鋁合金墻體模板影響因素分析

李茂

摘 要：對鋁合金模板組成構件的不同受力部位進行拆分研究，通過簡化受力模型力學計算、力學性能試驗及ABAQUS模型有限元分析多方面，驗證模板的可靠性，研究掌握鋁合金墻體模板影響因素分析方法。從經濟型及社會效益方面考慮，鋁合金墻體模板性價比均高于普通模板，具有研究及推廣的價值。

關鍵詞：建筑工程；鋁合金；墻體模板；影響因素分析

中圖分類號：TG249.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）06-0016-02

1 混凝土側壓力影響因素的分析

混凝土側壓力大小和以下3個因素有關：①新澆筑混凝土的流變特性（極限剪切應力和粘度系數）。②新澆筑混凝土層高度。③模板與工程結構的特點。這3個因素是不可分割考慮的，而是需要綜合在一起的。

新澆筑混凝土由水、水泥和粗細集料組合構成的多相分散體系，具備一定的彈性、粘性、塑性。澆灌入模的混凝土因重力之類的外力的作用下流動時，會因豎向模板的約束，對模板側面產生一定的壓力。澆筑混凝土時，外力大小與新澆筑混凝土層高度密切相關，也就是與澆筑速度的快慢有關。

新澆筑混凝土自身的流動性和其極限剪切應力、粘度系數高低有著緊密的聯系。新澆筑混凝土的極限剪切應力，是由組成材料各顆粒之間的內聚力和摩擦力決定的，粘度系數是新澆筑混凝土內部結構阻礙流動力大小的指標，兩者都與新澆筑混凝土的內部結構有關。因此新澆筑混凝土內部結構和性能變化，必然影響著混凝土的側壓力，具體包括：水泥種類、外加劑型號、集料種類及級配、混凝土的配合比及稠度、周圍環境以及混凝土的溫度（它能夠影響混凝土的凝結速度，進而影響混凝土流變性能隨時間變化的速度快慢）、還有搗實混凝土的具體方法（它影響混凝土粘度系數的降低幅度）等[1]。

其他一些外在因素也會影響混凝土側壓力大小，例如模板的剛度及其表面粗糙度、具體結構構件的配筋狀態與斷面尺寸大小（它會影響混凝土的拱效應）等。

以上因素都會對混凝土側壓力產生影響，所以若要用一個計算式全面反映這些影響因素對混凝土側壓力的綜合影響，在實際操作中既不簡捷，也無必要。單從實用觀點角度考慮，混凝土側壓力計算式，只反映主要因素，使其既能基本反映混凝土側壓力的變化規律，又能計算簡便準確，關鍵是據此進行模板設計時還能保證模板的安全度、經濟實惠、耐用實用，就已經滿足了模板工程設計的基本要求。所以有必要將多種因素對混凝土側壓力的影響進行對比分析研究。混凝土的配合比就對混凝土側壓力有很大的影響。

JGJ162-2019《建筑施工模板安全技術規范》中規定，混凝土澆筑時現場采用內部振搗器時，初凝前混凝土對模板的側壓力按公式（1）（2）計算，取更小值。

F=0.22γCtoβ1β2V0.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

F=γCH? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：F為初凝前混凝土側壓力值，單位為kN/m2；γC為混凝土的重力密度，v單位為kN/m3；v為混凝土澆筑速度，單位為m/h；to為混凝土的初凝時間，單位為h；β1為外加劑影響修正系數；β2為坍落度影響修正系數；H為混凝土側壓力點位至混凝土頂面的高差。

模板側壓力計算如圖1，在一定范圍內H呈線性變化，F=γCH；當超過H時，實驗測定其壓力值保持不變。混凝土澆筑時側壓力隨高度分布如圖1所示。

2 鋁合金墻體模板力學分析及簡易計算

本工程使用的鋁合金模板，墻體模板標準板尺寸為2 800 mm×400 mm，沿模板豎向每70 cm設置一道主龍骨。墻體模板間固定采用M16穿墻螺栓對拉固定。墻體模板的設計，需要考慮混凝土澆筑時程液態的混凝土對模板的側壓力，取壓力的最大值，確定模板設計時需要的厚度及支撐體系的間距[2]。混凝土澆筑中對模板的側壓力，主要指混凝土澆筑時的自重及振搗過程中對模板的側壓力。

