钢框塑料组合模板ANSYS分析计算

张磊 杨晓东 陈晓东 史一剑

摘 要：本文所述钢框塑料模板是由钢边框、钢背楞及塑料模板组合而成。整个组合模板结构受力合理，通过分析计算面板各项指标均满足要求。本文是利用大型通用有限元软件ANSY11.0，结合有限元理论将该模板简化为梁板结构，同时对该钢框组合模板在混凝土浇筑过程中所受侧向力荷载作用下力学性能进行分析。通过仿真模拟计算证明运用该仿真方法来进行模板计算是可靠的，同时对模板的研发积累了一定的经验。

关键词：组合模板；梁板结构；ANSYS

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0062-02

1 概述

钢框塑料模板是一种新型的建筑模板，是目前工业高度发达下的产物且为最广泛应用的模板形式之一。该组合模板的结构主要由两部分组合而成，一部分是冷弯型钢框架结构，另一部分是塑料模板，钢框架结构与塑料模板之间采用铆钉连接。如图1所示。

图1 钢框塑料模板整体图

2 新型建筑模板ANSYS有限元分析

2.1 有限元的原理

有限元法的主要思想是将所要求解的整体分成若干个连续的子区域，以未知函数在节点上的值作为基本未知参数，得到单元的刚度矩阵仿真，然后用离散的方法求解。

2.2 有限元软件ANSYS的简介

ANSYS包括下列几个功能：结构静力分析；模态分析；瞬态动力学分析；特征屈曲分析。

2.3 ANSYS有限元结构分析的基本过程

结构静力分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。有限元结构分析过程可以说是十分程序化，整个分析过程都有固定的步骤，它的一般过程是：确定研究对象和研究目标；确定建模方式（合适的单元类型、形状和尺寸等）；确定约束（边界条件）和载荷；求解并后处理。

3 建筑模板的参数化受力分析过程

3.1 模板的参数选择

本文选取尺寸为300mm×900mm的模板（共3块）作为此次分析的对象，该模板主要分为两部分，一部分为框架结构，它是由冷弯异型截面边框、矩形背楞焊接组装而成，另一部分为塑料面板。

通过对模板的结构进行计算分析，可观察出穿墙螺栓孔的位置（即约束的位置）对模板来说是一个很重要的条件，另外模板边框和背楞的截面形状对于模板来说也是一个重要的计算参数。

3.2 建模过程

本文采用由其他CAD软件导入的方法，直接导入到ANSYS中进行建模。本文研究的模板为钢框塑料组合墙模板，边框和背楞焊接连为整体，模板嵌入到钢框架中，框架结构与塑料面板之间采用铆钉连接，在浇筑混凝土时，框架的变形受到约束，同时又有足够数量的夹具加以连接固定，因而建模时可以近似地将塑料面板与钢框架看作一个整体。

综上所述，本文将该模组合板简化为梁板结构，塑料面板采用shell63单元，边框和背楞采用beaml88单元。

本论文分析的材料属性设置为：塑料面板的弹性模量6500N/mm2和泊松比0.33；钢框和背楞材料的弹性模量2.06E105N/mm2和泊松比0.3。

3.3 网格划分

本文中网格划分采用手动划分方式。划分网格时，首先设置边框和背楞的单元尺寸，进而对面板采用映射的模式进行划分，映射方式划分的面网格形状是四边形，规范整齐，计算机计算时速度也会相对提高。网格划分后如图2。

图2 模板的网格划分结果

3.4 加载求解过程

模板的主要荷载为浇筑混凝土时产生的侧压力，混凝土侧压力实际为梯度载荷，为保守起见在加载时，我们采用最大侧压力值均为均布荷载。

仿真分析后，得到模板的位移变形如图3，位移变形的最大值位于对拉螺栓中间位置处，最大挠度为1.9mm，符合变形要求且达到了混凝土平整度的验收标准。

图3 模板变形云图

最大应力云图如4所示，最大等效应力为304MPa，出现在穿墙螺栓位置处，小于钢框材料Q345的屈服极限。

图4 模板应力云图

至此，运用ANSYS11.0对整体模板的分析完成，得到了模板的应力及变形图。

4 结语

本论文旨在研究钢框塑料模板体系的力学性能，运用ANSYS进行仿真计算，该研究对模板的设计起到一定的指导作用。该塑料模板能够回收再次利用节省了模板成本，同时为绿色建筑、节能减排做出应有的贡献。本论文通过仿真得到以下几个结论：

4.1 ANSYS建模的简化

结合有限元的知识，由于面板的厚度远小于长度和宽度，因此将塑料面板简化为板壳单元，边框和背楞根据受力情况简化为beam单元，然后运用ANSYS对其进行整体建模。

4.2 塑料模板的回收利用

该塑料模板不同于传统的面板，可以回收利用，且其周转次数较多，达到了节约资源减少建筑垃圾的效果。

通过对传统模板设计方法了解模板所受载荷的计算方法，并掌握模板各个组件的校核方法，掌握传统模板设计的过程，为之后对模板的参数化建模分析打下必要的基础，最后对模板挠度标准进行计算，探索出合理的检验计算方法。

基金项目：课题名称《节材型模架体系开发研究与示范》（项目编号：2012BAJ03B05）