基于精細(xì)化有限元分析模型的塑料模板力學(xué)性能分析

馮躍輝 陳亞麗 程 驥 龔晉德 辛化文

1. 浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集團(tuán)）有限公司華東分公司 浙江 杭州 311200

隨著建筑技術(shù)的快速發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，建筑材料也在逐漸向著綠色產(chǎn)業(yè)調(diào)整，以塑代木、以塑代鋼已成為建筑業(yè)發(fā)展的趨勢。模板技術(shù)直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量、造價(jià)和效益，因此是推動(dòng)我國建筑技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外用于建筑施工的模板種類較多[1]，有木質(zhì)膠合模板、鋼模板、鋁合金模板、塑料模板等。低質(zhì)、低效的木模板現(xiàn)鋸、現(xiàn)配和零散支拆的手工操作，存在著高物耗、高能耗、產(chǎn)生大量垃圾、污染環(huán)境等問題。全鋼模板解決了木材的損耗問題，在一定程度上加快了施工速度，但全鋼模板自重大，對垂直運(yùn)輸體系依賴大，操作不方便。自重輕、裝配周轉(zhuǎn)方便的鋁合金模板解決了該問題，但其造價(jià)高，脫模效果不理想，模板易變形。我國提倡綠色建筑、綠色施工[2]，從發(fā)展綠色建筑和生態(tài)文明建設(shè)的要求出發(fā)，發(fā)展塑料模板體系是建筑施工向綠色施工方向發(fā)展的迫切要求。常規(guī)板式塑料模板是節(jié)約木材和鋼材的一個(gè)重要途徑，具有質(zhì)量輕（10～12 kg/m2）、設(shè)計(jì)一次成形、精度高、裝拆簡單易學(xué)、節(jié)約勞動(dòng)力、循環(huán)使用次數(shù)多、均攤成本低、應(yīng)用范圍廣、吸水率低、防潮性好以及耐磨性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在建筑施工中的應(yīng)用越來越廣泛[3-5]，且塑料模板成功應(yīng)用的案例較多。但作為一種新型模板體系，塑料模板的性能尚未被廣泛熟知，項(xiàng)目上沒有足夠的施工經(jīng)驗(yàn)，搭設(shè)時(shí)僅憑借傳統(tǒng)模板施工經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象普遍存在，且目前的塑料模板仍存在強(qiáng)度和剛度較小的問題[6]。

1 工程概況

某工程建設(shè)地點(diǎn)為蕭山區(qū)風(fēng)情大道與濱康路交會(huì)處西南側(cè)，包括1#、2#、3#、6#樓及2層地下室工程。建筑總面積約126 100 m2。地下2層，地上34層。地上為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下為框架、框剪（主樓部分）結(jié)構(gòu)。本工程投入的模板用量較大，由于塑料模板具有循環(huán)使用次數(shù)多、可回收等特點(diǎn)，故本工程1#、2#、3#、6#樓采用塑料模板體系。

在應(yīng)用塑料模板體系的混凝土施工過程中，一般先安裝架設(shè)塑料模板，然后再澆筑混凝土，因此研究施工階段，特別是在混凝土澆筑過程中塑料模板的安全性能非常重要[7-8]。

2 施工過程中的塑料模板模擬分析

施工期間的塑料模板受力會(huì)因施工進(jìn)度和工藝的不斷變化而處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，相應(yīng)的力學(xué)分析屬于復(fù)雜的時(shí)變力學(xué)領(lǐng)域，本文在建立有限元分析模型時(shí)，采用了以下假定：

1）施工階段的塑料模板始終處于彈性階段。

2）不考慮濕混凝土與塑料模板之間的摩擦，流態(tài)混凝土只傳遞液壓力。

3）濕混凝土作用在塑料模板上的荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》附錄A計(jì)算所得。

4）混凝土澆筑工藝的動(dòng)態(tài)影響暫不考慮，例如采用高位拋落澆筑時(shí)的沖擊影響暫不計(jì)入。

2.1 計(jì)算總體概況

本工程采用的塑料模板典型單元如圖1～圖3所示。

圖1 塑料模板正立面

圖2 塑料模板側(cè)立面一

圖3 塑料模板側(cè)立面二

分析模型中，典型混凝土截面選取為一字形墻體，如圖4所示。該截面內(nèi)部混凝土厚度為200 mm，側(cè)邊為厚度80 mm的塑料模板。對穿螺桿直徑為14 mm，采用Q235鋼材。主龍骨采用方鋼管，截面尺寸為60 mm×100 mm×2 mm，采用Q235鋼材。沿截面縱向方向分布7道對穿螺桿。

圖4 典型截面示意

選取2種模型進(jìn)行有限元建模分析，一種是豎向4道主龍骨模型，另一種是豎向3道主龍骨模型，如圖5、圖6所示。其中豎向4道主龍骨間距為500、600、700 mm；豎向3道主龍骨間距為750、800 mm，其余均保持一致。

圖5 豎向4道主龍骨示意

圖6 豎向3道主龍骨示意

2.2 有限元數(shù)值模型建立

本工程采用有限元軟件建立全尺寸實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算。采用Midas/FEA建立其精細(xì)化數(shù)值模型，各構(gòu)件均采用實(shí)體單元建模，且均采用彈性材料模型。其中，鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；塑料模板的彈性模量為2 000 MPa，泊松比為0.39，拉伸強(qiáng)度為61 MPa，壓縮強(qiáng)度為43 MPa，容重為12.5 kN/m3。材料模型采用各向同性材料。

