铝合金模板抗弯性能研究与结构优化分析

2022-12-06冯建新

太原学院学报(自然科学版) 2022年4期

周锫，冯建新，刘娉

(1.湖南工程职业技术学院工程管理学院，湖南长沙 410000; 2.水发(湖南)交通建设集团有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

铝合金模板凭借着质量轻、强度高、拆装方便、节能环保等优点，在工程中应用越来越广泛[1]，但由于其力学性能和相应的设计施工规范尚不成熟，在全国没有得到有效的推广[2]。黎文方[3]通过对楼面和墙柱铝合金模板开展的3组试验，得到了适用于标准铝合金模板的尺寸型号；潘钦锋等[4]对6块不同的铝合金模板进行纯弯试验，研究了在加卸载过程中铝合金模板的残余变形、刚度变化等力学性能，但并没有对受力机理开展进一步的分析；张平平等[5]对铝合金模板的各组成部分在不同荷载下的应力应变关系开展了试验研究，为铝合金模板的早拆设计提供了参考。以上成果均在试验的基础上研究铝合金模板的力学性能，然而均未进行深层次的传力机理分析，且没有从经济角度对结构进行优化。

因而，本文在材料性能试验的基础上，通过ABAQUS软件对设计的铝合金楼面模板进行了深层次的受力机理分析，并对边肋高度、加劲肋和背肋数量等构件进行参数分析，从经济的角度对铝合金模板的合理优化提出了建议。

1 铝合金模板试件设计与材料性能试验

1.1 试件设计

铝合金楼面模板由面板、加劲肋、边肋、端肋和背肋构成，图1为铝合金模板的构造简图。其中，面板、加劲肋和边肋一次性加工成型，端肋和背肋焊接在面板上。文中楼面模板长度×宽度为1 200 mm×400 mm，厚度为4 mm，边肋和端肋截面尺寸相同，高度为65 mm，厚度为7 mm。加劲肋的截面尺寸为25 mm×20 mm，背肋为空心方管，边长为35 mm，厚度为4 mm。

(a) 平面示意图

1.2 材料性能试验

参考《金属材料拉伸试验》(Q/GBT 228.1)[6]和《室温泊松比试验方法》(ANSI/ASTM E132—1997)[7]制作了铝合金拉伸试件，并在万能试验机上进行了拉伸试验，该试验机最大负荷为600 kN，试验力值分辨率为1/20 000。图2为拉伸试件示意图及几何尺寸，得到的铝合金材料性能指标实测值如表1所示。

图2 拉伸试件示意图及几何尺寸Fig.2 Schematic diagram and geometric size of tensile specimen

表1 铝合金材料性能实测值Tab.1 Measured performance of aluminum alloy material

2 有限元计算

2.1 铝合金材料本构模型

选用ABAQUS有限元软件对铝合金楼面模板进行数值分析，铝合金材料的应力-应变关系采用文献[8]中的两段式模型，如图3所示。该模型中考虑了应变的硬化阶段，且应力-应变关系唯一，有利于保证计算收敛。铝合金的材料性能根据材性试验结果取值。图3中的应力-应变关系为：

式中：f0.2为铝合金材料的屈曲强度，MPa；fu为铝合金材料的抗拉强度，MPa；ε0.2为铝合金材料达到屈服强度时的应变；εu为极限应变。

2.2 模型建立

按照试件的实际尺寸，建立有限元模型，模型中，铝合金楼面模板各部件均采用C3D8R实体单元，由于实际工程中铝合金模板各组成部分均为焊接，因而有限元中各部件采用刚性连接。采用结构化网格划分方法对每个部件进行划分，图4为有限元的几何模型和网格划分。楼面模板的支撑为简支约束，两支座间距为1 000 mm，采用4分点的加载方式对铝合金楼面模板进行抗弯性能研究。

图3 铝合金材料应力-应变关系Fig.3 Stress-strain relationship of aluminum alloy material

图4 有限元的几何模型和网格划分Fig.4 Finite element geometric model and meshing

2.3 结果与分析

图5 弯矩-挠度曲线Fig.5 Bending moment-deflection curve

图5为铝合金楼面模板跨中的弯矩-挠度曲线。从中可以看出，跨中挠度在加载初期随着弯矩的增大呈线性增长，跨中挠度达到10 mm时，铝合金楼面模板仍处于弹性阶段。根据《组合铝合金模板工程技术规程》(JGJ386-2016)，模板变形极限值为单块模板跨度的1/400，且单块模板变形值不超过1.5 mm。相较规范规定中的变形限值，文中选用的铝合金模板形式过于保守，下文将对其结构形式进行优化分析。

