏感，焊接完成后更容易是鋼模板出現(xiàn)不可控的焊接變形。故從焊接工藝及焊接變形控制的角度而言，面板厚度不宜過(guò)小。

3 不同厚度面板在使用時(shí)的失效比較

以Q235材質(zhì)的面板為研究對(duì)象，其屈服強(qiáng)度為235MPa[1]，面板應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)表示該面板屈服，單向板簡(jiǎn)支跨度仍取0.35m，跨中施加屈服力F，使之彎曲應(yīng)力剛好為235MPa，分別計(jì)算板厚為3～16mm時(shí)的屈服力F，將結(jié)果匯總后得到板厚-屈服力曲線(xiàn)圖，如圖6。

圖6中曲線(xiàn)為面板屈服力和厚度的關(guān)系，直線(xiàn)為上節(jié)混凝土面板變形分析中面板受到的力，計(jì)算得到上一節(jié)中單向板所受力為22.75kN。從圖6中可知，面板與屈服力呈二次曲線(xiàn)關(guān)系，屈服力曲線(xiàn)和混凝土等效力交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的面板厚度大于7mm。

混凝土工程施工時(shí)，模板的面板首先要滿(mǎn)足在承受混凝土壓力時(shí)不發(fā)生非彈性變形，其次該變形要滿(mǎn)足規(guī)范要求，然后再考慮加工時(shí)的難易程度，結(jié)合圖4和圖6的結(jié)果，在前文所定義的條件下，面板厚度大于7mm時(shí)，模板滿(mǎn)足混凝土施工中所需強(qiáng)度和剛度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)模板在最不利工況下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，計(jì)算面板厚度為3mm～16mm范圍內(nèi)單向簡(jiǎn)直板的變形和屈服力情況，給出了面板的選型取值范圍，為模板設(shè)計(jì)提供參考。

（1）面板的強(qiáng)度容易滿(mǎn)足規(guī)范要求，面板厚度選擇要充分考慮混凝土壓力和跨度問(wèn)題，面板以剛度設(shè)計(jì)為主，強(qiáng)度設(shè)計(jì)為輔。

（2）通過(guò)增加面板厚度可增加剛度，在次肋布置間距不變時(shí)，面板在達(dá)到一定厚度后，繼續(xù)增加厚度對(duì)變形控制影響不大。

（3）面板厚度與成型難度及成型質(zhì)量直接相關(guān)，面板的厚度選擇還需區(qū)分模板形狀等因素。

（4）本文采用模板最不利結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，滿(mǎn)足應(yīng)力和變形要求時(shí)面板的最薄規(guī)格為8mm。

綜上，在本文所定義的設(shè)計(jì)條件下，模板設(shè)計(jì)中面板的厚度宜根據(jù)使用場(chǎng)合及要求的不同，選用8mm-12mm規(guī)格的鋼板，此時(shí)能在剛度、強(qiáng)度及成型難度、整體經(jīng)濟(jì)性中取得較為合理的平衡點(diǎn)。在不同荷載及變形要求下，可參照本文設(shè)計(jì)方法計(jì)算選取最優(yōu)面板厚度。

參考文獻(xiàn)

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[5]唐紹彬，葛振華，施波.基于ANSYS Workbench的鋼板折彎分析[J].金屬加工：冷加工，2013（22）：72-73.

收稿日期：2020-01-01

作者簡(jiǎn)介：楊波（1983—），男，湖南長(zhǎng)沙人，本科，工程師，研究方向：混凝土施工用鋼模板的設(shè)計(jì)及加工。