1、新型空腹鋼框膠合板設(shè)計(jì)與計(jì)算分析黃昌1，劉家彬1（1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京，210096）摘 要：由東南大學(xué)土木工程施工研究所研發(fā)的新型空腹鋼框膠合板采用9mm厚竹膠合板為面板，用不同間距的冷彎薄壁異型鋼為鋼框，再用鉚釘將面板固定在邊框上。由于鋼框的加勁，提高了面板的剛度與承載力。本文提出研發(fā)方案并通過(guò)ANSYS對(duì)由冷彎型鋼作為邊框的膠合板進(jìn)行理論分析，主要驗(yàn)證新型空腹鋼框膠合板在3mm設(shè)計(jì)邊框厚度下是否滿足撓度和剛度要求，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支持。關(guān)鍵詞：鋼框膠合板；ANSYS；撓度；冷彎型鋼；邊框New Fasting Steel Frame&#

2、160;Plywood Design and AnalsysHuang Chang1, Liu Jiabin1(1. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096)Abstract: Southeast University, Institute of Civil Engineering Construction research and development a new type of fasting steel frame

3、 plywood, this steel frame playwood take 9mm thick Bamboo Plywood as panel. Use a cold-formed steel with a different pitch as the border, and then rivet the panel is fixed to the border. To improve the stiffness and bearing capacity of the panel due to the stiffening of the steel

4、 border. This paper presents the research and development programs and the theoretical analysis by ANSYS to the cold-formed steel as the border of plywood, Verify the new fasting steel frame plywood thickness of 3mm border meets the deflection and stiffness requirements. For further experimental tes

5、ting and optimizing the design to provide theoretical data support.Key words: Steel frame plywood; ANSYS; Deflection; Cold-Formed Steel ; Frame鋼框膠合板模板是在組合剛模板之后發(fā)展起來(lái)的一種新型模板。這種模板是用一定厚度的竹編膠合板為面板，用不同間距的冷彎薄壁型鋼為鋼框，再用鉚釘或其它連接件將面板固定在邊框上。由于鋼框的加勁，提高了面板的剛度與承載力。鋼框膠合板有自身的特點(diǎn)：?jiǎn)螇K模板體積大，重量輕；節(jié)約鋼材；促進(jìn)工程模板的變革和使用快拆體系。鋼框膠合板模

6、板直接造價(jià)低于組合鋼模板, 節(jié)約能源、充分利用現(xiàn)有資源, 是一種很有生命力的新型模板。由于具有塊大、自重輕、拼縫少、施工效率高、板面壞了可更換等特點(diǎn)，是今后發(fā)展的方向。 1 設(shè)計(jì)背景模板是保證混凝土結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求澆筑混凝土成形的一種臨時(shí)模型結(jié)構(gòu)。目前建筑工程現(xiàn)場(chǎng)人工裝拆使用的模板材料主要以木膠合板為面板，以木方或直徑48mm的鋼管為背楞，散裝散拆，現(xiàn)場(chǎng)從事模板工程施工的作業(yè)量大，工人隨意鋸截模板造成大量的模板材料的浪費(fèi)?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)仍然是我國(guó)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，模板工程中采用人工方式裝拆模板仍是主流。對(duì)于建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土構(gòu)件采用人工裝拆的模板，既要拼裝輕便靈活，又要拼縫嚴(yán)密多次周

7、轉(zhuǎn)使用。邊框高度為55mm的組合鋼模板雖單塊模板自重輕和組拼靈活，但存在外邊肋和面板的鋼板厚度偏薄，條狀鋼板外邊肋平面外剛度差，模板易翹曲變形，鋼外邊肋連接部位焊接質(zhì)量得不到保證，易在運(yùn)輸和裝拆過(guò)程中外邊肋角部條狀鋼板間焊縫撕裂。國(guó)內(nèi)外目前通用的實(shí)腹鋼外邊肋高度為63mm或75mm的鋼框膠合板模板，當(dāng)模板塊自重控制在30公斤以內(nèi)時(shí)，條狀鋼外邊肋的鋼板較薄，剛度差易變形；若鋼外邊肋條狀鋼板加厚到6mm時(shí)，雖增加了剛度使其不易變形，但模板塊自重超過(guò)30公斤，裝拆勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適應(yīng)于中國(guó)建筑工人的體力。若采用膠合板做面板，木方或鋼管做背楞的散裝散拆模板，工人在模板安裝過(guò)程中，往往隨意鋸截整張面板和通

