鋁合金模板的力學性能有限元分析及優化

姚偉豪，陳俊言，王立歡，孫凌峰，林貴鵬

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

1 引言

隨著國內建筑行業的快速發展，建筑模板行業也得到了質的飛躍。在可持續發展的宏觀戰略下，建筑行業對建筑材料的合理利用、綠色節能等越來越重視，使得綠色環保的模板用材應運而生，并逐漸在建筑市場中推廣開來。為了在保證安全的前提下堅持綠色建筑，最大程度減少工程成本，國內先后出臺了多部綠色建筑和施工的規范和標準[1]，嘗試以技術政策和建筑標準的方式推動節能、綠色、環保、經濟的建筑用材以及建筑模板行業的發展。而在眾多模板材料中，鋁合金模板具有經濟效益好、穩定性好、應用范圍廣、利用率高、安全性高、施工速度快等優點，是一種較好的混凝土澆筑模板，在建筑模板行業中有著重要的地位，其經濟效益和綠色環保在混凝土高層建筑的未來發展中起著重要作用[2-5]。仇銘華[6]通過大量調研提出在國內建筑發展過程中，鋁模板的重要性將會再次提高，尤其是在超高層建筑領域更為明顯。羅麗莎[7]對實際工程進行深入分析，認為鋁模板與木模板相比，鋁模板在工程施工速度、質量、經濟效益等方面有著非常明顯的優點。盡管國內學者從多個角度證實了鋁模板在工程應用中的優越性，但對其在實際情況中的變形和受力情況沒有過多的關注和研究。

基于此，為了深入分析鋁合金模板在實際應用中的受力變形情況，選擇較為合適的鋁合金模板類型，本文以實際項目為例，通過有限元數值模擬的方式分析單塊無縱肋鋁合金樓面模板、肋間面板、現場使用的鋁合金樓面模板在不同混凝土澆筑厚度下的變形情況和受力情況，為相關工程提供參考借鑒。

2 現用樓面鋁板概況

此次研究所選的是某城市花園項目里的鋁合金樓面模板，其組成包括封邊板、縱、橫肋以及薄面板，用模具一次做成封邊板與面板，之后以焊接的方式將縱肋與橫肋連接到面板上。6061-T6鋁合金為面板的材料類型，N/m2或Pa為其應力換算單位，2700kg/m3、2500kg/m3分別為鋁合金和混凝土的質量密度；1100mm、400mm、4mm 分別為樓面模板的長、寬、厚；1084mm、11mm、10mm 為縱肋尺寸；橫肋腹厚4mm，高40mm，翼厚5mm，翼寬20mm。現用鋁合金樓板具體構造見圖1。

圖1 現用鋁合金樓板具體構造

3 混凝土施工荷載計算

計算時4mm 為鋁合金面板厚度，澆筑的混凝土厚度分別取100mm 和200m。根據《混凝土結構工程施工規范》（GB 50666-2011）[8]可知，面板上所受到的施工荷載大部分來自于活荷載SQ和恒荷載SG，其中活荷載只包含施工活載Q1，恒荷載包括單位面積內的鋼筋自重G3、混凝土自重G2、模板自重G1。組合系數和模板類型系數都定為1。經過計算得出的兩種混凝土澆筑厚度下的荷載設計值見表1。

表1 兩種混凝土澆筑厚度下的荷載設計值

4 樓面模板力學性能分析

通過有限元軟件以靜力加載的方式來模擬分析單塊現用鋁合金樓面板和單塊無縱肋鋁合金樓面模板的力學性能，設定兩種混凝土澆筑厚度（100mm 和200mm），分別將均布荷載施加到兩種樓面板上，以此獲取混凝土均布壓力作用下兩種模板的應力和變形情況。

4.1 無縱肋樓面模板的變形和應力

通過有限元軟件模擬分析無縱肋樓面模板的變形和應力，6061-T6 鋁合金為模板材料，選擇shell181 對無縱肋樓面模板進行建模，通過Solid 實體單元對剩余各部分進行建模，借助Bond系列命令將各Solid 實體單元連接成一個整體，并將單元間重合的面、線、點進行整合。模型中，在側板間模板橫肋是連續的，未考慮縱肋。模型邊界條件為模型周圍施加全約束，即模型在X、Y、Z 三個方向上的允許轉動和位移值為0，X、Y、Z分別代表模板的短邊方向、長邊方向和面板厚度，在對模板進行網格劃分時以4mm為一個單元尺寸。當混凝土澆筑厚度為100mm 和200mm 時，依次出現第一、第二種均布荷載作用，圖2～圖4 為得出的模板在兩種荷載作用下的變形和應力情況。對結果進行整理得到模板的應力、變形峰值如表2所示。

