鋁合金模板的力學(xué)性能有限元分析及優(yōu)化

姚偉豪，陳俊言，王立歡，孫凌峰，林貴鵬

（1.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000；2.中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑模板行業(yè)也得到了質(zhì)的飛躍。在可持續(xù)發(fā)展的宏觀戰(zhàn)略下，建筑行業(yè)對(duì)建筑材料的合理利用、綠色節(jié)能等越來(lái)越重視，使得綠色環(huán)保的模板用材應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸在建筑市場(chǎng)中推廣開來(lái)。為了在保證安全的前提下堅(jiān)持綠色建筑，最大程度減少工程成本，國(guó)內(nèi)先后出臺(tái)了多部綠色建筑和施工的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[1]，嘗試以技術(shù)政策和建筑標(biāo)準(zhǔn)的方式推動(dòng)節(jié)能、綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的建筑用材以及建筑模板行業(yè)的發(fā)展。而在眾多模板材料中，鋁合金模板具有經(jīng)濟(jì)效益好、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣、利用率高、安全性高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的混凝土澆筑模板，在建筑模板行業(yè)中有著重要的地位，其經(jīng)濟(jì)效益和綠色環(huán)保在混凝土高層建筑的未來(lái)發(fā)展中起著重要作用[2-5]。仇銘華[6]通過(guò)大量調(diào)研提出在國(guó)內(nèi)建筑發(fā)展過(guò)程中，鋁模板的重要性將會(huì)再次提高，尤其是在超高層建筑領(lǐng)域更為明顯。羅麗莎[7]對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行深入分析，認(rèn)為鋁模板與木模板相比，鋁模板在工程施工速度、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等方面有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者從多個(gè)角度證實(shí)了鋁模板在工程應(yīng)用中的優(yōu)越性，但對(duì)其在實(shí)際情況中的變形和受力情況沒有過(guò)多的關(guān)注和研究。

基于此，為了深入分析鋁合金模板在實(shí)際應(yīng)用中的受力變形情況，選擇較為合適的鋁合金模板類型，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，通過(guò)有限元數(shù)值模擬的方式分析單塊無(wú)縱肋鋁合金樓面模板、肋間面板、現(xiàn)場(chǎng)使用的鋁合金樓面模板在不同混凝土澆筑厚度下的變形情況和受力情況，為相關(guān)工程提供參考借鑒。

2 現(xiàn)用樓面鋁板概況

此次研究所選的是某城市花園項(xiàng)目里的鋁合金樓面模板，其組成包括封邊板、縱、橫肋以及薄面板，用模具一次做成封邊板與面板，之后以焊接的方式將縱肋與橫肋連接到面板上。6061-T6鋁合金為面板的材料類型，N/m2或Pa為其應(yīng)力換算單位，2700kg/m3、2500kg/m3分別為鋁合金和混凝土的質(zhì)量密度；1100mm、400mm、4mm 分別為樓面模板的長(zhǎng)、寬、厚；1084mm、11mm、10mm 為縱肋尺寸；橫肋腹厚4mm，高40mm，翼厚5mm，翼寬20mm?，F(xiàn)用鋁合金樓板具體構(gòu)造見圖1。

圖1 現(xiàn)用鋁合金樓板具體構(gòu)造

3 混凝土施工荷載計(jì)算

計(jì)算時(shí)4mm 為鋁合金面板厚度，澆筑的混凝土厚度分別取100mm 和200m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50666-2011）[8]可知，面板上所受到的施工荷載大部分來(lái)自于活荷載SQ和恒荷載SG，其中活荷載只包含施工活載Q1，恒荷載包括單位面積內(nèi)的鋼筋自重G3、混凝土自重G2、模板自重G1。組合系數(shù)和模板類型系數(shù)都定為1。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的兩種混凝土澆筑厚度下的荷載設(shè)計(jì)值見表1。

表1 兩種混凝土澆筑厚度下的荷載設(shè)計(jì)值

4 樓面模板力學(xué)性能分析

通過(guò)有限元軟件以靜力加載的方式來(lái)模擬分析單塊現(xiàn)用鋁合金樓面板和單塊無(wú)縱肋鋁合金樓面模板的力學(xué)性能，設(shè)定兩種混凝土澆筑厚度（100mm 和200mm），分別將均布荷載施加到兩種樓面板上，以此獲取混凝土均布?jí)毫ψ饔孟聝煞N模板的應(yīng)力和變形情況。

