基于有限元方法的铝合金模板受力分析

孙 思 为

(广州市地下铁道总公司，广东 广州 510030)

基于有限元方法的铝合金模板受力分析

孙 思 为

(广州市地下铁道总公司，广东 广州 510030)

基于ANSYS平台，采用三种方法建立某型号单块墙模板的有限元模型，模拟了混凝土浇筑时铝合金模板的应力情况，并对有限元分析结果与简化计算结果进行了检验，得出有限元计算可对规范中设计方法进行校核的结论。

铝合金模板，有限元分析，挠度

1 概述

建筑工程所采用的混凝土浇筑方式大体相同，但在模板的使用方面存在一定差异。很多施工技术水平相对落后的地区和建筑单位，木模板的应用十分广泛。随着技术水平的不断进步，竹制模板，塑料模板先后得到了一定程度的应用，但由于其资源消耗量大，重复利用率低的弊端而逐渐被抛弃[1]。钢制模板大大减少了对木材等资源的消耗，并在一定程度上加快了施工速度，但钢制模板自重大，对垂直运输体系依赖大，操作不方便，易锈蚀等缺点影响了其推广[2]。铝合金模板系统是一种新型的模板系统，自1962年在美国诞生以来，已经有50多年的历史[3]，它的出现，解决了传统模板的各种弊端，因其自重轻、装配周转方便、结构成型效果好，在美国、加拿大等国已经成功推广10年，在我国香港、澳门等地区也得到了广泛应用。

建筑模板的设计一般采用相关的力学理论进行简化计算，这种计算方法可以方便的对单模板进行设计，但由于铝合金模板的质量较轻，其体系的整体受力性能应当成为更受关心的问题，因此需要对其进行整体的有限元建模分析。

有限元法是一种对结构静、动态力学性能等问题求解的数值解法，常采用计算机软件来求解。ANSYS是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。可广泛用于土木工程、航天航空、机械制造、轻工能源等一般工程分析和科学研究中[4]。

本文基于ANSYS平台，使用三种方法建立某型号单块墙模板的有限元模型，模拟混凝土浇筑时铝合金模板的应力情况，并检验有限元分析结果与理论计算的吻合程度。

2 铝合金模板的简化计算

某模板工程标准层层高2.8 m，墙厚200 mm。混凝土墙体模板采用铝合金模板组拼，背楞采用钢背楞，M16穿墙螺丝，墙体高度2.8 m。混凝土墙体模板长度2 775 mm，宽400 mm。

2.1 混凝土侧压力计算

新浇混凝土侧压力计算公式为下式中的较小值[5]：

F=0.22γct0β1β2V

(1)

F=γcH

(2)

式中：F——新浇筑混凝土对模板的最大侧压力，kN/m2；γc——混凝土的重力密度，kN/m3；V——混凝土的浇筑速度，m/h；t0——新浇混凝土的初凝时间，h，可按试验确定。当缺乏试验资料时，可采用t0=200/(T+15)(T为混凝土的温度，℃)；

β1——外加剂影响修正系数。不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度影响修正系数。当坍落度小于30 mm时，取0.85；坍落度为50 mm～90 mm时，取1.00；坍落度为110 mm～150 mm时，取1.15；

H——混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，m。混凝土侧压力的计算分布图形如图1所示，图中，h=F/γc，h为有效压头高度。

由式(1)和式(2)得：

F1′=γcH=25×2.8=70 kN/m2。

采用新浇混凝土侧压力标准值F1=31.63 kN/m2。倾倒混凝土时产生的荷载标准值F2=4.0 kN/m2。

因此，荷载组合为：

F=1.2×G4k+1.4×Q3k=1.2×31.63+1.4×4=43.56 kN/m2，有效压头高度为：h=F/γc=43.56/25=1.74 m。

其他计算参数为：弹性模量70 000 N/mm2，铝合金密度2 700 kg/m3，泊松比取0.330，铝板厚度4.00 mm。侧压力分布图见图2。

2.2 墙身铝板挠度验算

铝板为四周支撑的双向板，最大计算尺寸为400 mm×300 mm。双向板挠度计算公式：

按四边固定板计算[6]：

由l01/l02=300/400=0.75 查表得f=0.001 97。

3 有限元模型及计算结果

本文对计算的铝合金墙模板使用通用有限元软件ANSYS建立三种有限元模型[7]，第一种为实体单元，采用Solid186单元；第二种和第三种均为梁壳单元，边框和背楞采用Beam188单元，铝合金模板采用Shell63单元，第三种考虑梁偏置，三种有限元模型的边界条件均为沿边框的三向铰支约束和沿底边的竖向约束。模拟结果见图3～图5。

从图3～图5的变形图可知铝合金墙模板变形分别为1.43 mm，1.84 mm及1.76 mm，采用梁偏置方法的有限元建模与计算结果较为吻合。

4 有限元模拟中的注意事项

1)在采用实体单元的有限元模型时，需采用具有中间节点的实体单元，如本计算中所用到的Solid186单元，若采用Solid185单元会造成较大的计算误差；

2)在采用梁壳单元的有限元模型时，最好采用梁偏置方法建模，该方法通过不断的转换工作平面确定梁截面的形状及位置，尽管相对于一般的通过关键点—线—面建立的梁壳单元模型该方法工作量较大，但建模思路更为清晰，更加符合模板实际情况；

3)若采用一般的通过关键点—线—面建立梁壳单元有限元模型时，边框和横肋的惯性矩应使用平行移轴公式进行惯性矩等效，并保持等效前后的截面面积相等。在不建立节点约束方程时，梁壳单元划分要保证共用节点。

5 计算结果及讨论

从上述简化计算结果及有限元分析结果中可以看出，有限元计算可作为简化计算的辅助方法应用到模板设计中，可以得到较为准确的结论，并可作为对规范中设计方法的校核。在进行有限元计算时，应采用多种不同方式建立有限元模型进行对比验证。

[1] 蒋 剑.铝合金模板在高层房屋建筑施工中的应用[J].新建设:现代物业上旬刊，2012(4):42-43.

[2] 王永好，李奇志.全铝合金模板在某超高层建筑施工中的应用[J].施工技术(下半月)，2012(11):35-37.

[3] 戴桂扬.铝合金模板在建筑施工中的应用[J].中国住宅设施，2013(10):51-53.

[4] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2005.

[5] JGJ 162-2008，建筑施工模板安全技术规范[S].

[6] 《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册[M].第2版.北京:建筑工业出版社，2001.

[7] ANSYS User’s Guide,ANSYS.Inc.,2010.

ForceanalysisonalloyaluminumformworkbasedonFEMmethod

SUNSi-wei

(GuangzhouMetroCorporation,Guangzhou510030,China)

Based on ANSYS platform, the paper adopts three methods to establish some finite element model of the single block wall, simulates the stress of the concrete grouting on the alloy aluminum, inspects the finite element analysis results and the simplified calculation results, and points out the finite element calculation can check the design methods according to the regulation.

alloy aluminum formwork, finite element analysis, deflection

1009-6825(2014)14-0061-03

2014-03-01

孙思为(1987- )，女

TU755.2

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