铝合金顶板模板设计参数优化研究

2022-08-14屈创李东明彭刚汤婷婷宋鹏程黄俊旗

安徽建筑 2022年8期

屈创，李东明，彭刚，汤婷婷，宋鹏程，黄俊旗

（1.安徽同济建设集团有限责任公司，安徽合肥 230000；2.合肥科技职业学院建筑工程系，安徽合肥 231201；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 前言

建筑模板的合理使用对于保证施工安全和质量、降低工程成本都有较为重要的作用[1]。木模板是我国常用的建筑模板类型，该类模板制作速度快、易脱模，但随着模板需求量的增加，易造成森林资源的浪费[2]。因此研究者逐渐将研究重心转向金属模板，其中，全钢模板是目前较为常用的金属模板，由于钢材较高的弹性模量，该类模板施工时的板面平整度高于木质模板，但其存在自重大的缺陷，易增加安装与拆除难度，该缺陷严重限制了全钢模板在实际工程中的应用与发展。

为解决全钢模板自重大的问题，铝合金模板于1972年被学者提出并进行了应用。该类模板具有质量轻、强度与刚度高、安装拆卸方便、可重复利用等优点，具备较大的工程应用潜力。但即便目前，我国铝合金模板的工程应用还处于起步阶段，为提高铝合金模板的应用率，众多学者对铝合金模板的受力性能和施工过程的关键技术问题开展了研究[3-8]，但目前针对铝合金模板的肋板优化设计仍然鲜见报道。

本文旨在研究铝合金顶板模板中优化的纵横肋板设计参数。首先基于实际工程所用的铝合金顶板模板建立三维有限元模型，通过变换纵横肋板的数量进行参数分析，通过分析对比各参数下模板最大变形，并结合所用纵横肋所需铝合金体量，提出最优化的铝合金纵横肋板设计方法供实际工程参考。

1 工程概况与铝合金模板介绍

所基于的工程项目为合肥蜀山经济开发区邓店村安置小区项目，位于合肥市蜀山区蜀山湖路与万泽路交口。该项目的施工采用了铝合金模板体系，模板的设计内容主要包含墙板模板体系、顶板模板体系、梁板模板体系、柱模板体系、楼梯模板体系以及其他细节。本文主要针对其顶板模板体系开展研究。其中顶板模板型材如图1，顶板模板型材宽度为500mm，长度为1200mm，高度为65mm，铝合金面板厚度为3.5mm，肋板厚度为5mm。根据模板生产厂家提供的参数，该类铝合金材料弹性模量为69GPa，屈服强度为220MPa，抗拉强度为260MPa，泊松比为0.33，密度为2700kg/m3。

图1 铝合金顶板模板

2 有限元模型的建立

2.1 单元选择与边界条件

利用通用有限元软件ABAQUS，对前述铝合金顶板模板型材建立三维有限元模型。采用了ABAQUS单元库中的三维八节点实体单元（C3D8R）模拟铝合金材料。单元尺寸设置为30mm。典型有限元模型如图2所示。其中，横肋板、纵肋板与铝合金面板以及侧肋采用绑定约束（Tie），即不考虑上述组件的相对滑移。在加载分析过程中，铝合金模板纵向端部节点均约束三个方向的平动自由度（即图2中UX=UY=UZ=0），在铝合金面板上施加均布荷载，荷载大小参考文献[9]取值为45kN/m2，采用力控制方法进行逐级加载。

图2 有限元模型

2.2 材料定义

铝合金材料性能定义采用生产厂家所提供的材料性能数值，基于Von-Mis-es破坏准则，按照弹性-理想塑性的应力-应变关系进行输入，其应力-应变关系模型如图3所示。

图3 铝合金材料性能定义

3 参数优化分析

3.1 参数分析设计工况

本文主要以纵横肋板的数量为研究参数进行有限元分析，分别考虑了纵横肋板数量为0、1、2、3的设计工况，因此，参数分析共包含16种设计工况。其中，纵横肋板均假定为截面高度60mm、宽度30mm、厚度5mm的铝合金C形槽。所分析的模型如表1所示。表1中，所分析的设计工况模型命名为“S-A-B”，其中，字母“A”代表纵肋板的数量，字母“B”代表横肋板的数量，即S-1-2中包含1个纵肋板与2个横肋板。

所分析的有限元模型表1

3.2 纵肋板数量影响分析

在不设置横肋板时，不同纵肋板数量下铝合金顶板模板变形云图如图4所示，从图中可以看出：①纵肋板设置与否对于铝合金面板最大变形影响较大，在无纵肋板时候（S-0-0），铝合金面板最大变形为21.82mm，当设置一个纵肋板时（S-1-0），铝合金面板最大变形显著降低至5.951mm，减小了15.869mm；②在有纵肋板的情况下，纵肋板的增加亦可减少铝合金面板最大变形，但减小幅度不高，即当纵肋板数量增加至2个（S-2-0）以及3个（S-3-0）时，铝合金面板最大变形相较S-1-0仅分别降低了2.763mm与3.588mm；③顶板模板最大变形为肋板之间铝合金面板的局部变形，该处局部变形的抑制尚需加设横肋板。

图4 不同纵肋板下顶板模板变形云图（单位：mm）

3.3 横肋板数量影响分析

在不设置纵肋板时，不同横肋板数量情况下铝合金顶板模板变形云图如图5所示，从图中可以看出：①横肋板设置与否对于铝合金面板最大变形亦有较大影响，设置一个横肋板（S-0-1）时，即可将最大变形降低12.99mm；②在有横肋板的情况下，通过增加横肋板数量，铝合金面板最大变形降低幅度十分有限，当纵肋板数量增加至2个（S-0-2）以及3个（S-0-3）时，铝合金面板最大变形相对于S-0-1仅分别降低了0.667mm与1.873mm；③变形最大部位位于横肋板之间铝合金面板的局部变形，该处局部变形的抑制尚需加设纵肋板。

图5 不同横肋板下顶板模板变形云图（单位：mm）

3.4 纵横肋板混合布置影响分析与设计建议

考虑到仅布置纵肋板或横肋板的情况均无法有效抑制铝合金面板较大的局部变形，本文进一步针对纵横肋板混合布置的方法进行了研究。图6为铝合金顶板模板最大变形与纵横肋板数量关系曲线。从图中可以看出，在设置一个纵肋的基础上，布置一个横肋可进一步使顶板模板最大变形降低2.689mm，然而，进一步增加纵横肋板的数量，其最大变形的降低程度极小。图7为S-1-1以及S-2-1的变形云图，从图中可以看出，顶板模板的变形较为均匀，模板最大变形处基本与纵肋板最大变形数值一致，横肋的布置对面板的局部变形起到了有效的抑制作用。在综合考虑肋板用铝量的基础上，本文建议采用单个纵肋与横肋混合布置的方法（即S-1-1）进行该铝合金顶板模板的设计。