新型PVC复合塑料模板体系工艺设计及数值模拟计算分析

贾晓建，刘运生，*，苗吉军，刘延春，王俊瑜

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.聊城大学 建筑工程学院，聊城 252000 )

PVC复合塑料模板在国外发达国家发展速度较快，已开发的塑料模板的品种和规格越来越多[1-2]。我国塑料模板领域经过20多年的发展也取得了较大突破，并取得了理想的使用效果[3-5]。笔者已对3种不同塑料模板体系各构件的强度、刚度进行了理论分析[6]；本文提出了一种铝合金框PVC复合塑料模板施工工艺设计，并针对现场试验结果统计实测数据；最后，对3组塑料模板体系进行数值建模计算分析。研究发现，各组模板体系相关构件应力远小于规范[7]容许值要求，在混凝土浇筑及内部振捣过程中不会发生跑模、胀模等不良施工现象，具有很好的整体稳定性，符合规范[7]要求，可以大规模应用到实际建筑活动当中。

1 工艺设计

本文以实际工程项目为研究对象，结合PVC复合塑料模板的施工总体思路、工艺流程、关键技术要点及注意事项等进行全面分析，详细论述了PVC复合塑料模板在建筑工程中的工艺设计。并以多个工程项目为背景，对PVC复合塑料模板的配套施工体系等关键问题进行了系统研究，丰富了PVC复合塑料模板的应用理论。在总结前人的基础上设计了一套铝合金框PVC复合塑料模板施工工艺，主要包括前期准备、模板装配、调整校核、模板拆除4个阶段。

1.1 前期准备阶段

首先针对施工条件和图纸要求计算模板用量，制定模板应用方案。支模时清理模板底部位置，露出下层密实混凝土，并用水浸湿。模板吊装时清理模板表面污垢及杂物，保证拆模后构件表面的整洁。为确定剪力墙位置，提前进行弹线定位，保证模板安装过程中底部位置正确不发生偏移。混凝土浇筑前，应对钢筋进行校正，保证混凝土浇筑完成后混凝土与钢筋间距符合最小保护层要求。剪力墙模板搭设时，应提前做好底部找平工作，保证剪力墙模板安装误差在规定范围内。此外，还应将模板与楼地面接合处用砂浆封闭，防止发生混凝土漏浆现象。

1.2 模板装配阶段

模板拼装时将各模板单元按事先编号通过预留销钉孔进行连接，连接后通过工具将销钉与销片楔紧，拼装成完整铝合金框PVC复合塑料模板体系。拼装时应注意销钉与销片楔紧程度，太松会降低各模板单元连接强度，太紧会增大拆模难度。模板拼装完成后，需要在外侧安装水平方管，对剪力墙模板进行进一步加固与约束。安装时由于底部荷载较大，在底部设置方管间距较小，上部方管间距应适当增大。铝合金框PVC复合塑料模板体系最主要特点是将模板划分为不同模块单元，由于单元较多，各单元连接处接缝数量也相对较多，接缝口约束较弱，应在接口处增设方管，加强约束作用。

1.3 调整校核阶段

利用线锤校正剪力墙模板垂直度，用拉筋固定剪力墙模板位置。拉筋上端固定在剪力墙高2/3处，下端固定在楼板上，拉筋与地面交角以60°为宜，拉筋延长线通过剪力墙模板板中心。拉筋上带花篮螺丝，以调整垂直度。模板垂直度校正完毕后进行混凝土浇筑工作，混凝土浇筑及振捣时，要注意模板位置是否发生偏移，一旦发生偏移要及时做出调整。

1.4 模板拆除阶段

当剪力墙混凝土达到规定拆模强度时，可开始拆模工作。首先拆除模板周围拉筋，其次拆开方管，由上到下拆卸销钉、销片。将各模板单元拆下后，及时清理模板单元表面。拆开的模板应注意严禁摔撞；拆模后，应对模板表面进行检查，如发现翘曲、变形，应及时对破损的板面进行修补。

2 数值模拟分析

2.1 建模分析

根据不同塑料模板体系进行数值模拟分析，模型参数设置中，PVC复合塑料模板弹性模量定义为2520 N/mm2，泊松比为0.3；规格化铝合金框弹性模量定义为700 000 N/mm2，泊松比为0.33；木楞弹性模量定义为9500 N/mm2，泊松比为0.2；紧固件弹性模量定义为206 000 N/mm2，泊松比为0.25。

