基于精細化有限元分析模型的塑料模板力學性能分析

馮躍輝 陳亞麗 程 驥 龔晉德 辛化文

1. 浙江省建工集團有限責任公司 浙江 杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集團）有限公司華東分公司 浙江 杭州 311200

隨著建筑技術的快速發展和人們環保意識的提高，建筑材料也在逐漸向著綠色產業調整，以塑代木、以塑代鋼已成為建筑業發展的趨勢。模板技術直接影響工程建設的質量、造價和效益，因此是推動我國建筑技術進步的一個重要內容。

目前，國內外用于建筑施工的模板種類較多[1]，有木質膠合模板、鋼模板、鋁合金模板、塑料模板等。低質、低效的木模板現鋸、現配和零散支拆的手工操作，存在著高物耗、高能耗、產生大量垃圾、污染環境等問題。全鋼模板解決了木材的損耗問題，在一定程度上加快了施工速度，但全鋼模板自重大，對垂直運輸體系依賴大，操作不方便。自重輕、裝配周轉方便的鋁合金模板解決了該問題，但其造價高，脫模效果不理想，模板易變形。我國提倡綠色建筑、綠色施工[2]，從發展綠色建筑和生態文明建設的要求出發，發展塑料模板體系是建筑施工向綠色施工方向發展的迫切要求。常規板式塑料模板是節約木材和鋼材的一個重要途徑，具有質量輕（10～12 kg/m2）、設計一次成形、精度高、裝拆簡單易學、節約勞動力、循環使用次數多、均攤成本低、應用范圍廣、吸水率低、防潮性好以及耐磨性強等諸多優點，因此在建筑施工中的應用越來越廣泛[3-5]，且塑料模板成功應用的案例較多。但作為一種新型模板體系，塑料模板的性能尚未被廣泛熟知，項目上沒有足夠的施工經驗，搭設時僅憑借傳統模板施工經驗的現象普遍存在，且目前的塑料模板仍存在強度和剛度較小的問題[6]。

1 工程概況

某工程建設地點為蕭山區風情大道與濱康路交會處西南側，包括1#、2#、3#、6#樓及2層地下室工程。建筑總面積約126 100 m2。地下2層，地上34層。地上為剪力墻結構，地下為框架、框剪（主樓部分）結構。本工程投入的模板用量較大，由于塑料模板具有循環使用次數多、可回收等特點，故本工程1#、2#、3#、6#樓采用塑料模板體系。

在應用塑料模板體系的混凝土施工過程中，一般先安裝架設塑料模板，然后再澆筑混凝土，因此研究施工階段，特別是在混凝土澆筑過程中塑料模板的安全性能非常重要[7-8]。

2 施工過程中的塑料模板模擬分析

施工期間的塑料模板受力會因施工進度和工藝的不斷變化而處于動態變化狀態，相應的力學分析屬于復雜的時變力學領域，本文在建立有限元分析模型時，采用了以下假定：

1）施工階段的塑料模板始終處于彈性階段。

2）不考慮濕混凝土與塑料模板之間的摩擦，流態混凝土只傳遞液壓力。

3）濕混凝土作用在塑料模板上的荷載標準值根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》附錄A計算所得。

4）混凝土澆筑工藝的動態影響暫不考慮，例如采用高位拋落澆筑時的沖擊影響暫不計入。

2.1 計算總體概況

本工程采用的塑料模板典型單元如圖1～圖3所示。

圖1 塑料模板正立面

圖2 塑料模板側立面一

圖3 塑料模板側立面二

分析模型中，典型混凝土截面選取為一字形墻體，如圖4所示。該截面內部混凝土厚度為200 mm，側邊為厚度80 mm的塑料模板。對穿螺桿直徑為14 mm，采用Q235鋼材。主龍骨采用方鋼管，截面尺寸為60 mm×100 mm×2 mm，采用Q235鋼材。沿截面縱向方向分布7道對穿螺桿。

圖4 典型截面示意

選取2種模型進行有限元建模分析，一種是豎向4道主龍骨模型，另一種是豎向3道主龍骨模型，如圖5、圖6所示。其中豎向4道主龍骨間距為500、600、700 mm；豎向3道主龍骨間距為750、800 mm，其余均保持一致。

