鋁合金模板有限元分析

歐海湖，王奕博，陳文龍, 彭家偉

[摘要]結(jié)合鋁合金模板在實際工程中的應(yīng)用情況，基于有限元模擬軟件對工程中使用的三種鋁合金模板進行建模，進行單向靜力荷載試驗?zāi)M，研究各模板的變形特點和受力情況，分析模板應(yīng)力分布，定量給出鋁模板的變形值，為實際施工工程提供依據(jù)和建議。結(jié)果表明，鋁模板受力最大處和變形最大處均為模板的中下部，在施工過程中應(yīng)加強對重點部位的關(guān)注。

[關(guān)鍵詞]鋁合金； 墻柱模板； 有限元； 變形； 應(yīng)力

[中國分類號]TU755.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

木模板自重輕、易安裝，但損耗大，影響混凝土澆筑質(zhì)量。隨著綠色發(fā)展理念的推進，行業(yè)逐漸開始在建筑施工中使用不同的模板，如全鋼模板、鋼框模板、塑料模板、鋁合金模板等，全鋼模板強度高但自重大，需要依賴機械吊運，不利于控制施工工期，經(jīng)濟效益差［1］。塑料模板強度低，在高溫條件下易變形。鋁合金模板剛度大、強度高、耐腐蝕、重復(fù)利用率高，在保證混凝土澆筑質(zhì)量的條件下，符合節(jié)能降耗和綠荷建筑的要求［2-3］。

已有許多學者對鋁合金模板及支撐體系進行了試驗和有限元研究。李欣宜［4］對9個鋁合金試件進行單向拉伸試驗，得到鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。秦龍［5］對鋁合金模板進行了單向集中荷載下的靜力試驗，和有限元軟件模擬，驗證了通過有限元軟件可以準確模擬出鋁合金模板在施工狀態(tài)下的受力情況和變形特點。本文結(jié)合四川蜀渝公司在鉆前方井模板工程對鋁合金模板的實際使用情況，對單塊鋁合金模板的受力性能和變形情況進行模擬和分析，通過數(shù)據(jù)分析得到模板最大變形的定量值，找出鋁模板較為薄弱的地方，為實際模板工程的施工和管理提供依據(jù)。

1試件概況

1.1試件設(shè)計

根據(jù)四川蜀渝建筑安裝公司在實際工程中擬定的鉆前工程配模方案，確定選用的基礎(chǔ)款的豎向模板初設(shè)計尺寸為2 700 mm×200 mm、2 700 mm×350 mm、2 700 mm×400 mm 3種規(guī)格（表1）。其中鋁合金端板、面板厚度均為4 mm，橫肋與縱肋厚度均為3 mm，高度40 mm。橫肋間距300 mm。寬度為200 mm的模板不設(shè)置縱肋；寬度為300 mm的模板居中設(shè)置一根縱肋；寬度為400 mm的模板等距設(shè)置2根縱肋。

1.2模板荷載簡化計算

方井模板工程層高2.7 m，墻厚200 mm。混凝土墻體模板采用鋁合金模板組合拼接，通過鋼背楞和對拉螺桿加固。墻體高度2.7 m。依據(jù)GB 50666-2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》規(guī)定［6］，模板變形驗算可僅采用永久荷載標準。采用插入式振動器且澆筑速度不大于10 m/h、混凝土坍落度不大于180 mm時，新澆筑混凝土對模板的側(cè)壓的標準值，可按式（1）、式（2）分別計算，并應(yīng)取其中的較小值。

F=0.28γct0βV12（1）

F=γcH（2）

式中： F為新澆混凝土側(cè)壓力計算值，（kN/m2）；γc 為混凝土的重力密度，（kN/m3）； （新澆混凝土結(jié)構(gòu)自重標準值：24 kN/m3）;V為澆筑速度，（m/h，取值5 m/h）;t0為新澆混凝土的初凝時間，（h）； （取5 h）β為坍落度影響修正系數(shù)； H為混凝土壓力計算位置處至混凝土頂面的總高度。

模板側(cè)壓力隨高度分布見圖1，圖中h=F/γc。

經(jīng)式（1）計算：

F=0.28×24×5×0.9×51/2=67.6187 kN/m2

經(jīng)式（2）計算：F=24×2.7=64.8 kN/m2。

因此模板側(cè)面最大荷載取值64.8 kN/m2，h=H，荷載為三角形分布。

2有限元模型

2.1模型建立

ABAQUS具有強大的分析能力，能夠分析各種復(fù)雜的系統(tǒng)和解決高度非線性問題。本文使用有限元模擬軟件對鋁合金模板進行建模，采用靜力學方法進行非線性分析。

2.1.1部件和屬性

鋁合金模板主要由面板、端板、加勁肋組成，在有限元中采用C3D8R實體單元對鋁模板各部分進行建模，該單元類型具有8個節(jié)點。通過拉伸和切削功能建立模型實體。模型的材料基本屬性為：彈性模型70 000 N/mm2，密度2 700 kg/m3，泊松比0.3，屈服應(yīng)力200 MPa。

