鋁合金復(fù)合模板受力性能分析

徐 帥

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

2020年上半年受到新冠肺炎疫情的影響,我國整個(gè)建筑行業(yè)在上半年的現(xiàn)狀并不樂觀,根據(jù)中國建筑業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《關(guān)于新冠肺炎疫情對建筑業(yè)企業(yè)影響的調(diào)查報(bào)告》,疫情對企業(yè)的影響主要包括:影響施工進(jìn)度,進(jìn)而影響工期;停工造成的資本停滯和成本增加;原材料、人工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)等成本上漲[1].如何在復(fù)工后控制成本,提高施工效率是一個(gè)亟待解決的問題.在混凝土結(jié)構(gòu)施工成本和勞動(dòng)量中,模板工程均占有較大比重.一般在梁板、框架和板墻結(jié)構(gòu)中,成本占左右30 %,勞動(dòng)量占到在28 %到45 %.在傳統(tǒng)的建筑模板中對木材消耗量巨大,對環(huán)境的影響也日益增大[2].單塊模板重量通常不超過30 kg,如果采用鋼模板,模板的尺寸受到重量限制,過多的模板數(shù)量導(dǎo)致施工速度慢,同時(shí)容易留下更多模板之間連接痕跡.鋁合金模板采用擠壓成型的鋁合金型材加工而成,標(biāo)準(zhǔn)化程度高、質(zhì)量輕,在國內(nèi)外建筑工程中有了一定的應(yīng)用[3-4].但由于在脫模時(shí)容易有混凝土粘連鋁合金表面,影響使用次數(shù),導(dǎo)致造價(jià)居高不下[5].

鋁合金復(fù)合材料模板充分發(fā)揮鋁合金易于加工的特性和塑料脫模簡便、利于養(yǎng)護(hù)的優(yōu)勢,以實(shí)現(xiàn)其在工廠預(yù)制、高機(jī)械化的制備方式,有效降低模板單位面積重量,減少模板和部件數(shù)量,加快施工速度,提高混凝土澆筑質(zhì)量,降低工程量和減少資源消耗[6].

1 計(jì)算模型

1.1 模型尺寸

為了研究復(fù)合材料模板的受力性能,設(shè)計(jì)1個(gè)常規(guī)鋁合金模板尺寸模型SJ 1和1個(gè)復(fù)合材料模板模型SJ 2,兩者選用的肋板高度和厚度相同.模板長度為1 100 mm,寬度為400mm,按照《JG/T 522-2017 鋁合金模板》中對尺寸要求進(jìn)行設(shè)計(jì).鋁合金材料采用牌號(hào)6 061 T 6狀態(tài)[7].兩者的不同之處主要在于,SJ 2試件的面板采用鋁合金與塑料的復(fù)合材料,并且將鋁合金部分?jǐn)D壓為燕尾槽型,燕尾槽大小端分別為17 mm和25 mm,寬度高度取為5 mm,按照對稱設(shè)計(jì).

表1 試件參數(shù)(單位:mm)Table 1 Parameters of specimens(Unit:mm)

(a) SJ 1

(b) SJ 2

在ABAQUS數(shù)值模擬中,為了與實(shí)際受力情況更為貼近, SJ 2試件模型別建立鋁合金面板和塑料膜層,并按照整體受力考慮.試件SJ 1和SJ 2的幾何尺寸和詳細(xì)參數(shù)如表1所示,兩個(gè)試件除了面板有所差異,其它設(shè)計(jì)參數(shù)一致.SJ 1在數(shù)值模擬中的整體模型如圖1(a)所示,模型中設(shè)置了5個(gè)內(nèi)橫肋.假定每個(gè)內(nèi)橫肋與面板以及側(cè)肋板可靠連接. SJ 2的整體模型如圖1(b)所示,通過與圖1(a)對比,可以看出面板的斷面設(shè)計(jì)有所差異, SJ 2的面板由鋁合金面板層和塑料膜層兩部分組成.兩個(gè)模型在數(shù)值模擬中所采用的材料本構(gòu)關(guān)系情況如表2所示[8].

表2 材料的本構(gòu)關(guān)系情況Table 2 Definition of constitutive relation of material

1.2 加載情況

根據(jù)《JG/T 522-2017 鋁合金模板》中關(guān)于鋁合金模板強(qiáng)度和剛度的規(guī)定, 分別計(jì)算試件SJ 1和SJ 2在承受均布荷載作用下的受力及變形情況[9].有限元模擬中對試件SJ 1和SJ 2頂部施加的豎向壓力為45 kN/m2以及60 kN/m2.模型的加載示意情況如圖2所示,在長度方向的支撐點(diǎn)距離為750 mm.