图6为铝合金楼面模板计算结果云图。图6(a)为变形云图，可以看出模板变形沿中心对称，跨中挠度最大，竖向挠度值由中心向两端递减；图6(b)为Mises应力云图，在加载至变形最大值时，边肋和加劲肋的应力值达到屈服，由此可知，边肋和加劲肋是铝合金楼面模板的受力薄弱部位，在设计时应予以加强，其他部位可以相对减弱。

图6 铝合金楼面模板云图Fig.6 Cloud picture of aluminum alloy floorformwork

分析铝合金楼面模板中面板、边肋和加劲肋分别承担的荷载，绘制成跨中弯矩-挠度曲线，如图7所示。

图7 各组件弯矩-挠度曲线Fig.7 Bending moment-deflection curves of each component

从图中可以看出，在面板、加劲肋和边肋中，边肋承担的弯矩最大，加劲肋次之，面板最小。在跨中挠度达到10 mm时，加劲肋进入屈服阶段，随着加载的增大承担的弯矩逐渐减小。相应的，加劲肋在跨中挠度达到10 mm时，承担弯矩的速度增大，挠度达到17 mm时，弯矩增大的速度开始减缓。

2.4 结构优化分析

结构形式对铝合金模板的受力性能有着至关重要的作用，各组件在受力过程中也起着不同的作用。为充分发挥材料及各组件的性能，对铝合金楼面模板中的边肋高度、加劲肋数量和背肋数量进行建模分析。除以上参数与前文不同外，其余参数均与前文保持一致。为方便比较，在参数分析中只对弹性阶段进行分析。

2.4.1边肋高度

铝合金模板在受力过程中边肋承担的荷载最大，其刚度影响着模板的整体刚度。有限元模型中选用3种不同的边肋高度，不考虑加劲肋和背肋的影响，具体参数和有限元分析结果如表2所示。可以看到，随着边肋高度的增大，模板的整体刚度不断增大，弹性阶段跨中弯矩-挠度的斜率依次为0.36，0.45，0.52。然而，弹性阶段跨中最大变形值随着边肋高度的增加而减小，弹性变形能力有所减弱。图8为边肋铝合金用量分别对弹性跨中最大变形值和弹性刚度的拟合曲线。从图8可见，弹性刚度随边肋铝合金用量的增大呈线性增大，增大斜率为1 997.62，弹性跨中最大变形值随边肋铝合金用量的增大呈线性减小，减小斜率为4 738.10。

表2 边肋对模板力学性能的影响Tab.2 Influence of side ribs on mechanical properties of formwork

图8 边肋高度对模板弹性刚度和弹性变形的影响Fig.8 Influence of side rib height on elastic stiffness and elastic deformation of formwork

2.4.2加劲肋数量

加劲肋可以提高模板的塑性变形能力，为进一步研究其对模板弹性受力性能的影响，选用了3种不同加劲肋数量，不考虑背肋的影响，边肋高度为65 mm，表3为加劲肋参数和有限元分析结果。从表3可以看出，随着加劲肋数量的增加，模板的整体刚度依次增大，弹性阶段跨中弯矩与挠度的斜率分别为0.45，0.46，0.49。此外，模板的弹性变形能力随着加劲肋数量的增加而增大，弹性阶段跨中最大变形值依次为8.61，9.60，9.99。图9为加劲肋铝合金用量分别对弹性跨中最大变形值和弹性刚度的拟合曲线。可见随着铝合金用量的增大，弹性刚度增大的速率有所增大，从13.81增大到48.14，弹性跨中最大变形值增大的速率逐渐减缓，从1 643.33减小到656.70。

表3 加劲肋对模板力学性能的影响Tab.3 Influence of stiffening ribs on mechanical properties of formwork

图9 加劲肋数量对模板弹性刚度和弹性变形的影响Fig.9 Influence of the number of stiffening rib on the elastic stiffness and elastic deformation of theformwork

2.4.3背肋数量

背肋对提高模板整体稳定性和防止边肋翘曲都具有显著作用。在分析背肋数量对模板力学性能的影响时，不考虑加劲肋的影响，边肋高度为65 mm，背肋参数和有限元分析结果见表4。当背肋数量增大时，模板的整体刚度也会随之增大，但弹性阶段跨中最大变形值出现先减小后增大的趋势，最大变形值分别为8.61 mm，8.27 mm，8.30 mm。图10为背肋铝合金用量分别对弹性跨中最大变形值和弹性刚度的拟合曲线。从图10可见，弹性刚度随背肋铝合金用量的增大近似呈线性增大，增大速率为120.84，背肋铝合金用量对弹性跨中最大变形值的影响逐渐趋于平缓。