各组塑料模板体系各构件均采用实体单元进行分析，定义荷载时，将混凝土浇筑过程等效为三角形荷载，采用静水压力进行荷载布置，各模型底端为峰值荷载，顶端荷载设置为零。边界条件设置时，各模板体系顶端、底端采用固定约束，不发生位移。模板与铝合金框之间、模板与木楞之间、木楞与紧固件之间等接触均设置为绑定约束。3组塑料模板体系模型如图1所示。

图1 3组塑料模板体系模型

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系数值模拟结果

规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系主要由模板、木楞、铝合金框、紧固件4部分装配而成，综合考虑模板出厂尺寸与现浇混凝土柱尺寸，将基础模板单元尺寸设置为915 mm×1000 mm×15 mm，整体柱模板由基础模板单元搭设而成，面板及木楞有限元分析如图2—3所示。

图2 规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系面板有限元分析

图3 规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系木楞有限元分析

数值模拟结果表明：规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系面板最大应力处位于阴角四周模板搭接处，产生这种现象的主要原因是由于该位置缺乏有效约束，背楞及紧固件约束力由面板中间向四周逐渐减弱，模板与模板之间靠销钉将铝合金框连接，两模板交界处为约束薄弱点，因此阴角四周模板搭接处应力最大。木楞最大应力处于柱最底端，主要原因有：①最底端设置了固定约束，即不能产生任何方向位移矢量；②最底端混凝土对模板侧压力最大。面板及木楞最大挠度均位于模板下方1/3处，主要原因是由于模板底端设置了固定约束挠度为0，又由于混凝土对模板侧压力由上至下逐渐加强，因此在模板下方1/3处挠度最大。

2.2.2 散拼散装实心PVC复合塑料模板体系数值模拟结果

散拼散装实心PVC复合塑料模板体系主要由模板、木楞、紧固件3部分装配而成，面板及木楞有限元分析如图4—5所示。

图4 散拼散装实心PVC复合塑料模板体系面板有限元分析

数值模拟结果表明：散拼散装实心PVC复合塑料模板体系面板、木楞最大应力位于柱最底端位置，主要由于散拼散装体系木楞为一体化通长设置，对模板搭接及阴角处约束较强，不存在约束薄弱位置，再加上底端水平侧压力最大以及底端设置固定约束，使得面板、木楞最大应力处位于柱最底端；面板及木楞最大挠度均位于模板下方1/3处，主要原因同规格化铝合金框PVC复合塑料模板体系一致，此处不再赘述。

图5 散拼散装实心PVC复合塑料模板体系木楞有限元分析

2.2.3 散拼散装空心PVC复合塑料模板体系数值模拟结果

散拼散装空心PVC复合塑料模板体系由模板、木楞、方管3部分装配而成，面板及木楞有限元分析如图6—7所示。

图6 散拼散装空心PVC复合塑料模板体系面板有限元分析

图7 散拼散装空心PVC复合塑料模板体系木楞有限元分析

数值模拟结果表明：散拼散装空心PVC复合塑料模板体系面板最大应力位于对拉螺栓孔位置，混凝土剪力墙浇筑过程中对拉螺栓对墙体模板约束较大，墙体挠度变形约束很大程度由对拉螺栓提供，因此，在各个对拉螺栓孔位置应力增长较为明显。木楞最大应力处位于柱最底端，面板及木楞最大挠度均位于模板下方1/3处，主要原因如前2组模板体系分析所述。

2.3 塑料模板体系数据对比分析

将各塑料模板体系实测值、数据模拟值进行分析，具体见表1所示。

表1 不同塑料模体系实测值、数值模拟值、容许值对比

综合分析塑料模板体系实测结果、数值模拟结果，两者数值较为接近，在误差允许范围之内，说明本研究试验设置合理，建模分析正确。通过实测数据可知，模板与木楞均远低于规范容许值[7-9]，说明各塑料模板体系实际工作过程中处于可控状态，在混凝土浇筑及内部振捣过程中不会发生跑模、胀模等不良施工现象，具有很好的整体稳定性，现场应用情况良好。

3 结论

1) 3种塑料模板体系各项数值均低于规范规定的容许值，符合施工需要，说明塑料模板可以满足不同施工体系，达到不同施工情况下的差异性要求，具有较强适应性。

2) 运用铝合金框PVC复合塑料模板施工工艺进行施工时，拆模后构件成型质量较好，在大幅度简化工艺操作流程、减轻施工强度的同时，还能大大缩短施工工期，值得在实际生产生活中大规模推广使用。