2.1.2相互作用和邊界條件

在實際工程中，模板面板與端板和加勁肋之間采用焊接連接。在有限元模擬軟件中，采用“Tie”約束命令模擬焊接。為了更真實地模擬模板在施工過程中的狀態(tài)，鋁模板的約束方式采用四邊簡支約束。根據(jù)模板在工程中的實際受力情況，通過在ABAQUS中建立分析場來施加三角形分布荷載于模板面板上，頂部荷載值為零，由上往下逐漸增大，底部荷載為最大值。根據(jù)1.2節(jié)計算結(jié)果，荷載最大值為64.8 kN/m2。

2.1.3網(wǎng)格劃分

在進行網(wǎng)格劃分時，由于加勁肋橫縱相接，較為復(fù)雜，手動切分模型后使用掃掠技術(shù)劃分模板網(wǎng)格。經(jīng)過反復(fù)計算，網(wǎng)格大小為3 mm時，計算結(jié)果最準確。

2.2計算結(jié)果分析

圖2為鋁合金模ALU-1在標準荷載下的變形云圖與應(yīng)力云圖。變形云圖為試件在面外方向的位移情況。根據(jù)變形云圖，模板一共為九跨，每跨的最大變形處為面板中心處。模板的最大變形處為第九跨面板處，最大變形為10.32 mm，小于構(gòu)件跨度的1/250［7］。而模板上部幾乎沒有變形。與變形云圖變化趨勢一致，模板應(yīng)力由上至下逐漸增大。模板的最下部橫肋為受力最大處，應(yīng)力最大為22 MPa，遠小于材料屈服強度。單塊構(gòu)件符合施工標準。

圖3為鋁合金模板ALU-2的有限元計算結(jié)果云圖。模板面板的變形沿縱肋對稱分布。從第一跨至第九跨，面板變形逐漸增大，最大變形處為第九跨兩側(cè)面板中心處，最大面外位移為5.69 mm，小于構(gòu)件跨度的1/250。模板第八跨與第九跨橫縱肋交界處以及橫肋與短板的連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。最大應(yīng)力170 MPa，遠小于材料屈服應(yīng)力。縱肋的設(shè)置分擔了一部分荷載，有效地約束了面板的面外變形。

圖4為鋁合金模板ALU-3的計算結(jié)果。由變形云圖，鋁模板的兩側(cè)面板的變形情況幾乎一致，略大于同跨中間的面板變形。從上到下面板變形逐漸增大，變形最大處為第九跨兩側(cè)的面板，面板面外變形為2.03 mm，小于規(guī)范限值。根據(jù)應(yīng)力云圖，應(yīng)力主要集中在橫縱肋，每根橫肋的中部以及橫肋與端板的連接處應(yīng)力較大。最大應(yīng)力為77 MPa，遠小于材料本身的強度。

3結(jié)論與建議

本文研究了在方井工程中實際使用的不同尺寸的鋁合金模板在標準荷載下的變形和受力情況。經(jīng)有限元計算分析，本工程采用的鋁合金模板能夠滿足施工要求，確保施工質(zhì)量與安全。對于不設(shè)置縱肋的鋁合金模板，其最大變形處為最后一跨面板中心處，應(yīng)力最大處為最下部橫肋中間。對于設(shè)置一根縱肋的鋁合金模板，變形最大處為鋁合金模板的最后一跨兩側(cè)面板中心，應(yīng)力大處為鋁合金模板最下部橫與縱肋的相交處。對于設(shè)置2根縱肋的模板，變形最大處為最后一跨的兩側(cè)面板中心，應(yīng)力最大處為最下部橫肋中間?？v肋的設(shè)置能夠限制鋁模板面板的面外變形。

針對鋁合金模板在工程中的受力特點，鋁模板在現(xiàn)場應(yīng)整齊堆放，避免磕碰產(chǎn)生變形，影響混凝土澆筑效果。施工過程中，應(yīng)加強鋁合金模板中下部的變形監(jiān)測情況，施工完成后應(yīng)避免暴力拆模損傷模具減少鋁合金模板重復(fù)使用率。

參考文獻

［1］朱廣元， 李華東. 淺談我國建筑模板現(xiàn)狀及發(fā)展［J］. 四川建筑， 2022， 42（1）： 36-38.

［2］張銳， 邱仁斌， 許超. 鋁合金模板優(yōu)缺點分析［J］. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2013（14）： 46-47.

［3］邵廣鑫. 鋁合金模板在建筑工程中的應(yīng)用及其經(jīng)濟效益分析［J］. 建設(shè)科技， 2013（10）： 75-77.

［4］李欣宜. 鋁合金材料性能及人行橋梁工程的應(yīng)用研究［D］. 南寧： 廣西大學， 2018.

［5］秦龍. 建筑鋁合金模架體系變形與承載力及可靠度的研究［D］. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2014.

［6］混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范： GB 50666-2011［S］.

［7］國家行業(yè)標準.組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程： JGJ386-2016［S］.