4.1 無(wú)縱肋樓面模板的變形和應(yīng)力

通過(guò)有限元軟件模擬分析無(wú)縱肋樓面模板的變形和應(yīng)力，6061-T6 鋁合金為模板材料，選擇shell181 對(duì)無(wú)縱肋樓面模板進(jìn)行建模，通過(guò)Solid 實(shí)體單元對(duì)剩余各部分進(jìn)行建模，借助Bond系列命令將各Solid 實(shí)體單元連接成一個(gè)整體，并將單元間重合的面、線、點(diǎn)進(jìn)行整合。模型中，在側(cè)板間模板橫肋是連續(xù)的，未考慮縱肋。模型邊界條件為模型周圍施加全約束，即模型在X、Y、Z 三個(gè)方向上的允許轉(zhuǎn)動(dòng)和位移值為0，X、Y、Z分別代表模板的短邊方向、長(zhǎng)邊方向和面板厚度，在對(duì)模板進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)以4mm為一個(gè)單元尺寸。當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm 和200mm 時(shí)，依次出現(xiàn)第一、第二種均布荷載作用，圖2～圖4 為得出的模板在兩種荷載作用下的變形和應(yīng)力情況。對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理得到模板的應(yīng)力、變形峰值如表2所示。

表2 模板的應(yīng)力、變形峰值

圖2 無(wú)縱肋模板變形云圖

圖3 無(wú)縱肋模板短邊方向應(yīng)力云圖

圖4 無(wú)縱肋模板長(zhǎng)邊方向應(yīng)力云圖

從圖2～圖4能夠看出兩側(cè)面板中間部位，變形最大部位處于橫肋和側(cè)板圍成的中部區(qū)域。短邊向（X 方向）的應(yīng)力峰值集中出現(xiàn)于長(zhǎng)邊側(cè)板中間位置，X方向上的應(yīng)力主要由長(zhǎng)邊側(cè)板來(lái)承擔(dān)。長(zhǎng)邊向（Y 方向）的應(yīng)力峰值集中出現(xiàn)于短邊橫肋中間位置，端肋和橫肋共同發(fā)揮作用來(lái)承擔(dān)Y 方向上的應(yīng)力。當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm 時(shí)，Y 方向上的應(yīng)力峰值要大于X 方向的應(yīng)力峰值，前者與后者相比增大了65.9%；當(dāng)混凝土澆筑厚度為200mm 時(shí)，Y 方向上的應(yīng)力峰值同樣大于X 方向的應(yīng)力峰值，前者與后者相比增大了66.5%。兩種混凝土澆筑厚度下，Y方向上的應(yīng)力峰值都比X方向高出近66.0%，長(zhǎng)邊中部受到的應(yīng)力集中比短邊中部小，從而能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)力是由短邊方向承擔(dān)的。

將混凝土澆筑在無(wú)縱肋樓面模板上時(shí)，200mm 澆筑厚度和100mm 厚度相比，前者側(cè)向變形峰值提高了46.9%，長(zhǎng)邊和短邊方向應(yīng)力峰值分別增大了47.5%和47.0%，比較后能夠得到，長(zhǎng)邊、短邊和側(cè)向變形最大值的提高幅度基本相同。

4.2 現(xiàn)用樓面模板的變形和應(yīng)力

通過(guò)有限元軟件模擬分析現(xiàn)用樓面模板的變形和應(yīng)力，模板材料同樣為6061-T6 鋁合金，其建模過(guò)程、模型單元處理方式與無(wú)縱肋樓面模板相同。同時(shí)模型邊界條件的設(shè)置、網(wǎng)格的劃分也和無(wú)縱肋樓面模板相同。當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm 時(shí)，出現(xiàn)第一種均布荷載作用；當(dāng)混凝土澆筑厚度為200mm時(shí)，出現(xiàn)第二種均布荷載作用，圖5～圖7為得出的現(xiàn)用樓面模板在兩種荷載作用下的變形和應(yīng)力情況。對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理得到模板的應(yīng)力、變形峰值如表3所示。

