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基于有限元分析方法的定型木模板研究

来源:原创论文网 添加时间:2019-05-05
   有限元分析论文范文第三篇
  
  摘要:定型木模板在房建施工、公路施工中占据了重要的作用。但就目前为止, 还没有明确对针对这种模板的结构布置的计算方法。以牙买加南北公路三标项目为列, 通过对木模板结构布置进行理论分析研究的分析, 结合项目实践提高了定型模板的使用质量。
  
  关键词:有限元分析; 木模板结构; 布置;
有限元分析论文
  
  随着国家“走出去”战略的不断推进, 建筑施工企业海外业务份额逐年增加。在国外山区跨越沟壑修建高速公路时。常规定型钢模板因重量大、运输不方便、需要作业面大以及大型起重设备等因素限制其使用, 定型木模板具有重量轻、输运方便等特点, 能很好解决便道贯通困难、工作面狭小的海外山区公路混凝土浇筑问题。在这种情况下, 木模板结构布置研究方法成为了工程建筑领域亟待解决的主要问题, 引起了很多专家和学者重视。
  
  一、工程概况
  
  牙买加南北公路三标段工程起点K46+580与南北公路已建成段对接, 在Moneague与A1公路相交, 设分离式立交, 上跨A1公路后继续向北至Gold Grove东侧, 设置Lydford互通后, 向北迂回展线, 在Dunns River瀑布水源保护区西侧的Steer Town东侧接上北环海公路, 终点桩号K66+967.66, 通过设置Mammee Bay互通立交来实现本项目与北环海公路之间的交接转换。路线全长20.44km。
  
  二、施工难点及方案选择
  
  1. 工程地质地貌情况
  
  K46+580~K52+800该段地貌属构造溶蚀剥蚀丘陵区, 地形总体较陡, 局部山间洼地较平缓, 覆盖层系第四系残坡积红粘土土层, 总体较薄, 厚度变化大, 部分基岩出露;分布有跨越K47+720~K47+980、K48+980~K49+120和K49+360~K49+580四级边坡的深挖路堑。
  K59+000~K60+300该段地貌属构造溶蚀剥蚀丘陵区, 地形总体较陡, 局部山间洼地较平缓, 覆盖层系第四系残坡积红粘土土层, 总体较薄, 厚度变化大, 部分基岩出露;山间洼地存在冲积粘土层, 厚度较厚, 呈硬塑状态。
  K60+300~北终点该段地貌属构造溶蚀剥蚀丘陵区, 地形总体较陡, 覆盖层系第四系残坡积粘土土层, 总体较薄厚度变化大, 部分基岩出露;分布有9处深冲沟。
  
  2. 施工难点
  
  本项目构筑物数量多, 共有盖板涵和箱涵32座、天桥3座、互通立交一座, 且项目所在区域地形险峻, 施工作业面狭小, 施工便道难以贯通, 物资设备运输困难。常规公路项目所使用的定型钢模板因输运困难、施工作业面大而难以应用于本项目。考虑到构筑物的施工进度为路基贯通的关键工序, 因此构筑物施工所有模板必须结合一下几点考虑:第一要充分考虑运输的方便性;第二施工安全质量方面需满足要求;第三需确保模板的经济性和通用性。
  
  3. 方案选择
  
  本项目考虑根据涵洞洞身、桥台等结构尺寸, 制作定型模模板。定型模板的主要组成部分是弧长和半径的定型木模板拼接而成, 将桦杨木定义为主要材质, 模板会采用优质的桦杨木, 模板表面会使用强度较高的防水的酚醛胶, 会通过定型热压机弯曲定型生产而成。该模板的最大特点是强度高、重量非常轻、防水性强, 并且也具有较好的木质脱模性, 能够加速混凝土凝固时间, 保障道路外表的质量会符合清水混凝土的需求。
  凹凸槽咬齿可以充分的保障模板在竖着方位上的平整性和密闭性, 可以很好消除施工时容易出现的跑浆和漏浆的难题。木模板在模板拼装完成后, 先要将扁钢进行加固, 依据实际的情况计算出扁钢的纯和其布置间距需要根据实际情况而定, 设置4个竖背楞, 将其柱子的高度1.5m设置1道水平钢管连接固定, 并和全部的支撑相衔接。
  相对于直径大的立柱, 其背楞的设置的数量较多, 需要在竖背楞设定完成后, 在其外部多加一次扁钢, 加固到模板的轴线位置和垂直度处, 校正后, 在外侧四周做钢管架闭合遵接和四边相互切除, 并且和四周的外架进行衔接成整体。
  