混凝土澆筑后在初凝前呈液態時，隨模板高度不同對模板的側壓力分布變化，作為模板的主要荷載。振搗棒作業時，新澆筑的混凝土作用于模板的最大側壓力計算值可按（3）（4）計算出最小值。

F1=0.22γCtoβ1β2V0.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

F'1=γCH? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：F1和F'1為混凝土入模時對模板的壓力值，單位為kN/m2；γC為重力密度取值；to為混凝土澆筑后到初凝的時間，根據實驗確定，在實驗數據較少，不足以支撐理論取值時，也可按照t0=200/（T+15）計算；β1是混凝土澆筑外加劑修正系數，不添加外加劑是取值1，摻緩凝劑后的取值為1.2；β2作為混凝土坍落度修正系數，當塌落度<110時，取1.15；V是混凝土厚度與澆筑時間T的比值；H為側壓力計算點位至頂面的高度。

依據上述公式算得，本工程F1=31.63 kN/m2，F'1=25×2.8=70 kN/m2，Fmin=31.63 kN/m2。混凝土澆筑下落時的荷載值為4.0 kN/m2，即F=43.56 kN/m2，有效壓頭H=1.74 m。

3 有限元分析

墻模板的有限元分析建模與頂板模板相同，將墻體模板簡化分析成梁板結構，梁板間的連接通過共用節點實現，面板取用She1163單元，背楞及邊框取用Beam188單元。

3.1 橫肋分析

假設橫肋的邊界約束條件為兩端鉸支，有限元模型的選取的坐標系及加載情況如圖2所示。在墻模板上施加新澆混凝土對模板的側壓力荷載，在模板底部Z取0～1.06板面上，施加F=43.56 kN/m2的側壓力面荷載，在Z取1.06～2.8的板面上，施加F從43.56 kN/m2減到0的梯度面荷載。

3.2 面板分析

設定墻體模板的四邊固定，簡化為固定支座，背楞間距700 mm，三道背楞垂直于墻體受銷釘約束，簡化模型墻體模板的約束條件。墻體模板上劃分受力分區，分區荷載呈梯度施加，詳見圖3。

3.3 邊框分析

設定墻板邊框為多跨靜定梁，其中背楞在3個方向收到約束。向模板施加混凝土側壓力，壓力值參照圖4分區梯度荷載。

4 結果比對分析

通過對墻板模板的受力分析及模型的有限元分析，對比兩種分析結論，從而驗證鋁合金模板的強度值是否可靠。比對數據如表1所示。

由表1可知，力學分析中模板橫肋計算的值較有限元分析的數值偏大，其對應的應力值也大于有限元分析出的結果。墻體模板的力學計算結果與有限元分析結論中位移的最大值基本相符。有限元分析計算出的結果應力值大于力學模型計算的數值。原因是力學分析計算中考慮的是理論工況，而有限元分析環境更貼近于實際工況。力學模型計算中邊框的形變數值大于有限元分析中的形變值，其對應的應力也差距較大。

造成兩種不同分析結果差異較大的原因，在于邊界約束條件的不同。簡化分析中，四邊支座默認為理想狀態下的四邊固定支座。ABAQUS模型分析中，考慮了周邊墻板的影響，分析環境更接近實際工況。通過兩種不同的分析結果，證明鋁合金墻體模板可靠性能夠達到設計強度，其最大應力值對應的彈性型變值遠小于混凝土施工規范要求的參數值[3]。

參考文獻

[1] 19G905-3，房屋建筑工程施工工藝圖解—組拼式鋁合金模板系列施工工藝圖解[S].

[2]? JG/T 522-2017，鋁合金模板[S].

[3] DB11/T 1611-2018，建筑工程組合鋁合金模板施工技術規范[S].