铝合金模板的力学性能有限元分析及优化

姚伟豪，陈俊言，王立欢，孙凌峰，林贵鹏

（1.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000；2.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

随着国内建筑行业的快速发展，建筑模板行业也得到了质的飞跃。在可持续发展的宏观战略下，建筑行业对建筑材料的合理利用、绿色节能等越来越重视，使得绿色环保的模板用材应运而生，并逐渐在建筑市场中推广开来。为了在保证安全的前提下坚持绿色建筑，最大程度减少工程成本，国内先后出台了多部绿色建筑和施工的规范和标准[1]，尝试以技术政策和建筑标准的方式推动节能、绿色、环保、经济的建筑用材以及建筑模板行业的发展。而在众多模板材料中，铝合金模板具有经济效益好、稳定性好、应用范围广、利用率高、安全性高、施工速度快等优点，是一种较好的混凝土浇筑模板，在建筑模板行业中有着重要的地位，其经济效益和绿色环保在混凝土高层建筑的未来发展中起着重要作用[2-5]。仇铭华[6]通过大量调研提出在国内建筑发展过程中，铝模板的重要性将会再次提高，尤其是在超高层建筑领域更为明显。罗丽莎[7]对实际工程进行深入分析，认为铝模板与木模板相比，铝模板在工程施工速度、质量、经济效益等方面有着非常明显的优点。尽管国内学者从多个角度证实了铝模板在工程应用中的优越性，但对其在实际情况中的变形和受力情况没有过多的关注和研究。

基于此，为了深入分析铝合金模板在实际应用中的受力变形情况，选择较为合适的铝合金模板类型，本文以实际项目为例，通过有限元数值模拟的方式分析单块无纵肋铝合金楼面模板、肋间面板、现场使用的铝合金楼面模板在不同混凝土浇筑厚度下的变形情况和受力情况，为相关工程提供参考借鉴。

2 现用楼面铝板概况

此次研究所选的是某城市花园项目里的铝合金楼面模板，其组成包括封边板、纵、横肋以及薄面板，用模具一次做成封边板与面板，之后以焊接的方式将纵肋与横肋连接到面板上。6061-T6铝合金为面板的材料类型，N/m2或Pa为其应力换算单位，2700kg/m3、2500kg/m3分别为铝合金和混凝土的质量密度；1100mm、400mm、4mm 分别为楼面模板的长、宽、厚；1084mm、11mm、10mm 为纵肋尺寸；横肋腹厚4mm，高40mm，翼厚5mm，翼宽20mm。现用铝合金楼板具体构造见图1。

图1 现用铝合金楼板具体构造

3 混凝土施工荷载计算

计算时4mm 为铝合金面板厚度，浇筑的混凝土厚度分别取100mm 和200m。根据《混凝土结构工程施工规范》（GB 50666-2011）[8]可知，面板上所受到的施工荷载大部分来自于活荷载SQ和恒荷载SG，其中活荷载只包含施工活载Q1，恒荷载包括单位面积内的钢筋自重G3、混凝土自重G2、模板自重G1。组合系数和模板类型系数都定为1。经过计算得出的两种混凝土浇筑厚度下的荷载设计值见表1。

表1 两种混凝土浇筑厚度下的荷载设计值

4 楼面模板力学性能分析

通过有限元软件以静力加载的方式来模拟分析单块现用铝合金楼面板和单块无纵肋铝合金楼面模板的力学性能，设定两种混凝土浇筑厚度（100mm 和200mm），分别将均布荷载施加到两种楼面板上，以此获取混凝土均布压力作用下两种模板的应力和变形情况。

4.1 无纵肋楼面模板的变形和应力

通过有限元软件模拟分析无纵肋楼面模板的变形和应力，6061-T6 铝合金为模板材料，选择shell181 对无纵肋楼面模板进行建模，通过Solid 实体单元对剩余各部分进行建模，借助Bond系列命令将各Solid 实体单元连接成一个整体，并将单元间重合的面、线、点进行整合。模型中，在侧板间模板横肋是连续的，未考虑纵肋。模型边界条件为模型周围施加全约束，即模型在X、Y、Z 三个方向上的允许转动和位移值为0，X、Y、Z分别代表模板的短边方向、长边方向和面板厚度，在对模板进行网格划分时以4mm为一个单元尺寸。当混凝土浇筑厚度为100mm 和200mm 时，依次出现第一、第二种均布荷载作用，图2～图4 为得出的模板在两种荷载作用下的变形和应力情况。对结果进行整理得到模板的应力、变形峰值如表2所示。