  三、基于有限元分析的木模板结构优化布置
  
  1. 木模板布置方案的经验公式计算方法
  
  木模板布置方案中对其模板压力的计算是关键的步骤, 所谓模板压力指的是浇筑的混凝土处于的半流动状态, 流动性较强, 其混凝土的流动状态和液态物质相同会对被约束的流动竖向建模模板形成压力, 在振捣及自重、混凝土浇筑一起影响下在模板中形成侧向压力。产生混凝土压力的因素主要有:混凝土的物理性能、浇筑方式、模板的特征。可以形成的详细因素还有很多。如水泥用量、水灰比、骨料特征、浇筑时间和模版的几何尺寸等。将国内混凝土结构工程施工规范 (GB 50666-2011) 作为行业标准, 利用插入式振动器, 并且其浇筑的速度要小于1 Om/h, 其混凝土坍落度要小于180mm时, 假设, 由F代表浇注部分混凝土对模板的形成的压力, Y zx's e代表混凝土的密度取值, to'代表浇注混凝土的初凝时间, 利用式。
  
  2. 基于有限元分析的木模板结构优化布置
  
  (1) 木模板结构优化布置有限元模型的组建
  
  将有限元软件ANSYS引入到对定型模版的结构优化布置中, 对其模板和刚度承载状态进行分析。其中, shell63壳单元起到了关键的作用, 它可以详细的描绘出实时的模板结构, 获取的计算数据更为精确。Shell63具有较好的张力和其膜力, 能够承载较大的载荷。每个单元节点中包含多个自由度, {x, y, z}代表了节点的坐标系方向, 沿着该方向进行平移促使轴转动。在双线性等向强化弹塑性模型上构建模板体系的本构关系, 依据当前经验公式的初始布置结果, 将其板厚度设定为18 mm, 将其柱锢间的距离设定为300mm, 将扁钢柱箍的规格控制在2.3mm×70mm, 组建的有限元计算模型如图1所示, 表1为有限元的计算参数。
  从中可以计算出木板和钢带应力的状态, 木模板的最大等效应力可以表述为3.44N/mm2, 没有超过18 mm厚度多类木板抗弯强度设计值, 其钢带等效应力会表述为45.2N/mm2, 没有超过以215N/mm2为限度的不同类型的模板抗弯强度设计值, 模板的最大位移设定为0.34mm, 而300/250=1.2mm为可以超过的挠度值。从中不难看出, 木模板的设定的参数可以满足公路施工的项目需求。
  
  四、方案评估
  
  从上述计算结果中可以发现, 木模板的承受力会随着尺寸变化而改变, 其关键是感受到直径的影响, 而直径大则应力值就相应的变大, 在圆柱高度大于5m后, 这样的效果较为显著, 3m直径的模板应力值会超过2m直径模板的最大应力值的35%-50%。在进行钢带应力计算的时候, 可以明显的发现, 圆柱直径扩大而钢带应力加大的情况, 对于其柱子的高度和钢带应力紧密相联系, 有限元的计算结果可以明显的表述出, 钢带应力和其圆柱直径相互连接, 而其圆柱高度约束着钢带的应力, 相同直径圆柱高度差异性较小, 其结果显示是合理的。
  采取有限元分析计算, 明确了荷载最不利位置, 优化了模板结构, 使用方便且经济实惠。在牙买加南北高速三标项目K65+130天桥施工时, 定型模板一次浇筑高度达11.3m, 施工过程中未出现涨模或模板变形过大等质量问题。
  
  五、结束语
  
  定型木模板是国内较为常用的混凝土定性模板, 在房建、公路施工中占据了重要的作用。施工过程中, 需要保障其使用质量, 采用当前方法计算定型模版的变形和受力情况, 得到的木模板和钢带应力结果差异性较大。因此, 从工程安全性能来衡量, 对于定型木模板的应用需要进行分析, 组建基于有限元分析的木模板结构布置模型。经过有限元分析可以明确, 利用经验公式进行模板的结构布置较为精准, 并且具有一定的刚度和强度需求。
  木模板具有拼接简单, 支拆及运输方便的特点, 通过定型木模板在牙买加南北高速项目的成功实践, 为木模板在陡峻山区公路项目的应用积累了经验, 为类似项目提供借鉴。
  
  参考文献
  
  [1]江巍, 张启, 徐侠松等.大直径圆混凝土柱定型凹凸槽木模板布置的有限元分析[J].施工技术, 2016, 45 (S1) :702-707.
  [2]刘栋栋, 邓素芬.基于有限元分析的木结构屋架耐火性能研究[J].北京建筑工程学院学报, 2015, (1) :1-7.
  [3]佘敏.定型弧形木模板结构分析及施工技术研究[D].重庆:重庆大学, 2016.

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