鋁合金頂板模板設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究

屈創(chuàng) ，李東明，彭剛，湯婷婷，宋鵬程 ，黃俊旗

（1.安徽同濟(jì)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000；2.合肥科技職業(yè)學(xué)院建筑工程系，安徽 合肥 231201；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

建筑模板的合理使用對(duì)于保證施工安全和質(zhì)量、降低工程成本都有較為重要的作用[1]。木模板是我國(guó)常用的建筑模板類型，該類模板制作速度快、易脫模，但隨著模板需求量的增加，易造成森林資源的浪費(fèi)[2]。因此研究者逐漸將研究重心轉(zhuǎn)向金屬模板，其中，全鋼模板是目前較為常用的金屬模板，由于鋼材較高的彈性模量，該類模板施工時(shí)的板面平整度高于木質(zhì)模板，但其存在自重大的缺陷，易增加安裝與拆除難度，該缺陷嚴(yán)重限制了全鋼模板在實(shí)際工程中的應(yīng)用與發(fā)展。

為解決全鋼模板自重大的問(wèn)題，鋁合金模板于1972年被學(xué)者提出并進(jìn)行了應(yīng)用。該類模板具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度與剛度高、安裝拆卸方便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，具備較大的工程應(yīng)用潛力。但即便目前，我國(guó)鋁合金模板的工程應(yīng)用還處于起步階段，為提高鋁合金模板的應(yīng)用率，眾多學(xué)者對(duì)鋁合金模板的受力性能和施工過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開展了研究[3-8]，但目前針對(duì)鋁合金模板的肋板優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文旨在研究鋁合金頂板模板中優(yōu)化的縱橫肋板設(shè)計(jì)參數(shù)。首先基于實(shí)際工程所用的鋁合金頂板模板建立三維有限元模型，通過(guò)變換縱橫肋板的數(shù)量進(jìn)行參數(shù)分析，通過(guò)分析對(duì)比各參數(shù)下模板最大變形，并結(jié)合所用縱橫肋所需鋁合金體量，提出最優(yōu)化的鋁合金縱橫肋板設(shè)計(jì)方法供實(shí)際工程參考。

1 工程概況與鋁合金模板介紹

所基于的工程項(xiàng)目為合肥蜀山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)鄧店村安置小區(qū)項(xiàng)目，位于合肥市蜀山區(qū)蜀山湖路與萬(wàn)澤路交口。該項(xiàng)目的施工采用了鋁合金模板體系，模板的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含墻板模板體系、頂板模板體系、梁板模板體系、柱模板體系、樓梯模板體系以及其他細(xì)節(jié)。本文主要針對(duì)其頂板模板體系開展研究。其中頂板模板型材如圖1，頂板模板型材寬度為500mm，長(zhǎng)度為1200mm，高度為65mm，鋁合金面板厚度為3.5mm，肋板厚度為5mm。根據(jù)模板生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)，該類鋁合金材料彈性模量為69GPa，屈服強(qiáng)度為220MPa，抗拉強(qiáng)度為260MPa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。

圖1 鋁合金頂板模板

2 有限元模型的建立

2.1 單元選擇與邊界條件

利用通用有限元軟件ABAQUS，對(duì)前述鋁合金頂板模板型材建立三維有限元模型。采用了ABAQUS單元庫(kù)中的三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（C3D8R）模擬鋁合金材料。單元尺寸設(shè)置為30mm。典型有限元模型如圖2所示。其中，橫肋板、縱肋板與鋁合金面板以及側(cè)肋采用綁定約束（Tie），即不考慮上述組件的相對(duì)滑移。在加載分析過(guò)程中，鋁合金模板縱向端部節(jié)點(diǎn)均約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度（即圖2中UX=UY=UZ=0），在鋁合金面板上施加均布荷載，荷載大小參考文獻(xiàn)[9]取值為45kN/m2，采用力控制方法進(jìn)行逐級(jí)加載。

圖2 有限元模型

2.2 材料定義

鋁合金材料性能定義采用生產(chǎn)廠家所提供的材料性能數(shù)值，基于Von-Mis-es破壞準(zhǔn)則，按照彈性-理想塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行輸入，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如圖3所示。

圖3 鋁合金材料性能定義

3 參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 參數(shù)分析設(shè)計(jì)工況

本文主要以縱橫肋板的數(shù)量為研究參數(shù)進(jìn)行有限元分析，分別考慮了縱橫肋板數(shù)量為0、1、2、3的設(shè)計(jì)工況，因此，參數(shù)分析共包含16種設(shè)計(jì)工況。其中，縱橫肋板均假定為截面高度60mm、寬度30mm、厚度5mm的鋁合金C形槽。所分析的模型如表1所示。表1中，所分析的設(shè)計(jì)工況模型命名為“S-A-B”，其中，字母“A”代表縱肋板的數(shù)量，字母“B”代表橫肋板的數(shù)量，即S-1-2中包含1個(gè)縱肋板與2個(gè)橫肋板。

