基於混凝土橋墩鋼模板的有限元分析
基於混凝土橋墩鋼模板的有限元分析
王波1,2劉毓湘1,2
（1 暨南大學力學與土木工程係；2 重大工程災害與控製
教育部重點實驗室， 廣東廣州，510632）
［摘要］利用大型商用有限元軟件Ansys對典型的橋墩施工鋼模板、外部縱橫肋及勁性骨架進行整體建模並計算分析。研究了在受現澆混凝土產生的水平荷載作用下鋼模板、外部縱橫肋及勁性骨架的變形及應力分布。結果表明，通過有限元方法，可以更準確地模擬鋼模板與外部縱橫肋及勁性骨架的相互作用。可為橋墩施工時鋼模板的設計提供參考。
［關鍵詞］橋墩；鋼模板；有限元；變形；應力
1引言
橋墩施工過程中包含一個非常重要的部分，那就是模板工程［1］。隨著橋墩向更高更大的方向發展，出現了很多大型整體施工組合鋼模板。它具有強度高、剛度大、拆裝方便、通用性強、周轉次數多及節約材料等優點，但是在具體施工過程中，鋼模板受力情況複雜，不合理的設計會導致不可預計的後果。
通常組合鋼模板的麵板為厚度在2mm至5mm之間的鋼板。它比起通常意義上的圓板、矩形板［2］等平板來說，具有更複雜的三維結構。
目前，國內外已有不少學者對施工模板進行過不同方麵的研究。Metin Arslan［3］等就施工時混凝土對模板的壓力做了研究，提出模板材料對混凝土的壓力有很大影響，且以鋼為材料的模板產生的壓力較吻合規範規定的混凝土壓力公式的計算值；Piskoty G［4］等針對一個特定的橋墩鋼模板倒塌事故做了數值的動態模擬； Uy B和Das S［5］對鋼模板在濕混凝土作用下做了研究，采用板的線性有限元理論進行了分析與計算；彭衛平［6］等以隧洞襯砌定型鋼模板為例，建立了不同襯砌段位置和支撐形式條件下的定型鋼模板有限元模型，計算了不同工況下模板的應力與變形；徐連民［7］等對鋼模板分析後給出了簡化的結構設計計算公式及方法；胡正華等［8］針對溫州某高速公路大橋墩柱鋼模板倒塌事故做過技術分析，指出模板倒塌跟模板的設計有很大關係，施工之前未能對模板進行合理的設計分析是導致模板倒塌的主要原因。
本文以常見的橋墩鋼模板為例，進行了有限元分析。利用大型商用有限元軟件Ansys對典型的橋墩施工鋼模板進行整體空間建模，考慮了與麵板焊接的外部縱橫加勁肋及勁性骨架，得到施工時鋼模板在混凝土水平荷載作用下的應力及變形。旨在為橋墩施工鋼模板的設計提供一些計算思路。
2有限元模型
橋墩施工時常用組合鋼模板，由麵板及支撐麵板的加勁肋組成。如圖1所示的橋墩組合鋼模板麵板采用的是5mm厚的Q235鋼板，支撐麵板的加勁肋由焊接在麵板上的槽鋼以及支撐該槽鋼的勁性骨架組成。勁性骨架為槽鋼的組合桁架。鋼模板底部半圓部分半徑為125m，頂部半圓部分半徑為18m，墩高16m。
對於施工鋼模板的計算，由於結構和受力複雜，傳統手工計算時通常采用簡易計算［9］。
（1）麵板的計算：考慮大麵積的麵板被縱橫加勁肋分隔成多個小方格，把小方格內的麵板看成是單向板或者雙向板，邊界條件視不同情況看成是簡支或者固支來進行計算。
（2）縱橫加勁肋及勁性骨架的計算：縱橫肋及勁性骨架均采用結構力學的方法求解。縱橫肋被視為連續梁，勁性骨架被視為桁架，而作用荷載則是簡化的荷載。
因此簡易計算方法雖然簡單，但是並不能考慮麵板外部的縱橫加勁肋及勁性骨架對麵板的影響，所以手工計算結果隻能粗略地反應施工麵板、縱橫加勁肋及勁性骨架的位移及應力分布情況。