表3 現(xiàn)用模板的應(yīng)力、變形峰值

圖5 現(xiàn)用模板變形云圖

圖6 現(xiàn)用模板短邊方向應(yīng)力云圖

圖7 現(xiàn)用模板長(zhǎng)邊方向應(yīng)力云圖

從圖5～圖7能夠得出變形最大部位處于橫肋和側(cè)板相交圍成的中部區(qū)域。短邊向（X 方向）的應(yīng)力峰值集中出現(xiàn)于長(zhǎng)邊側(cè)板中間位置，有部分應(yīng)力分布在縱肋上，X 方向上的應(yīng)力主要由長(zhǎng)邊側(cè)板來(lái)承擔(dān)，同時(shí)縱肋也承擔(dān)了短邊方向上的部分應(yīng)力。長(zhǎng)邊向（Y 方向）的應(yīng)力峰值集中出現(xiàn)于短邊橫肋中間位置，端肋和橫肋共同發(fā)揮作用來(lái)承擔(dān)Y 方向上的應(yīng)力。當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm時(shí)，Y方向上的應(yīng)力峰值要大于X方向的應(yīng)力峰值，前者與后者相比增大了111.1%；當(dāng)混凝土澆筑厚度為200mm時(shí)，Y方向上的應(yīng)力峰值同樣大于X方向的應(yīng)力峰值，前者與后者相比增大了109.5%。兩種混凝土澆筑厚度下，Y 方向上的應(yīng)力峰值均約為X 方向的兩倍，長(zhǎng)邊中部所受到的應(yīng)力集中要比短邊中部小，從而能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)力是由短邊方向承擔(dān)的。

在無(wú)縱肋樓面模板上進(jìn)行混凝土的澆筑，200mm 厚度和100mm 厚度相比，前者側(cè)向變形峰值提高了47.6%，長(zhǎng)邊和短邊方向應(yīng)力峰值分別增大了47.4%和48.5%，比較后可知長(zhǎng)邊、短邊和側(cè)向變形最大值的提高幅度基本相同。采用同樣的方法可得到肋間面板的變形峰值和應(yīng)力峰值，肋間面板尺寸為400mm×400mm×4mm，具體數(shù)值見表4。

表4 肋間面板的應(yīng)力、變形峰值

5 結(jié)束語(yǔ)

為了深入分析鋁合金模板在實(shí)際應(yīng)用中的受力變形情況，選擇較為合適的鋁合金模板類型，本文以某城市花園項(xiàng)目里的鋁合金樓面模板為例，通過(guò)有限元數(shù)值模擬的方式分析了單塊無(wú)縱肋鋁合金樓面模板、肋間面板、現(xiàn)場(chǎng)使用的鋁合金樓面模板在不同混凝土澆筑厚度下的變形情況和受力情況，得出如下結(jié)論。

①當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm時(shí)，現(xiàn)用樓面模板應(yīng)力峰值和變形峰值分別為20.9MPa 和0.21mm，肋間面板應(yīng)力峰值和變形峰值分別為22.1MPa和0.58mm，無(wú)縱肋樓面模板的應(yīng)力峰值和變形峰值分別是21.9MPa 和0.66mm。 當(dāng)混凝土澆筑厚度為200mm 時(shí)，現(xiàn)用樓面模板應(yīng)力峰值和變形峰值分別為30.8MPa 和0.31mm，肋間面板應(yīng)力峰值和變形峰值分別為32.6MPa 和0.86mm，無(wú)縱肋樓面模板的應(yīng)力峰值和變形峰值分別是32.3MPa和0.97mm。

②當(dāng)混凝土澆筑厚度為100mm時(shí)，與肋間模板相比，無(wú)縱肋樓面模板的應(yīng)力峰值降低0.9%，變形峰值提高了近13.8%。和無(wú)縱肋樓面模板相比，樓面模板應(yīng)力峰值降低4.6%，變形峰值減小68.2%。當(dāng)混凝土澆筑厚度為200mm時(shí)，與肋間模板相比，無(wú)縱肋樓面模板的應(yīng)力峰值降低0.9%，變形峰值提高了近12.8%。和無(wú)縱肋樓面模板相比，樓面模板應(yīng)力峰值降低4.6%，變形峰值減小68.0%。

③由此可得，現(xiàn)用樓面模板能夠在很大程度上減小樓面板的變形和所受應(yīng)力大小，能夠有效地提高其安全性。并且樓面板的變形和承載能力都達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，變形最大值未超過(guò)容許變形值1.5mm，應(yīng)力最大值未超過(guò)彈性極限應(yīng)力200MPa。