表2 模板的应力、变形峰值

图2 无纵肋模板变形云图

图3 无纵肋模板短边方向应力云图

图4 无纵肋模板长边方向应力云图

从图2～图4能够看出两侧面板中间部位，变形最大部位处于横肋和侧板围成的中部区域。短边向（X 方向）的应力峰值集中出现于长边侧板中间位置，X方向上的应力主要由长边侧板来承担。长边向（Y 方向）的应力峰值集中出现于短边横肋中间位置，端肋和横肋共同发挥作用来承担Y 方向上的应力。当混凝土浇筑厚度为100mm 时，Y 方向上的应力峰值要大于X 方向的应力峰值，前者与后者相比增大了65.9%；当混凝土浇筑厚度为200mm 时，Y 方向上的应力峰值同样大于X 方向的应力峰值，前者与后者相比增大了66.5%。两种混凝土浇筑厚度下，Y方向上的应力峰值都比X方向高出近66.0%，长边中部受到的应力集中比短边中部小，从而能够发现大多数应力是由短边方向承担的。

将混凝土浇筑在无纵肋楼面模板上时，200mm 浇筑厚度和100mm 厚度相比，前者侧向变形峰值提高了46.9%，长边和短边方向应力峰值分别增大了47.5%和47.0%，比较后能够得到，长边、短边和侧向变形最大值的提高幅度基本相同。

4.2 现用楼面模板的变形和应力

通过有限元软件模拟分析现用楼面模板的变形和应力，模板材料同样为6061-T6 铝合金，其建模过程、模型单元处理方式与无纵肋楼面模板相同。同时模型边界条件的设置、网格的划分也和无纵肋楼面模板相同。当混凝土浇筑厚度为100mm 时，出现第一种均布荷载作用；当混凝土浇筑厚度为200mm时，出现第二种均布荷载作用，图5～图7为得出的现用楼面模板在两种荷载作用下的变形和应力情况。对结果进行整理得到模板的应力、变形峰值如表3所示。

表3 现用模板的应力、变形峰值

图5 现用模板变形云图

图6 现用模板短边方向应力云图

图7 现用模板长边方向应力云图

从图5～图7能够得出变形最大部位处于横肋和侧板相交围成的中部区域。短边向（X 方向）的应力峰值集中出现于长边侧板中间位置，有部分应力分布在纵肋上，X 方向上的应力主要由长边侧板来承担，同时纵肋也承担了短边方向上的部分应力。长边向（Y 方向）的应力峰值集中出现于短边横肋中间位置，端肋和横肋共同发挥作用来承担Y 方向上的应力。当混凝土浇筑厚度为100mm时，Y方向上的应力峰值要大于X方向的应力峰值，前者与后者相比增大了111.1%；当混凝土浇筑厚度为200mm时，Y方向上的应力峰值同样大于X方向的应力峰值，前者与后者相比增大了109.5%。两种混凝土浇筑厚度下，Y 方向上的应力峰值均约为X 方向的两倍，长边中部所受到的应力集中要比短边中部小，从而能够发现大多数应力是由短边方向承担的。

在无纵肋楼面模板上进行混凝土的浇筑，200mm 厚度和100mm 厚度相比，前者侧向变形峰值提高了47.6%，长边和短边方向应力峰值分别增大了47.4%和48.5%，比较后可知长边、短边和侧向变形最大值的提高幅度基本相同。采用同样的方法可得到肋间面板的变形峰值和应力峰值，肋间面板尺寸为400mm×400mm×4mm，具体数值见表4。

表4 肋间面板的应力、变形峰值

5 结束语

为了深入分析铝合金模板在实际应用中的受力变形情况，选择较为合适的铝合金模板类型，本文以某城市花园项目里的铝合金楼面模板为例，通过有限元数值模拟的方式分析了单块无纵肋铝合金楼面模板、肋间面板、现场使用的铝合金楼面模板在不同混凝土浇筑厚度下的变形情况和受力情况，得出如下结论。

①当混凝土浇筑厚度为100mm时，现用楼面模板应力峰值和变形峰值分别为20.9MPa 和0.21mm，肋间面板应力峰值和变形峰值分别为22.1MPa和0.58mm，无纵肋楼面模板的应力峰值和变形峰值分别是21.9MPa 和0.66mm。 当混凝土浇筑厚度为200mm 时，现用楼面模板应力峰值和变形峰值分别为30.8MPa 和0.31mm，肋间面板应力峰值和变形峰值分别为32.6MPa 和0.86mm，无纵肋楼面模板的应力峰值和变形峰值分别是32.3MPa和0.97mm。

②当混凝土浇筑厚度为100mm时，与肋间模板相比，无纵肋楼面模板的应力峰值降低0.9%，变形峰值提高了近13.8%。和无纵肋楼面模板相比，楼面模板应力峰值降低4.6%，变形峰值减小68.2%。当混凝土浇筑厚度为200mm时，与肋间模板相比，无纵肋楼面模板的应力峰值降低0.9%，变形峰值提高了近12.8%。和无纵肋楼面模板相比，楼面模板应力峰值降低4.6%，变形峰值减小68.0%。

③由此可得，现用楼面模板能够在很大程度上减小楼面板的变形和所受应力大小，能够有效地提高其安全性。并且楼面板的变形和承载能力都达到了国家相关标准要求，变形最大值未超过容许变形值1.5mm，应力最大值未超过弹性极限应力200MPa。