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(lèi)型，該類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)鋁合金模板的設(shè)計(jì)中。