對拉螺桿式與拉片式加固體系受力分析

袁曉龍

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237000)

1 鋁合金模板加固體系

鋁合金模板因有較優(yōu)的力學(xué)性能、施工安裝簡便、不產(chǎn)生建筑垃圾、周轉(zhuǎn)率高、可回收利用價(jià)值高，脫模效果好，與混凝土接觸面光潔平整，墻體的平整度和垂直度都能夠達(dá)到清水混凝土墻的標(biāo)準(zhǔn)而被廣泛應(yīng)用[1]。在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，模板工程屬于臨時(shí)工程需要完成其預(yù)定的功能，同時(shí)在施工過程中模板工程需要承受相應(yīng)的施工荷載并滿足承載力、剛度和穩(wěn)定性的要求[2]。因此，鋁合金模板體系需要采用加固的方式來保證其剛度和穩(wěn)定性，主要體現(xiàn)在墻、柱模板的施工中。常用的鋁合金模板按照加固方式可以分為對拉螺桿加固和拉片兩種。

拉片式墻、柱模板加固體系主要由以下構(gòu)配件組成：鋁合金墻、柱面板、連接件、背楞、拉片、銷釘、銷片、單支頂、斜撐、方通扣、鋼絲繩風(fēng)鉤等，拉片作為受拉構(gòu)件對兩側(cè)鋁合金模板進(jìn)行拉結(jié)加固。

對拉螺桿式加固體系作為鋁合金模板最早使用的加固方式，其主要由以下構(gòu)配件組成：連接件、鋁合金墻、柱面板、對拉螺桿、斜撐、背楞、銷釘、銷片、單支頂?shù)?，對拉螺桿作為受拉構(gòu)件對兩側(cè)鋁合金模板進(jìn)行拉結(jié)加固。

2 鋁合金模板的施工工藝流程及參數(shù)

鋁合金模板對拉螺桿式加固體系和鋁合金模板拉片式加固體系在加固方式上有所不同，但是兩種鋁合金模板體系的施工工藝流程一致。施工工藝流程主要包括：測量控制線→安裝置筋、水電預(yù)埋→隱蔽工程驗(yàn)收→墻、柱一側(cè)鋁模板安裝→套管、對拉螺桿(拉片)安裝→另一側(cè)墻、柱模板安裝→安裝背楞→安裝斜撐→梁、板鋁模板安裝→拼裝調(diào)試、加固→矯正標(biāo)高、平整度和垂直度等控制參數(shù)→驗(yàn)收→澆筑混凝土。

鋁合金墻、柱模板的拆卸流程：拆模審批→斜撐拆除→背楞拆除→墻、柱模板拆除→背楞拆除→拉片(對拉螺桿)拆除→拉片(對拉螺桿)套管拆除→墻、柱混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)、驗(yàn)收。兩種加固體系的鋁合金模板拆除均需要遵循先裝的后拆，后裝的先拆的原則。

兩種鋁模板的加固方式不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在其加固參數(shù)不同。鋁合金模板背楞及拉片的布置與樓層的高度有十分密切的關(guān)系，對于民用建筑中樓層的高度不大于3.2 m時(shí)，拉片式加固體系其背楞設(shè)置內(nèi)為3道、外墻為4道，拉片設(shè)置為內(nèi)墻6道，外墻7道；而采用螺桿式加固體系時(shí)，其內(nèi)墻應(yīng)設(shè)置4道背楞，外墻設(shè)置5道背楞。除此之外其背楞設(shè)置還需要遵循以下規(guī)定：最下面一道背楞距地面≤300 mm，外墻的最上一層背楞距頂部≤300 mm，內(nèi)墻最上面一層背楞距頂部樓板≤800 mm，且在豎直方向上背楞的間距不大于700 mm，螺桿橫向間距不大于800 mm[3]。

3 兩種加固體系模擬分析

鋁合金墻、柱模板通常采用U400型擠壓鋁合金型材作為面板，其規(guī)格型號為400 mm×2400 mm，面板的厚度為4 mm。在實(shí)際施工過程中，通過豎向連接K板到達(dá)樓層高度。背楞的規(guī)格為60 mm×40 mm×2.5 mm矩形方管，材質(zhì)為鋼材質(zhì)，對拉螺栓式加固方式采用2根矩形管，拉片式加固方式采用1根矩形方管。當(dāng)樓層高度為3 m時(shí)，不同加固方式下的內(nèi)墻鋁合金模板背楞及拉片的設(shè)置可參考表1～表2。

表1 背楞加固方式 單位：mm

表2 拉片加固方式 單位：mm

由于K板與鋁合金墻面板的豎向連接的強(qiáng)度較高，等同于整體模板，所以在建模時(shí)可以按照整板建模。采用非線性有限元模擬軟件ABAQUS按照表3的參數(shù)構(gòu)建鋁合金模板計(jì)算模型，按照表1～2參數(shù)施加背楞、拉片(對拉螺桿)約束，按照表4定義模型鋁合金型材及背楞材料屬性。兩種加固方式的有限元模型除背楞的間距及根數(shù)不同外，其他參數(shù)均相同。根據(jù)實(shí)際工況及約束邊界條件，將模型簡化為四邊簡支彈性薄板，采用C3D20R單元對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？v向加勁肋、橫向加勁肋及背楞等焊接部位采用TIE連接替代。鋁模板板面靠近樓頂面的角點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以高度方向向下為Z軸正方向，模擬實(shí)際施工工況，將荷載簡化為三角形荷載[4]。變形計(jì)算結(jié)果見圖1～2，高度-變形曲線見圖3，寬度-變形曲線見圖4。