所分析的有限元模型 表1

3.2 縱肋板數(shù)量影響分析

在不設(shè)置橫肋板時(shí)，不同縱肋板數(shù)量下鋁合金頂板模板變形云圖如圖4所示，從圖中可以看出：①縱肋板設(shè)置與否對(duì)于鋁合金面板最大變形影響較大，在無(wú)縱肋板時(shí)候（S-0-0），鋁合金面板最大變形為21.82mm，當(dāng)設(shè)置一個(gè)縱肋板時(shí)（S-1-0），鋁合金面板最大變形顯著降低至5.951mm，減小了15.869mm；②在有縱肋板的情況下，縱肋板的增加亦可減少鋁合金面板最大變形，但減小幅度不高，即當(dāng)縱肋板數(shù)量增加至2個(gè)（S-2-0）以及3個(gè)（S-3-0）時(shí)，鋁合金面板最大變形相較S-1-0僅分別降低了2.763mm與3.588mm；③頂板模板最大變形為肋板之間鋁合金面板的局部變形，該處局部變形的抑制尚需加設(shè)橫肋板。

圖4 不同縱肋板下頂板模板變形云圖（單位：mm）

3.3 橫肋板數(shù)量影響分析

在不設(shè)置縱肋板時(shí)，不同橫肋板數(shù)量情況下鋁合金頂板模板變形云圖如圖5所示，從圖中可以看出：①橫肋板設(shè)置與否對(duì)于鋁合金面板最大變形亦有較大影響，設(shè)置一個(gè)橫肋板（S-0-1）時(shí)，即可將最大變形降低12.99mm；②在有橫肋板的情況下，通過(guò)增加橫肋板數(shù)量，鋁合金面板最大變形降低幅度十分有限，當(dāng)縱肋板數(shù)量增加至2個(gè)（S-0-2）以及3個(gè)（S-0-3）時(shí)，鋁合金面板最大變形相對(duì)于S-0-1僅分別降低了0.667mm與1.873mm；③變形最大部位位于橫肋板之間鋁合金面板的局部變形，該處局部變形的抑制尚需加設(shè)縱肋板。

圖5 不同橫肋板下頂板模板變形云圖（單位：mm）

3.4 縱橫肋板混合布置影響分析與設(shè)計(jì)建議

考慮到僅布置縱肋板或橫肋板的情況均無(wú)法有效抑制鋁合金面板較大的局部變形，本文進(jìn)一步針對(duì)縱橫肋板混合布置的方法進(jìn)行了研究。圖6為鋁合金頂板模板最大變形與縱橫肋板數(shù)量關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在設(shè)置一個(gè)縱肋的基礎(chǔ)上，布置一個(gè)橫肋可進(jìn)一步使頂板模板最大變形降低2.689mm，然而，進(jìn)一步增加縱橫肋板的數(shù)量，其最大變形的降低程度極小。圖7為S-1-1以及S-2-1的變形云圖，從圖中可以看出，頂板模板的變形較為均勻，模板最大變形處基本與縱肋板最大變形數(shù)值一致，橫肋的布置對(duì)面板的局部變形起到了有效的抑制作用。在綜合考慮肋板用鋁量的基礎(chǔ)上，本文建議采用單個(gè)縱肋與橫肋混合布置的方法（即S-1-1）進(jìn)行該鋁合金頂板模板的設(shè)計(jì)。

圖6 頂板模板最大變形與縱橫肋數(shù)關(guān)系曲線

圖7 縱橫肋板混合布置下頂板模板變形云圖（單位：mm）

4 結(jié)論

本文基于已有工程實(shí)際中所用鋁合金頂板模板建立三維有限元模型，通過(guò)變換縱橫肋板的數(shù)量，對(duì)于特定荷載下該鋁合金頂板模板的變形進(jìn)行了參數(shù)分析，所得主要結(jié)論如下：

①相比未設(shè)置縱橫肋板的工況，單縱肋板以及單橫肋板的工況可以有效減少模板的最大變形數(shù)值，但同類型肋板的增加對(duì)于進(jìn)一步減小肋板變形的效果極其有限；

②在僅設(shè)置縱肋板或橫肋板的工況下，鋁合金模板的最大變形為鋁合金面板的局部變形；

③在綜合考慮用鋁量的基礎(chǔ)上，本文建議采用單縱肋板與單橫肋板混合布置的方法用于該類鋁合金模板的設(shè)計(jì)中。