徐 帥

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

0 引言

2020年上半年受到新冠肺炎疫情的影響,我國整個建筑行業(yè)在上半年的現(xiàn)狀并不樂觀,根據(jù)中國建筑業(yè)協(xié)會發(fā)布《關于新冠肺炎疫情對建筑業(yè)企業(yè)影響的調查報告》,疫情對企業(yè)的影響主要包括:影響施工進度,進而影響工期;停工造成的資本停滯和成本增加;原材料、人工費、運輸費等成本上漲[1].如何在復工后控制成本,提高施工效率是一個亟待解決的問題.在混凝土結構施工成本和勞動量中,模板工程均占有較大比重.一般在梁板、框架和板墻結構中,成本占左右30 %,勞動量占到在28 %到45 %.在傳統(tǒng)的建筑模板中對木材消耗量巨大,對環(huán)境的影響也日益增大[2].單塊模板重量通常不超過30 kg,如果采用鋼模板,模板的尺寸受到重量限制,過多的模板數(shù)量導致施工速度慢,同時容易留下更多模板之間連接痕跡.鋁合金模板采用擠壓成型的鋁合金型材加工而成,標準化程度高、質量輕,在國內外建筑工程中有了一定的應用[3-4].但由于在脫模時容易有混凝土粘連鋁合金表面,影響使用次數(shù),導致造價居高不下[5].

鋁合金復合材料模板充分發(fā)揮鋁合金易于加工的特性和塑料脫模簡便、利于養(yǎng)護的優(yōu)勢,以實現(xiàn)其在工廠預制、高機械化的制備方式,有效降低模板單位面積重量,減少模板和部件數(shù)量,加快施工速度,提高混凝土澆筑質量,降低工程量和減少資源消耗[6].

1 計算模型

1.1 模型尺寸

為了研究復合材料模板的受力性能,設計1個常規(guī)鋁合金模板尺寸模型SJ 1和1個復合材料模板模型SJ 2,兩者選用的肋板高度和厚度相同.模板長度為1 100 mm,寬度為400mm,按照《JG/T 522-2017 鋁合金模板》中對尺寸要求進行設計.鋁合金材料采用牌號6 061 T 6狀態(tài)[7].兩者的不同之處主要在于,SJ 2試件的面板采用鋁合金與塑料的復合材料,并且將鋁合金部分擠壓為燕尾槽型,燕尾槽大小端分別為17 mm和25 mm,寬度高度取為5 mm,按照對稱設計.

表1 試件參數(shù)(單位:mm)Table 1 Parameters of specimens(Unit:mm)

(a) SJ 1

(b) SJ 2

在ABAQUS數(shù)值模擬中,為了與實際受力情況更為貼近, SJ 2試件模型別建立鋁合金面板和塑料膜層,并按照整體受力考慮.試件SJ 1和SJ 2的幾何尺寸和詳細參數(shù)如表1所示,兩個試件除了面板有所差異,其它設計參數(shù)一致.SJ 1在數(shù)值模擬中的整體模型如圖1(a)所示,模型中設置了5個內橫肋.假定每個內橫肋與面板以及側肋板可靠連接. SJ 2的整體模型如圖1(b)所示,通過與圖1(a)對比,可以看出面板的斷面設計有所差異, SJ 2的面板由鋁合金面板層和塑料膜層兩部分組成.兩個模型在數(shù)值模擬中所采用的材料本構關系情況如表2所示[8].

表2 材料的本構關系情況Table 2 Definition of constitutive relation of material

1.2 加載情況

根據(jù)《JG/T 522-2017 鋁合金模板》中關于鋁合金模板強度和剛度的規(guī)定, 分別計算試件SJ 1和SJ 2在承受均布荷載作用下的受力及變形情況[9].有限元模擬中對試件SJ 1和SJ 2頂部施加的豎向壓力為45 kN/m2以及60 kN/m2.模型的加載示意情況如圖2所示,在長度方向的支撐點距離為750 mm.