表3 模型參數(shù)表 單位：mm

表4 材料屬性參數(shù)表

圖1 拉片式鋁模板變形

圖2 對拉螺栓式鋁模板變形

圖3 高度-變形曲線

圖4 寬度-變形曲線

通過對兩種加固方式的模型計(jì)算分析可知，在模擬實(shí)際施工荷載作用下，兩種加固方式的鋁模板最大變形量均為0.99 mm，滿足規(guī)定的不大于1.5 mm的清水墻標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。最大變形發(fā)生鋁模板面板上，該位置距頂面距離為2 220 mm低于中點(diǎn)位置1 450 mm，符合矩形板在三角形荷載作用下的位移分布規(guī)律。從圖1可以看出，力的傳遞路徑為面板將力傳遞至縱向加勁肋；縱向加勁肋作為次梁將荷載傳遞給橫向加勁肋，三者共同作用抵抗變形?？v向加勁肋可以簡化為面板的支座，橫向加勁肋可以簡化為縱向加勁肋的支座。面板、縱、橫加勁肋均有較大的變形，且縱橫加勁肋約束面板的變形。而背楞除與端肋接觸部位有局部變形外其余部分并未有較大變形，符合實(shí)際受力特征。對比圖1～2并結(jié)合圖3可以看出，兩種加固方式的鋁模板面板寬度中線上單元的變形曲線幾乎重合，其位移云圖分布及大小均趨于一致。本模型中變量為背楞的間距及數(shù)量，該變量對鋁合金模板的變形影響可以忽略，然而背楞的鋁合金模板體系中不可或缺的部分，由此可以得出背楞的主要作用是加強(qiáng)鋁模板系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，其對鋁模板面板變形約束較小。

由圖3可以看出，在平行于Z軸的寬度中線上各單元的位移曲線整體可以分為兩端，上升段和下降段。當(dāng)高度值在[0,2 220]區(qū)間時(shí)，其曲線整體呈上升趨勢，高度值在[2 220,2 900]區(qū)間時(shí)，其曲線總體呈下降趨勢。上升段曲線較為平緩，斜率較小，下降段曲線較陡，斜率較大。這主要是由于實(shí)際施工荷載呈三角形分布，在靠近樓底面的一端較大，靠近樓頂面的一端荷載較小，距頂端的距離越大，其荷載越大，在上升段，位移隨著荷載的增大總體呈增大趨勢；當(dāng)位移增大到最大值后，由于底部的約束作用及單向板長邊對短邊的影響曲線總體呈下降趨勢。在上升段和下降段內(nèi)曲線呈波浪線，波浪線內(nèi)有波峰和波谷，結(jié)合圖1～2觀察到，峰值的位置均位于兩根橫向加勁肋之間，波浪線的波谷恰好位于橫向加勁肋的位置。波峰與波谷的橫坐標(biāo)間距為400，與橫向加勁肋的間距是一致的。縱、橫向加勁肋能夠較好起到支座作用，從而約束面板的位移。并且橫向加勁肋對面板位移的約束要強(qiáng)于縱向加勁肋。中間段上升斜率與下降斜率幾乎相等，而靠近底面的一段斜率較小，靠近底面的一段斜率較大。其主要原因是下部橫向加勁肋間距較小，頂端橫向加勁肋間距較大。

由圖4可知鋁模板在寬度方向的變形較完美地符合簡支撓度曲線模型，其主要原因是由于鋁模板面板長寬比較大，變形主要集中在短邊方向，長邊方向?qū)Χ踢叿较虻募s束較小。故而在簡化計(jì)算時(shí)可以按照單向板的理論模型劃分板帶，在板帶有效寬度范圍內(nèi)將其力學(xué)模型簡化為簡支梁模型，鋁模板的端肋簡化為面板板帶的簡支支座，其變形撓曲線符合簡支梁撓度曲線特征。曲線在橫坐標(biāo)為[0,100]區(qū)間段和[100,200]區(qū)間段對稱；其中當(dāng)橫坐標(biāo)在[102,105]區(qū)間及[142,145]區(qū)間時(shí)，變形較小，主要是由于該處為縱向加勁肋，增加了面板的厚度，該處面板的截面慣性矩增大，但是從曲線整體趨勢可以看出，縱向加勁肋對短邊方向的變形影響較小。

4 結(jié) 論

通過有限元軟件模擬工況荷載下兩種加固方式的鋁模板變形，對比實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)測數(shù)據(jù)并分析后得出如下結(jié)論。

1)就兩種加固方式的鋁模板而言，針對內(nèi)、外墻分別按照規(guī)范限定的取值范圍去布置拉片(對拉螺桿)和背楞間距，其在混凝土側(cè)壓力荷載作用下的位移均能滿足規(guī)范要求。

2)兩種加固方式的背楞主要起加強(qiáng)鋁模板體系整體穩(wěn)定性作用，鋁模板的位移形變量與背楞的間距及數(shù)量沒有直接關(guān)系，這一點(diǎn)也在大量的工程實(shí)踐中被證實(shí)。

3)縱、橫加勁肋的相關(guān)參數(shù)及拉片(對拉螺桿)的具體參數(shù)會(huì)對鋁模板體系的變形有較大影響，縱向加勁肋對短邊變形的約束作用較小，可以忽略不計(jì)，橫向加勁肋對鋁模板的形變約束作用比縱向加勁肋強(qiáng)，合理設(shè)置縱、橫加勁肋能夠有效地提高鋁模板的剛度，減小位移形變量。

[ID:012766]