圖2 加載簡圖Fig.2 Loading diagram

2 性能分析

2.1 模型加載過程

在有限元分析中采用C 3 D 8 R實(shí)體單元模擬模板,通過圖3可以看出,在模型的面板的中部750 mm×400 mm范圍內(nèi)施加均布荷載,兩端長度175 mm×400 mm范圍內(nèi)按照規(guī)范要求不施加荷載,同時(shí)在施加荷載的邊緣設(shè)置內(nèi)橫肋,并約束此位置內(nèi)橫肋3個(gè)方向的位移,盡可能貼近規(guī)范要求.在分析變形性能時(shí),均布荷載施加為45 kN/m2,在分析受力性能時(shí),均布荷載大小變?yōu)?0 kN/m2.

圖3 模型加載Fig.3 Loading of model

2.2 變形性能

通過圖4可以看出,在模板施加45 N/m2的均布條件下,試件SJ 1與SJ 2在側(cè)向肋板和內(nèi)橫肋板之間分隔的各個(gè)面板區(qū)域變形分別如圖所示4(a)和4(b)所示.兩個(gè)試件的變形形態(tài)相似,最大的變形均出現(xiàn)在模板的中部.加載區(qū)域分布在模板中部750 mm范圍內(nèi),約束布置在加載區(qū)邊緣,因此模板兩端幾乎沒有變形.由于SJ 2復(fù)合材料模板采用的鋁合金面板厚度僅為2mm,相對于SJ 1普通鋁合金模板材料更薄,變形也稍大.試件SJ 1豎向最大變形為1.314 mm,試件SJ 2豎向最大變形為1.448 mm.兩者的最大變形均滿足《鋁合金模板》對變形小于1.5 mm的設(shè)計(jì)要求.

(a) SJ 1

(b) SJ 2

2.3 承載力

在模板施加60N/m2的均布條件下, 由圖5可以看出,試件SJ 1與SJ 2的應(yīng)力分布分別如圖5(a)和5(b)所示.兩個(gè)模型有限元的應(yīng)力分布云圖相似,應(yīng)力呈現(xiàn)出兩側(cè)的邊肋板最大,靠近模板中間區(qū)域,受內(nèi)側(cè)布置內(nèi)橫肋的影響,應(yīng)力有所減小.模板兩端由于沒有均布荷載作用,幾乎沒有應(yīng)力變化. 試件SJ 1最大應(yīng)力為67.59 MPa,試件SJ 2最大應(yīng)力為65.24 MPa.由于SJ 2復(fù)合材料模板采用的鋁合金面板為燕尾槽形,相對于SJ 1普通鋁合金模板有更好的空間受力性能,應(yīng)力相對所有降低,兩者均滿足應(yīng)力不超過材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求[10].

(a) SJ 1

(b) SJ 2

2.4 經(jīng)濟(jì)性對比

結(jié)合兩種類型模板的剛度和承載力情況,可以發(fā)現(xiàn)兩者的性能比較相似.在經(jīng)濟(jì)性方面,僅考慮原材料的費(fèi)用情況,由于疫情影響,人工費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)都會(huì)存在較大變化,本文暫不考慮這部分的差異.在本文中,采用鋁合金和塑料組成的復(fù)合模板,其斷面的鋁合金用量為1 778 mm2,塑料用量為705 mm2,單位長度重量為5.63 kg/m;而常規(guī)的鋁合金模板,其斷面的鋁合金用量為2 050 mm2,單位長度重量為5.64 kg/m.

盡管兩種模板單位長度重量相近,但是原材料費(fèi)用鋁合金價(jià)格約為1.98萬/噸,塑料價(jià)格約為1.31萬,采用鋁合金復(fù)合模板的成本約為普通鋁合金模板的95.4 %.

3 結(jié)論

通過對普通鋁合金模板和鋁合金復(fù)合模板的模型在相同荷載作用下的有限元分析,根據(jù)數(shù)值模擬的情況可以總結(jié)出以下幾點(diǎn):

(1) 鋁合金復(fù)合模板在均布荷載作用下,與普通鋁合金模板相比,變形略大,應(yīng)力較小.

(2) 鋁合金復(fù)合模板可以達(dá)到《鋁合金模板》規(guī)范中對剛度和承載力的要求.

(3) 鋁合金復(fù)合模板相比普通鋁合金模板材料用量更少,經(jīng)濟(jì)性更好.