圖2 加載簡圖Fig.2 Loading diagram

2 性能分析

2.1 模型加載過程

在有限元分析中采用C 3 D 8 R實體單元模擬模板,通過圖3可以看出,在模型的面板的中部750 mm×400 mm范圍內施加均布荷載,兩端長度175 mm×400 mm范圍內按照規(guī)范要求不施加荷載,同時在施加荷載的邊緣設置內橫肋,并約束此位置內橫肋3個方向的位移,盡可能貼近規(guī)范要求.在分析變形性能時,均布荷載施加為45 kN/m2,在分析受力性能時,均布荷載大小變?yōu)?0 kN/m2.

圖3 模型加載Fig.3 Loading of model

2.2 變形性能

通過圖4可以看出,在模板施加45 N/m2的均布條件下,試件SJ 1與SJ 2在側向肋板和內橫肋板之間分隔的各個面板區(qū)域變形分別如圖所示4(a)和4(b)所示.兩個試件的變形形態(tài)相似,最大的變形均出現(xiàn)在模板的中部.加載區(qū)域分布在模板中部750 mm范圍內,約束布置在加載區(qū)邊緣,因此模板兩端幾乎沒有變形.由于SJ 2復合材料模板采用的鋁合金面板厚度僅為2mm,相對于SJ 1普通鋁合金模板材料更薄,變形也稍大.試件SJ 1豎向最大變形為1.314 mm,試件SJ 2豎向最大變形為1.448 mm.兩者的最大變形均滿足《鋁合金模板》對變形小于1.5 mm的設計要求.

(a) SJ 1

(b) SJ 2

2.3 承載力

在模板施加60N/m2的均布條件下, 由圖5可以看出,試件SJ 1與SJ 2的應力分布分別如圖5(a)和5(b)所示.兩個模型有限元的應力分布云圖相似,應力呈現(xiàn)出兩側的邊肋板最大,靠近模板中間區(qū)域,受內側布置內橫肋的影響,應力有所減小.模板兩端由于沒有均布荷載作用,幾乎沒有應力變化. 試件SJ 1最大應力為67.59 MPa,試件SJ 2最大應力為65.24 MPa.由于SJ 2復合材料模板采用的鋁合金面板為燕尾槽形,相對于SJ 1普通鋁合金模板有更好的空間受力性能,應力相對所有降低,兩者均滿足應力不超過材料設計強度的要求[10].

(a) SJ 1

(b) SJ 2

2.4 經(jīng)濟性對比

結合兩種類型模板的剛度和承載力情況,可以發(fā)現(xiàn)兩者的性能比較相似.在經(jīng)濟性方面,僅考慮原材料的費用情況,由于疫情影響,人工費和運輸費都會存在較大變化,本文暫不考慮這部分的差異.在本文中,采用鋁合金和塑料組成的復合模板,其斷面的鋁合金用量為1 778 mm2,塑料用量為705 mm2,單位長度重量為5.63 kg/m;而常規(guī)的鋁合金模板,其斷面的鋁合金用量為2 050 mm2,單位長度重量為5.64 kg/m.

盡管兩種模板單位長度重量相近,但是原材料費用鋁合金價格約為1.98萬/噸,塑料價格約為1.31萬,采用鋁合金復合模板的成本約為普通鋁合金模板的95.4 %.

3 結論

通過對普通鋁合金模板和鋁合金復合模板的模型在相同荷載作用下的有限元分析,根據(jù)數(shù)值模擬的情況可以總結出以下幾點:

(1) 鋁合金復合模板在均布荷載作用下,與普通鋁合金模板相比,變形略大,應力較小.

(2) 鋁合金復合模板可以達到《鋁合金模板》規(guī)范中對剛度和承載力的要求.

(3) 鋁合金復合模板相比普通鋁合金模板材料用量更少,經(jīng)濟性更好.