圖5 豎向4道主龍骨示意

圖6 豎向3道主龍骨示意

2.2 有限元數值模型建立

本工程采用有限元軟件建立全尺寸實體模型進行計算。采用Midas/FEA建立其精細化數值模型，各構件均采用實體單元建模，且均采用彈性材料模型。其中，鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；塑料模板的彈性模量為2 000 MPa，泊松比為0.39，拉伸強度為61 MPa，壓縮強度為43 MPa，容重為12.5 kN/m3。材料模型采用各向同性材料。

圖7與圖8為混凝土澆筑的有限元模型，圖7為豎向4道主龍骨有限元模型，圖8為豎向3道主龍骨有限元模型。

圖7 豎向4道主龍骨有限元模型

圖8 豎向3道主龍骨有限元模型

混凝土在澆筑階段只產生靜水壓力，試驗時模型剪力墻底部錨固在底座上，有限元模型中采用了約束底板全部平動自由度的方法來模擬此邊界條件。同時，頂部陰角條限制了塑料模板的平動，采用約束其2個水平方向平動自由度的方法來模擬此邊界條件。

2.3 荷載計算

根據測定，混凝土作用于模板的側壓力隨混凝土澆筑高度的增加而增加，當澆筑高度達到某一臨界時，側壓力就不再增加，此時的側壓力即為新澆混凝土的最大側壓力。側壓力達到最大值時的澆筑高度稱為混凝土的有效壓頭。根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》附錄A.0.4相關公式，計算得新澆混凝土對模板的最大側壓力為46 kN/m2，將該荷載換算為設計值，采用流體荷載施加于塑料模板上。

3 塑料模板的模擬結果分析

計算結果采用剖分面的形式展示，選取軸對稱一半展示出來。4道主龍骨的位移如圖9所示，3道主龍骨的位移如圖10所示。

圖9 4道主龍骨的位移

圖10 3道主龍骨的位移

對于4道主龍骨與3道主龍骨的布置形式，最大位移均位于沿豎向高度的中部處，且沿塑料模板水平向呈居中軸對稱分布。其中4道主龍骨布置時的最大位移為10.5 mm，占結構總單元數比值為0.9%；超過8 mm的單元數占結構總單元數比值為5.4%。GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》要求墻層高小于或等于5 m時，垂直度允許偏差在8 mm范圍內。采用4道主龍骨布置時，95%的單元均在允許偏差范圍內，建議在施工措施、施工工藝得當的情況下，可以采用4道主龍骨的布置形式。3道主龍骨布置時的最大位移為16.4 mm，占結構總單元數比值為1.3%；超過8 mm的單元數占結構總單元數比值為17%，超過規范要求的單元數占比較大，建議項目部進一步進行試驗性驗證，當驗證垂直度、變形均控制在規范要求數值內時，方可采用。

4道主龍骨布置時的3D單元Von Mises應變如圖11所示，3道主龍骨布置時的3D單元Von Mises應變如圖12所示。

圖11 4道主龍骨3D單元Von Mises應變

圖12 3道主龍骨3D單元Von Mises應變

由圖11、圖12可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的3D單元Von Mises應變均處在彈性應變的允許范圍內。

4道主龍骨布置時的3D單元Volume應變如圖13所示，3道主龍骨布置時的3D單元Volume應變如圖14所示。

圖13 4道主龍骨3D單元Volume應變

圖14 3道主龍骨3D單元Volume應變

由圖13、圖14可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的3D單元Volume應變均較小，均處在彈性應變的允許范圍內。

4道主龍骨布置時的3D單元Von Mises應力如圖15所示，3道主龍骨布置時的3D單元Von Mises應力如圖16所示。

圖15 4道主龍骨3D單元Von Mises應力

圖16 3道主龍骨3D單元Von Mises應力

由圖15、圖16可知，4道主龍骨與3道主龍骨布置形式下的塑料模板應力與鋼材應力均處在彈性變形范圍內。

從以上計算結果來看，塑料模板的主要控制值是變形數值。

4 結語

在剪力墻混凝土澆筑過程中，本文建立了基于精細化有限元分析模型的塑料模板有限元模型，得到了塑料模板應用在墻體混凝土澆筑過程中的受力力學行為和變形行為。通過相應的計算及分析，論證了剪力墻混凝土澆筑過程中塑料模板的力學性能，并對2種主龍骨布置形式進行了力學模擬，為相關工程積累了一定的經驗。