袁曉龍

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237000)

0 前 言

組合鋁合金模板是廣泛應(yīng)用于建筑工程中的一種模板形式。在建筑工程項(xiàng)目施工中，通過應(yīng)用鋁合金模板體系，能夠達(dá)到提升工程施工質(zhì)量和降本增效的目的，并在節(jié)能環(huán)保、文明施工方面得到改善[1]。隨著鋁合金模板體系施工技術(shù)的推廣，建筑施工鋁合金用量逐年增多，如何在保證施工質(zhì)量和安全的前提下減少鋁模板的鋁合金用量，成為亟待解決的問題。相關(guān)資料已經(jīng)將鋁合金模板的連接方式以及在澆筑過程中受荷響應(yīng)都做過詳細(xì)的分析[2-3]。但是至今未看到有鋁合金模板截面及加勁肋參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的研究。因此，研究如何合理優(yōu)化建筑鋁合金模板的設(shè)計(jì)參數(shù)具有十分重要的意義。

1 鋁模板的型材

鋁模板所使用的鋁合金型材截面形式采用擠壓工藝生產(chǎn)制作而成。鋁合金墻面板主要使用的截面為U型的鋁合金擠壓型材，通常選取U450、U400、U350、U300、U200、U150等型號作為面板和其他截面形式的熱擠壓型材焊接組合形成鋁合金模板[4-5]。在建筑鋁合金模板的配模時，各種型號的U型擠壓型材均會被使用。其中，U400擠壓型材以其適應(yīng)建筑模數(shù)區(qū)間大、配模效率高、施工綜合經(jīng)濟(jì)效益好而被廣泛應(yīng)用于建筑墻、柱模板的配模中。

鋁合金模板的另一重要組成部分為端肋，端肋的同樣采用熱擠壓工藝加工制作完成，根據(jù)相關(guān)規(guī)范限定，端肋的高度為65 mm，端肋的厚度為6 mm，并且按照一定的尺寸間距大銷釘孔。根據(jù)大量工程案例的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在實(shí)際施工中銷釘孔位因受力過大產(chǎn)生破壞的情況較少，故而銷釘孔不影響端肋的強(qiáng)度。

大量的工程經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算均表明，組合鋁模板中縱向加勁肋和橫向加勁肋的間距是影響模板形變量的關(guān)鍵參數(shù)，同時也是鋁合金模板優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。大部分的鋁合金模板縱向加勁肋通過熱擠壓工藝形成U型鋁型材與面板組成整體。因此，本文主要研究橫向加勁肋參數(shù)對鋁模板剛度及形變特性的影響。橫向加勁肋一般采用與面板材料一致的6061-T6 系列鋁合金型材，截面尺寸為30 mm×30 mm，截面形狀為矩形矩形管，壁厚為 3 mm。

2 鋁模板理論計(jì)算模型

傳統(tǒng)鋁合金墻面板的銷釘、銷片連接方式可以按照半剛性的連接方式進(jìn)行受力分析，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性[2]。因此，對鋁合金模板墻面板進(jìn)行受力分析時，可以將鋁模板的端肋視為支座從而將鋁模板面板簡化為四邊簡支的矩彈性薄板板受力模型。在均布荷載作用下四邊簡支的薄板內(nèi)力計(jì)算及撓度計(jì)算較為復(fù)雜，在許多文獻(xiàn)中對此都有過相關(guān)論述[6]。理論解析解的計(jì)算結(jié)果雖然較為精確，但是不容易被工程技術(shù)人員所掌握。在鋁合金模板工程實(shí)踐中，混凝土壓力的變化是沿著深度方向變化的，并非是均布荷載。在混凝土的側(cè)向壓力荷載作用下需要充分考慮鋁模板的強(qiáng)度、剛度及安全性，采用理論計(jì)算及構(gòu)造措施相結(jié)合的方式為鋁模板的施工預(yù)留較大的安全系數(shù)。根據(jù)鋁模板工程的實(shí)際工況、邊界條件、荷載形式、連續(xù)條件等可以沿寬度方向?qū)X合金墻面板簡化為兩端簡支梁模型計(jì)算。最終在簡化模型條件下得到純彎曲條件下?lián)隙圈?x)及轉(zhuǎn)角θ方程：

(1)

(2)

式中，EI為鋁合金墻板的截面抗彎剛度；l為鋁合金墻板沿墻長度方向的長度；q為混凝土最不利位置的模板側(cè)向壓力，取值預(yù)留一定的安全系數(shù)[7]，q=γcH,γc=25 kN/m3,H=3 m。

通過公式計(jì)算，沿長度方向的中點(diǎn)位置為撓度最大點(diǎn)，最大撓度為：

(3)

3 鋁合金模板優(yōu)化設(shè)計(jì)

在大量的工程實(shí)踐項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，建筑工程中鋁模板由于受力過大導(dǎo)致破壞的情況極少出現(xiàn)，偶發(fā)狀況也是因?yàn)槭┕の窗匆?guī)范操作而引發(fā)的。而鋁合金模板在正常施工中出現(xiàn)變形過大，影響墻體的垂直度和平整度的情況時有發(fā)生，且原因較為復(fù)雜。鋁模板面板的變形過大將直接導(dǎo)致清水墻的飾面效果大打折扣，對于后續(xù)裝修也造成工序造成極大影響，增加施工成本，變形的疊加、偏心作用及疲勞損傷還會嚴(yán)重影響鋁模板的周轉(zhuǎn)次數(shù)。因此，合理優(yōu)化鋁模板的設(shè)計(jì)參數(shù)，減小鋁模板的形變量具有十分重要的研究價值。