8、長(zhǎng)木方，造成模板材料的極大浪費(fèi)，并顯著減少了重復(fù)周轉(zhuǎn)使用的次數(shù)，大量廢舊模板成為主要的建筑垃圾源，不利于國(guó)家創(chuàng)導(dǎo)的綠色施工和“四節(jié)一環(huán)保”方針。由于存在上述多種問(wèn)題，與人工裝拆模板作業(yè)方式匹配的輕型工具式模板未得到很好的解決，這也限制了住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部致力于新型模板與腳手架新技術(shù)的推廣應(yīng)用和直接影響了國(guó)家創(chuàng)導(dǎo)的綠色施工的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。為解決當(dāng)前等存在的問(wèn)題，本文提供一種適用于建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)便于人工進(jìn)行模板裝拆的以外邊肋高度55mm或65mm為主的輕型空腹鋼框膠合板模板。用臺(tái)階形空腹鋼外邊肋解決公知組合鋼模板和鋼框膠合板的實(shí)腹鋼外邊肋剛度差易翹曲變形的問(wèn)題；用木膠合板、竹膠合板或其他復(fù)合材料板鑲嵌

9、在鋼邊肋中解決工地工人不再隨意鋸截大面張膠合板的問(wèn)題；用工具式的輕型空腹鋼框膠合板解決有效提高重復(fù)周轉(zhuǎn)使用次數(shù)的問(wèn)題，并將單塊模板重量控制在30公斤以內(nèi)，解決適合中國(guó)建筑工人體力和勞動(dòng)強(qiáng)度的問(wèn)題2 設(shè)計(jì)方案本次研發(fā)的空腹鋼框膠合板，空腹外邊肋高度與目前建筑工地常用的15mm厚度木膠合板及平放的40×90mm或50×100mm木方尺寸相匹配，即采用高度為15mm40mm=55mm或1550mm=65mm；用Q235鋼或Q345鋼焊管或無(wú)縫鋼管拉拔成所需尺寸的外邊肋空腹鋼管，解決較小尺寸的空腹異型管材的制造問(wèn)題；外周空腹鋼邊框采用臺(tái)階式截面形狀，第一個(gè)水平臺(tái)階可作為擱置和安裝固

10、定厚度為9mm或12mm木膠合板或竹膠合板的平臺(tái)，第二個(gè)斜面臺(tái)階可作為鋼框膠合板模板塊間固定夾具的夾爪夾持的平臺(tái)，并同時(shí)可作為建筑工人裝拆模板時(shí)手指抓握模板塊的平臺(tái)； 圖1 邊框截面圖鋼框膠合板內(nèi)部與縱向外邊肋垂直的橫向內(nèi)鋼肋采用實(shí)腹Z形鋼，解決鋼肋平面外的穩(wěn)定問(wèn)題及有效減輕自重。圖2 橫肋截面圖3 計(jì)算分析2.1分析對(duì)象主要針對(duì)外周空腹邊框的模板整體性能和邊框的截面特性進(jìn)行ANSYS分析，限于篇幅所限，選取1200mm長(zhǎng)度，寬度為600mm，每600mm設(shè)置一個(gè)Z型鋼橫肋的鋼框?yàn)榉治鰧?duì)象。2.1.1 材料板為1.2m×0.6m鋼框膠合板模板, 空腹鋼框用60*3鋼管拉拔成型，材料Q

11、235，橫肋、縱肋采用矩形薄壁梁材質(zhì)Q235，屈服應(yīng)力215N/mm²，面板采用9mm厚竹膠板，橫向靜曲強(qiáng)度60MPa，縱向靜曲強(qiáng)度90MPa，橫向彈性模量5500MPa，縱向彈性模量7500MPa。 模板構(gòu)造初步設(shè)計(jì)的模板構(gòu)造邊框、橫肋和橫板橫斷面見下列詳圖圖3邊框截面詳圖 圖4橫肋截面詳圖 圖5模板橫斷面2.1.3 荷載除模板自重外，尚應(yīng)考慮樓板混凝土重量（按25.1kN/m3計(jì)，板厚按120mm、150mm、200mm及250mm四種情況，分項(xiàng)系數(shù)1.35）及施工活荷載（按2.5kN/m3計(jì)，分項(xiàng)系數(shù)1.4）。2.2 有限元分析基于ANSYS分析，選用Beam188單元、應(yīng)用自

