沉管侧墙模板变形控制及模板结构优化

摘要

模板工程在建筑施工中起着至关重要的作用。近年来随着土木行业的发展，工程中对模板的设计要求愈发提高，如何合理利用材料以降低成本一直是模板设计的难点之一。本文以沉管侧墙模板为工程依托，分别从模板变形计算、模板最优参数组合、支撑架尺寸优化等方面展开研究。主要内容如下： （1）本文将构造正交异性板理论引入模板变形计算，从而较为准确、简便地计算沉管侧墙模板变形。沉管侧墙模板属于构造正交异性板，由于其结构的复杂性，计算构造正交异性板通常采用等效刚度法，即将构造正交异性板简化为一个无肋、等厚的理想材料正交异性板，以便借助材料正交异性板的挠曲微分方程求解。对于构造正交异性板挠曲微分方程中的刚度系数，一些学者提出了不同的表达式，何种表达式更适用于本文提到沉管侧墙模板计算，需要进一步分析。针对5种不同的刚度系数表达式，结合有限元分析结果进行对比分析，结果表明金成棣定义的抗扭刚度系数表达式更适用，进一步结合纳维法求解构造正交异性板挠曲方程得到其挠度解。该挠度解可较方便地计算模板变形，避免了有限元繁琐的建模和求解过程，但采用该挠度解计算一些参数组合下的模板结构时，发现与有限元结果相差较大。本文对误差原因进行分析，并提出挠度叠加的计算方法，对挠度解进行修正，取得了良好的修正效果； （2）针对沉管模板工程对模板提出的平整度、强度、经济三个要求，寻求沉管模板结构参数的最优组合。首先采用正交试验法，以模板的质量、最大应力和最大位移为试验指标，以模板板厚、纵向肋间距、纵向肋尺寸为试验因素讨论分析了影响模板性能的关键因素。进而基于有限元分析结果，拟合出模板挠度与板厚、纵向肋间距的关系式，确定满足平整度的参数组合。通过比较不同参数组合下的模板质量，选择质量最小的参数组合为最优参数组合。最后对最优参数组合下的模板进行强度校核； （3）对复杂的侧墙模板支撑系统进行有限元建模分析，从有限元计算结果可以看出，部分钢梁受力和变形较小，存在钢材浪费现象，对支撑架进行尺寸优化是有必要的。因此以支撑架体积为目标函数，以支撑架各钢梁截面为设计变量，应用Abaqus的优化模块进行尺寸优化，优化结果显示，模板支撑系统在刚度未减小的情况下总体质量下降了24.3%。

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