表2 模板的應力、變形峰值

圖2 無縱肋模板變形云圖

圖3 無縱肋模板短邊方向應力云圖

圖4 無縱肋模板長邊方向應力云圖

從圖2～圖4能夠看出兩側面板中間部位，變形最大部位處于橫肋和側板圍成的中部區域。短邊向（X 方向）的應力峰值集中出現于長邊側板中間位置，X方向上的應力主要由長邊側板來承擔。長邊向（Y 方向）的應力峰值集中出現于短邊橫肋中間位置，端肋和橫肋共同發揮作用來承擔Y 方向上的應力。當混凝土澆筑厚度為100mm 時，Y 方向上的應力峰值要大于X 方向的應力峰值，前者與后者相比增大了65.9%；當混凝土澆筑厚度為200mm 時，Y 方向上的應力峰值同樣大于X 方向的應力峰值，前者與后者相比增大了66.5%。兩種混凝土澆筑厚度下，Y方向上的應力峰值都比X方向高出近66.0%，長邊中部受到的應力集中比短邊中部小，從而能夠發現大多數應力是由短邊方向承擔的。

將混凝土澆筑在無縱肋樓面模板上時，200mm 澆筑厚度和100mm 厚度相比，前者側向變形峰值提高了46.9%，長邊和短邊方向應力峰值分別增大了47.5%和47.0%，比較后能夠得到，長邊、短邊和側向變形最大值的提高幅度基本相同。

4.2 現用樓面模板的變形和應力

通過有限元軟件模擬分析現用樓面模板的變形和應力，模板材料同樣為6061-T6 鋁合金，其建模過程、模型單元處理方式與無縱肋樓面模板相同。同時模型邊界條件的設置、網格的劃分也和無縱肋樓面模板相同。當混凝土澆筑厚度為100mm 時，出現第一種均布荷載作用；當混凝土澆筑厚度為200mm時，出現第二種均布荷載作用，圖5～圖7為得出的現用樓面模板在兩種荷載作用下的變形和應力情況。對結果進行整理得到模板的應力、變形峰值如表3所示。

表3 現用模板的應力、變形峰值

圖5 現用模板變形云圖

圖6 現用模板短邊方向應力云圖

圖7 現用模板長邊方向應力云圖

從圖5～圖7能夠得出變形最大部位處于橫肋和側板相交圍成的中部區域。短邊向（X 方向）的應力峰值集中出現于長邊側板中間位置，有部分應力分布在縱肋上，X 方向上的應力主要由長邊側板來承擔，同時縱肋也承擔了短邊方向上的部分應力。長邊向（Y 方向）的應力峰值集中出現于短邊橫肋中間位置，端肋和橫肋共同發揮作用來承擔Y 方向上的應力。當混凝土澆筑厚度為100mm時，Y方向上的應力峰值要大于X方向的應力峰值，前者與后者相比增大了111.1%；當混凝土澆筑厚度為200mm時，Y方向上的應力峰值同樣大于X方向的應力峰值，前者與后者相比增大了109.5%。兩種混凝土澆筑厚度下，Y 方向上的應力峰值均約為X 方向的兩倍，長邊中部所受到的應力集中要比短邊中部小，從而能夠發現大多數應力是由短邊方向承擔的。

在無縱肋樓面模板上進行混凝土的澆筑，200mm 厚度和100mm 厚度相比，前者側向變形峰值提高了47.6%，長邊和短邊方向應力峰值分別增大了47.4%和48.5%，比較后可知長邊、短邊和側向變形最大值的提高幅度基本相同。采用同樣的方法可得到肋間面板的變形峰值和應力峰值，肋間面板尺寸為400mm×400mm×4mm，具體數值見表4。

表4 肋間面板的應力、變形峰值

5 結束語

為了深入分析鋁合金模板在實際應用中的受力變形情況，選擇較為合適的鋁合金模板類型，本文以某城市花園項目里的鋁合金樓面模板為例，通過有限元數值模擬的方式分析了單塊無縱肋鋁合金樓面模板、肋間面板、現場使用的鋁合金樓面模板在不同混凝土澆筑厚度下的變形情況和受力情況，得出如下結論。

①當混凝土澆筑厚度為100mm時，現用樓面模板應力峰值和變形峰值分別為20.9MPa 和0.21mm，肋間面板應力峰值和變形峰值分別為22.1MPa和0.58mm，無縱肋樓面模板的應力峰值和變形峰值分別是21.9MPa 和0.66mm。 當混凝土澆筑厚度為200mm 時，現用樓面模板應力峰值和變形峰值分別為30.8MPa 和0.31mm，肋間面板應力峰值和變形峰值分別為32.6MPa 和0.86mm，無縱肋樓面模板的應力峰值和變形峰值分別是32.3MPa和0.97mm。

②當混凝土澆筑厚度為100mm時，與肋間模板相比，無縱肋樓面模板的應力峰值降低0.9%，變形峰值提高了近13.8%。和無縱肋樓面模板相比，樓面模板應力峰值降低4.6%，變形峰值減小68.2%。當混凝土澆筑厚度為200mm時，與肋間模板相比，無縱肋樓面模板的應力峰值降低0.9%，變形峰值提高了近12.8%。和無縱肋樓面模板相比，樓面模板應力峰值降低4.6%，變形峰值減小68.0%。

③由此可得，現用樓面模板能夠在很大程度上減小樓面板的變形和所受應力大小，能夠有效地提高其安全性。并且樓面板的變形和承載能力都達到了國家相關標準要求，變形最大值未超過容許變形值1.5mm，應力最大值未超過彈性極限應力200MPa。