12、定義截面技術(shù)模擬鋼框和次肋，選用shell63單元模擬竹膠板，并應(yīng)用正交異性材料模型模擬竹膠板的正交雙向異性材料特性。面板與鋼框、次肋通過(guò)栓釘連接，建模中采用主從節(jié)點(diǎn)技術(shù)，使栓釘處面板節(jié)點(diǎn)與鋼框或次肋節(jié)點(diǎn)剛性連接；無(wú)栓釘連接部分，面板與鋼框或次肋自由接觸，為與實(shí)際受力情況逼近，在接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間建立只受壓、不受拉桿單元（Link10）。建立的有限元模型見圖圖6有限元模型模型自重施加體荷載，樓板重量及施工活荷載按面荷載施加于竹膠面板上。2.3 有限元分析結(jié)果圖7有限元分析結(jié)果以120mm為例，輸出圖形結(jié)果圖8輸出結(jié)果按250mm厚最不利荷載分析計(jì)算結(jié)果。對(duì)于撓度，鋼框絕對(duì)撓度為1.885mm12

13、00/500=2.4m次肋絕對(duì)撓度2.054-1.885=0.169mm600/500=1.2mm；膠合板絕對(duì)撓度2.379-2.054=0.325mm600/500=1.2mm。對(duì)于應(yīng)力，鋼框最大拉應(yīng)力76MPa；次肋最大拉應(yīng)力39MPa；膠合板最大壓應(yīng)力21MPa，最大壓應(yīng)力14MPa。均滿足安全要求。故該設(shè)計(jì)從理論計(jì)算的角度是合理可靠的。4 結(jié)語(yǔ)為解決現(xiàn)有模板的不足而研發(fā)的55系列空腹鋼框膠合板，提出設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出的輕型空腹鋼框膠合板模板模板塊自重能控制在每塊重量在30公斤以內(nèi)，并能獲得較大的模板塊面積，適宜建筑工地人工裝拆模板和轉(zhuǎn)運(yùn)模板；模板塊的臺(tái)階形空腹鋼外邊肋剛度大，模板使用中邊

14、肋不易變形，制作時(shí)邊肋焊接拼裝容易，且焊縫少，便于高精度制作成形；空腹鋼框膠合板模板塊的高度采用55mm或65mm，適應(yīng)了工地用散拼的常用木膠合板和木方作為非標(biāo)準(zhǔn)填充模板的需要；空腹外邊肋的臺(tái)階形截面型式便于建筑工人裝拆作業(yè)時(shí)手指抓握模板邊框，符合人體工學(xué)，不設(shè)置專用的手提模板的手柄，簡(jiǎn)化了加工和制作工藝。在模板加工成型前進(jìn)行ANYSYS計(jì)算機(jī)仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果得出結(jié)論：設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，為進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論數(shù)據(jù)支撐。按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，委托加工廠加工該試件數(shù)塊，并對(duì)試件模板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，加載采用單點(diǎn)荷載多次分配的方法,將集中力通過(guò)砂墊層均勻的施加在模板上,利用配重塊模擬均布荷載對(duì)該建筑模板的關(guān)鍵部位施加載荷，實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄沙子和其它有關(guān)設(shè)備的重量,可以求得模板受荷的大小,試驗(yàn)時(shí)主要記錄木板跨中撓度、模板邊框跨中相對(duì)于兩邊的撓度，并監(jiān)測(cè)支座變形，同時(shí)檢驗(yàn)面板與邊框是否協(xié)同作用。靜載試驗(yàn)如下圖所示圖9實(shí)驗(yàn)加載圖在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)鋼框的應(yīng)變和模板的撓度變化進(jìn)行測(cè)量，分析所得的測(cè)量數(shù)據(jù);然后與同等約束情況下ANSYS計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證理論計(jì)算并為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn)1 葉海軍，史鳴軍.建筑模板的發(fā)展歷程與前景.山西建筑，2007，1