圖7與圖8為混凝土澆筑的有限元模型，圖7為豎向4道主龍骨有限元模型，圖8為豎向3道主龍骨有限元模型。

圖7 豎向4道主龍骨有限元模型

圖8 豎向3道主龍骨有限元模型

混凝土在澆筑階段只產(chǎn)生靜水壓力，試驗(yàn)時(shí)模型剪力墻底部錨固在底座上，有限元模型中采用了約束底板全部平動(dòng)自由度的方法來模擬此邊界條件。同時(shí)，頂部陰角條限制了塑料模板的平動(dòng)，采用約束其2個(gè)水平方向平動(dòng)自由度的方法來模擬此邊界條件。

2.3 荷載計(jì)算

根據(jù)測定，混凝土作用于模板的側(cè)壓力隨混凝土澆筑高度的增加而增加，當(dāng)澆筑高度達(dá)到某一臨界時(shí)，側(cè)壓力就不再增加，此時(shí)的側(cè)壓力即為新澆混凝土的最大側(cè)壓力。側(cè)壓力達(dá)到最大值時(shí)的澆筑高度稱為混凝土的有效壓頭。根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》附錄A.0.4相關(guān)公式，計(jì)算得新澆混凝土對模板的最大側(cè)壓力為46 kN/m2，將該荷載換算為設(shè)計(jì)值，采用流體荷載施加于塑料模板上。

3 塑料模板的模擬結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果采用剖分面的形式展示，選取軸對稱一半展示出來。4道主龍骨的位移如圖9所示，3道主龍骨的位移如圖10所示。

圖9 4道主龍骨的位移

圖10 3道主龍骨的位移

對于4道主龍骨與3道主龍骨的布置形式，最大位移均位于沿豎向高度的中部處，且沿塑料模板水平向呈居中軸對稱分布。其中4道主龍骨布置時(shí)的最大位移為10.5 mm，占結(jié)構(gòu)總單元數(shù)比值為0.9%；超過8 mm的單元數(shù)占結(jié)構(gòu)總單元數(shù)比值為5.4%。GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求墻層高小于或等于5 m時(shí)，垂直度允許偏差在8 mm范圍內(nèi)。采用4道主龍骨布置時(shí)，95%的單元均在允許偏差范圍內(nèi)，建議在施工措施、施工工藝得當(dāng)?shù)那闆r下，可以采用4道主龍骨的布置形式。3道主龍骨布置時(shí)的最大位移為16.4 mm，占結(jié)構(gòu)總單元數(shù)比值為1.3%；超過8 mm的單元數(shù)占結(jié)構(gòu)總單元數(shù)比值為17%，超過規(guī)范要求的單元數(shù)占比較大，建議項(xiàng)目部進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)性驗(yàn)證，當(dāng)驗(yàn)證垂直度、變形均控制在規(guī)范要求數(shù)值內(nèi)時(shí)，方可采用。

4道主龍骨布置時(shí)的3D單元Von Mises應(yīng)變?nèi)鐖D11所示，3道主龍骨布置時(shí)的3D單元Von Mises應(yīng)變?nèi)鐖D12所示。

圖11 4道主龍骨3D單元Von Mises應(yīng)變

圖12 3道主龍骨3D單元Von Mises應(yīng)變

由圖11、圖12可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的3D單元Von Mises應(yīng)變均處在彈性應(yīng)變的允許范圍內(nèi)。

4道主龍骨布置時(shí)的3D單元Volume應(yīng)變?nèi)鐖D13所示，3道主龍骨布置時(shí)的3D單元Volume應(yīng)變?nèi)鐖D14所示。

圖13 4道主龍骨3D單元Volume應(yīng)變

圖14 3道主龍骨3D單元Volume應(yīng)變

由圖13、圖14可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的3D單元Volume應(yīng)變均較小，均處在彈性應(yīng)變的允許范圍內(nèi)。

4道主龍骨布置時(shí)的3D單元Von Mises應(yīng)力如圖15所示，3道主龍骨布置時(shí)的3D單元Von Mises應(yīng)力如圖16所示。

圖15 4道主龍骨3D單元Von Mises應(yīng)力

圖16 3道主龍骨3D單元Von Mises應(yīng)力

由圖15、圖16可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的塑料模板應(yīng)力與鋼材應(yīng)力均處在彈性變形范圍內(nèi)。

從以上計(jì)算結(jié)果來看，塑料模板的主要控制值是變形數(shù)值。

4 結(jié)語

在剪力墻混凝土澆筑過程中，本文建立了基于精細(xì)化有限元分析模型的塑料模板有限元模型，得到了塑料模板應(yīng)用在墻體混凝土澆筑過程中的受力力學(xué)行為和變形行為。通過相應(yīng)的計(jì)算及分析，論證了剪力墻混凝土澆筑過程中塑料模板的力學(xué)性能，并對2種主龍骨布置形式進(jìn)行了力學(xué)模擬，為相關(guān)工程積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。