影響鋁模板強(qiáng)度的主要因素主要有以下兩方面：一是鋁模板面板的厚度，直接承受混凝土側(cè)壓力，形變量的大小將直接影響混凝土成形效果。而橫向加勁肋作為荷載傳遞的主梁，承受面板和縱向加勁肋傳遞的荷載，約束縱向加勁肋及面板的變形。

3.1 面板厚度的影響

根據(jù)規(guī)范規(guī)定及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，平面模板面板的厚度不得小于3.5 mm，常用的U400、U450型擠壓型材的板面厚度為3.5、4.0、5.0 mm三種。采用有限元模擬軟件ABAQUS按照表1的參數(shù)構(gòu)件鋁合金模板計(jì)算模型，材料屬性的屬性參數(shù)見表2。不同模型除厚度t作為變量之外，其他參數(shù)全部相同，模型橫向加勁肋間距為400 mm。根據(jù)實(shí)際工況及約束邊界條件，將模型簡化為四邊簡支模型，采用C3 d20R單元對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。荷載采用三角形面荷載盡量接近實(shí)際施工狀態(tài)?？v向加勁肋與面板焊接部位采用TIE連接替代。位移結(jié)果見圖1～3。

表1 模型參數(shù)表 單位：mm×mm×mm

表2 材料屬性參數(shù)表

圖1 4.0 mm厚面板位移云圖

從圖1中可以看出，在模擬實(shí)際施工荷載作用下，鋁模板形變量較大部位分布在模板的中下部，符合矩形板在三角形荷載作用下的位移分布規(guī)律。由圖2可以看出，三種厚度的擠壓型材面板的最大形變量均小于1.5 mm，能夠滿足清水墻飾面的標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。以模板底面的角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以高度方向向下為Z軸正方向，可以看出三種厚度U型面板變形量隨著高度的增加整體呈上升和下降兩種趨勢。在橫坐標(biāo)為[0,800]區(qū)間內(nèi)，曲線較陡，該段曲線的斜率較大。主要原因是該段位于模型的底部，荷載較大，彎矩隨著高度的增加而增加。橫坐標(biāo)在[800,2 900]區(qū)間內(nèi)的曲線較為平緩，斜率較小。在上升段和下降段內(nèi)曲線呈波浪線，波浪線內(nèi)有波峰和波谷，結(jié)合表3可以觀察到，峰值的位置均位于兩根橫向加勁肋之間，波浪線的波谷恰好位于橫向加勁肋的位置。波峰與波谷的橫坐標(biāo)間距為400 mm，與橫向加勁肋的間距是一致的。在模板的頂部和底部附近區(qū)域，三種厚度的U型面板變形量較為接近。

圖2 不同厚度面板高度-位移圖

結(jié)合圖2和圖3可以觀察到，鋁模板面板的變形量隨著U型面板厚度的增加而減小。在高度方向上，相同位置處的三種厚度U型面板的變形規(guī)律為厚度值較小的變形較大，厚度值較大的變形較?。蛔畲笪灰浦稻挥诰嗟酌?00 mm處，且位移最大值分別為(1.0 mm，0.96 mm，0.80 mm)，對應(yīng)的面板厚度值為(3.5 mm，4.0 mm，5.0 mm)，以3.5 mm厚度的U型面板作為基準(zhǔn)，4.0 mm厚度U型面板的變形值降低了4%，而5.0 mm厚度U型面板的變形值降低了20%；而在寬度方向上，三種厚度U型面板的位移曲線符合簡支梁的撓曲線特征，且在相同位置處位移差值較大，同樣滿足厚度值較小的變形較大，厚度值較大的變形較??；位移最大值分別為(1.03 mm,0.99 mm,0.82 mm),對應(yīng)的面板厚度值為(3.5 mm，4.0 mm，5.0 mm)，同樣以3.5 mm厚度的U型面板作為基準(zhǔn),4.0 mm厚度U型面板的變形值降低了4%，而5.0 mm厚度U型面板的變形值降低了18%。所以在合理布置橫向加勁肋的情況下，U型面板的厚度會影響面板的位移值，但是影響有限。

圖3 不同厚度面板寬度-位移圖

3.2 橫向加勁肋的影響

將U型擠壓型材厚度定為4 mm，其余端肋、橫向加勁肋的截面尺寸和材料屬性保持不變，按照表3的參數(shù)定義加勁肋間距構(gòu)建有限元模型。位移結(jié)果見圖4～5。

表3 A、B兩種橫向加勁肋間距布置 單位：mm

圖4 高度-位移圖

圖5 寬度-位移圖

通過圖4可以觀察到，模板面板變形量隨著高度的增加整體呈上升和下降兩種趨勢?？傮w而言，在相同位置處，A模型的位移值要高于B模型的位移值。結(jié)合圖4～5，對比A、B兩個模型的加勁肋布置參數(shù)(見表3)可以發(fā)現(xiàn)，A模型相比于B模型缺少一根橫向加勁肋，所以加勁肋對于模型面板的變形影響是整體影響而非局部影響。在上升段和下降段內(nèi)曲線呈波浪線，波浪線內(nèi)有波峰和波谷，峰值的位置均位于兩根橫向加勁肋之間，波浪線的波谷恰好位于橫向加勁肋的位置。波峰與波谷的橫坐標(biāo)間距為400，與橫向加勁肋的間距是一致的。在[1 500,2 000]區(qū)間段內(nèi)，A模型的位移曲線與B模型的位移曲線相比少一個波谷，該處正是A模型缺少加勁肋的位置。A模型在高度方向上的變形最大值為1.22 mm，位于距底面1 600 mm位置處，B模型在高度方向上的變形最大值為0.82 mm，位于距地面700 mm位置處，A模型的最大值相較于B模型增加了49%。所以，相較于U型面板的厚度變化而言，加勁肋間距的變化對鋁模板變形值的影響更大。

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