基于精细化有限元分析模型的塑料模板力学性能分析

2021-08-06冯跃辉陈亚丽龚晋德辛化文

建筑施工 2021年3期

冯跃辉陈亚丽程骥龚晋德辛化文

1. 浙江省建工集团有限责任公司浙江杭州 310012；

2. 中建新疆建工（集团）有限公司华东分公司浙江杭州 311200

随着建筑技术的快速发展和人们环保意识的提高，建筑材料也在逐渐向着绿色产业调整，以塑代木、以塑代钢已成为建筑业发展的趋势。模板技术直接影响工程建设的质量、造价和效益，因此是推动我国建筑技术进步的一个重要内容。

目前，国内外用于建筑施工的模板种类较多[1]，有木质胶合模板、钢模板、铝合金模板、塑料模板等。低质、低效的木模板现锯、现配和零散支拆的手工操作，存在着高物耗、高能耗、产生大量垃圾、污染环境等问题。全钢模板解决了木材的损耗问题，在一定程度上加快了施工速度，但全钢模板自重大，对垂直运输体系依赖大，操作不方便。自重轻、装配周转方便的铝合金模板解决了该问题，但其造价高，脱模效果不理想，模板易变形。我国提倡绿色建筑、绿色施工[2]，从发展绿色建筑和生态文明建设的要求出发，发展塑料模板体系是建筑施工向绿色施工方向发展的迫切要求。常规板式塑料模板是节约木材和钢材的一个重要途径，具有质量轻（10～12 kg/m2）、设计一次成形、精度高、装拆简单易学、节约劳动力、循环使用次数多、均摊成本低、应用范围广、吸水率低、防潮性好以及耐磨性强等诸多优点，因此在建筑施工中的应用越来越广泛[3-5]，且塑料模板成功应用的案例较多。但作为一种新型模板体系，塑料模板的性能尚未被广泛熟知，项目上没有足够的施工经验，搭设时仅凭借传统模板施工经验的现象普遍存在，且目前的塑料模板仍存在强度和刚度较小的问题[6]。

1 工程概况

某工程建设地点为萧山区风情大道与滨康路交会处西南侧，包括1#、2#、3#、6#楼及2层地下室工程。建筑总面积约126 100 m2。地下2层，地上34层。地上为剪力墙结构，地下为框架、框剪（主楼部分）结构。本工程投入的模板用量较大，由于塑料模板具有循环使用次数多、可回收等特点，故本工程1#、2#、3#、6#楼采用塑料模板体系。

在应用塑料模板体系的混凝土施工过程中，一般先安装架设塑料模板，然后再浇筑混凝土，因此研究施工阶段，特别是在混凝土浇筑过程中塑料模板的安全性能非常重要[7-8]。

2 施工过程中的塑料模板模拟分析

施工期间的塑料模板受力会因施工进度和工艺的不断变化而处于动态变化状态，相应的力学分析属于复杂的时变力学领域，本文在建立有限元分析模型时，采用了以下假定：

1）施工阶段的塑料模板始终处于弹性阶段。

2）不考虑湿混凝土与塑料模板之间的摩擦，流态混凝土只传递液压力。

3）湿混凝土作用在塑料模板上的荷载标准值根据GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》附录A计算所得。

4）混凝土浇筑工艺的动态影响暂不考虑，例如采用高位抛落浇筑时的冲击影响暂不计入。

2.1 计算总体概况

本工程采用的塑料模板典型单元如图1～图3所示。

图1 塑料模板正立面

图2 塑料模板侧立面一

图3 塑料模板侧立面二

分析模型中，典型混凝土截面选取为一字形墙体，如图4所示。该截面内部混凝土厚度为200 mm，侧边为厚度80 mm的塑料模板。对穿螺杆直径为14 mm，采用Q235钢材。主龙骨采用方钢管，截面尺寸为60 mm×100 mm×2 mm，采用Q235钢材。沿截面纵向方向分布7道对穿螺杆。

图4 典型截面示意

选取2种模型进行有限元建模分析，一种是竖向4道主龙骨模型，另一种是竖向3道主龙骨模型，如图5、图6所示。其中竖向4道主龙骨间距为500、600、700 mm；竖向3道主龙骨间距为750、800 mm，其余均保持一致。

图5 竖向4道主龙骨示意

图6 竖向3道主龙骨示意

2.2 有限元数值模型建立

本工程采用有限元软件建立全尺寸实体模型进行计算。采用Midas/FEA建立其精细化数值模型，各构件均采用实体单元建模，且均采用弹性材料模型。其中，钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；塑料模板的弹性模量为2 000 MPa，泊松比为0.39，拉伸强度为61 MPa，压缩强度为43 MPa，容重为12.5 kN/m3。材料模型采用各向同性材料。

图7与图8为混凝土浇筑的有限元模型，图7为竖向4道主龙骨有限元模型，图8为竖向3道主龙骨有限元模型。

图7 竖向4道主龙骨有限元模型

图8 竖向3道主龙骨有限元模型

混凝土在浇筑阶段只产生静水压力，试验时模型剪力墙底部锚固在底座上，有限元模型中采用了约束底板全部平动自由度的方法来模拟此边界条件。同时，顶部阴角条限制了塑料模板的平动，采用约束其2个水平方向平动自由度的方法来模拟此边界条件。

2.3 荷载计算

根据测定，混凝土作用于模板的侧压力随混凝土浇筑高度的增加而增加，当浇筑高度达到某一临界时，侧压力就不再增加，此时的侧压力即为新浇混凝土的最大侧压力。侧压力达到最大值时的浇筑高度称为混凝土的有效压头。根据GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》附录A.0.4相关公式，计算得新浇混凝土对模板的最大侧压力为46 kN/m2，将该荷载换算为设计值，采用流体荷载施加于塑料模板上。

3 塑料模板的模拟结果分析

计算结果采用剖分面的形式展示，选取轴对称一半展示出来。4道主龙骨的位移如图9所示，3道主龙骨的位移如图10所示。

图9 4道主龙骨的位移

图10 3道主龙骨的位移

对于4道主龙骨与3道主龙骨的布置形式，最大位移均位于沿竖向高度的中部处，且沿塑料模板水平向呈居中轴对称分布。其中4道主龙骨布置时的最大位移为10.5 mm，占结构总单元数比值为0.9%；超过8 mm的单元数占结构总单元数比值为5.4%。GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》要求墙层高小于或等于5 m时，垂直度允许偏差在8 mm范围内。采用4道主龙骨布置时，95%的单元均在允许偏差范围内，建议在施工措施、施工工艺得当的情况下，可以采用4道主龙骨的布置形式。3道主龙骨布置时的最大位移为16.4 mm，占结构总单元数比值为1.3%；超过8 mm的单元数占结构总单元数比值为17%，超过规范要求的单元数占比较大，建议项目部进一步进行试验性验证，当验证垂直度、变形均控制在规范要求数值内时，方可采用。

4道主龙骨布置时的3D单元Von Mises应变如图11所示，3道主龙骨布置时的3D单元Von Mises应变如图12所示。