运用结构力学求解器对施工现场墙体模板支撑体系的计算验证

1、基建部工程监理处运用结构力学求解器对施工现场墙体模板支撑体系的计算验证14摘 要 随着现代建筑业的发展，模板在现浇筑混凝土构件中的应用越来越来广，特别是现代建筑层高的增加，较大型模板普遍的出现在现代工程中。而伴着现代建筑外观及安全要求的提高，对大模板的观感和安全也提出了更高的要求。所以，大模板的理论验证就成了整个工程中一个重要的组成部分。较大型模板的理论验证计算一直都是模板专项工程中非常重要基础，一般较大模板的验证主要从面板载荷、支撑体系布局计算、穿墙螺栓的规格选择三方面进行理论计算。而模板的面板可以看做是承受均布荷载作用，而其支撑可以看作是受集中载荷作用，故而可以运用结构力学求解器进行计算，

2、进而得到要验证的结果。在工程施工过程中，现场监理人员往往对施工单位报上的大模板计算方面的论证计算文件的合规、安全性不能做出准确的数值计算分析进而在理论上进行确认，本文选取作者曾经工作过的93#研发楼工程地下墙体的较大模板为计算实例，利用结构力学求解器及结构力学、材料力学相关理论已经进行计算验证。 关键词： 结构力学求解器 模板 计算 验证 目 录第一章 模板的基本知识11.1模板概念及基本功能11.2模板的基本要求11.3模板的种类21.4本章小结2第二章墙体模板模型的选取及参数设置32.1参数信息32.2本章小结4第三章运用结构力学求解器进行模型的计算与分析53.1结构力学求解器的介绍53.

3、2墙模板面板的计算63.3墙模板支撑的计算103.4穿墙螺栓计算113.5本章小结12第四章 总结阐述13参 考 文 献14第一章 模板的基本知识1.1模板概念及基本功能 现浇混凝土结构施工用的模板，是使混凝土构件按设计的位置、几何尺寸要求浇筑混凝土成形的模型板，是混凝土构件成形的一个十分重要的组成部分。在保证构件位置正确的同时，它要承受混凝土结构施工过程中的载荷，包括水平载荷（混凝土的侧压力）和竖向载荷（模板自重、材料结构和施工载荷）。 模板工程的目的，是保证混凝土工程质量与施工安全、加快施工进度和降低工程成本。所以模板的设计与使用应具有以下基本功能：（1） 保证混凝土工程结构和构件各部分形

4、状尺寸和相互位置的准确。（2） 保证施工过程中混凝土结构和构件的稳定及安全。（3） 保证其他施工作业的正常实施，并尽可能地提供便利条件。1.2模板的基本要求 模板工程的费用，占现浇混凝土结构工程费用的1/3左右，支拆用工量占1/2左右。模板工程的正确选用，对于提高工程质量，加速施工进度，提高工作效率，降低工作成本和实现文明施工，都具有重要的影响。 为此，对模板及其支架有如下要求：（1） 保证工程结构和构件各部分形状、尺寸和相互位置的正确；（2） 具有足够的强度、刚度和稳定性，能可靠的承受新浇混凝土的重量和侧压力，以及在施工过程中所产生的载荷；（3） 构造简单，装拆方便，并便于钢筋的绑扎与安装，

5、符合混凝土的浇筑及养护等工艺要求；（4） 模板接缝应严密，不得漏浆；（5） 必须确保新浇筑混凝土的表面质量；（6） 坚持因地制宜、就地取材的原则，做到支拆简便，周转次数多。1.3模板的种类 混凝土新工艺的出现，大都伴随着模板的革新，随着建筑事业的飞速发展，现浇混凝土结构所用模板技术已迅速向工具化、定型化、多样化、体系化方向发展，除木模外，已形成组合式、工具式、永久式三大系列工业化模板体系。 模板的种类可以依三种方式分类： 按材料分为：木模版、钢框木（竹）模板、钢模板、其他材料模板； 按施工方法分：现场拆装式模板、固定式模板、移动式模板； 按结构类型分：基础模板、柱模板、梁模板、楼板模板、楼梯模

6、板、墙模板、壳模板。1.4本章小结 本章主要介绍模板的基本知识，为下文模板模型的选取和计算分析打下基础。第二章墙体模板模型的选取及参数设置 本章选取93#研发楼工程地下室墙体模板为计算模型，并设置相关计算参数。2.1参数信息（1）模板构造墙模板高度H：5.5m；墙混凝土楼板厚度：400mm；（2）荷载参数经查相关资料：混凝土对模板侧压力标准值G1k：44.343kN/m2；倾倒混凝土产生的荷载标准值Q5k：2kN/m2；（3）模板参数加固楞搭设形式：主楞竖向、次楞横向设置；1、面板参数面板采用模板宽300面板厚2.30钢面板；厚度：2.3mm；抗弯设计值fm：205N/mm2；弹性模量E：20

7、6000N/mm2；2、主楞参数材料：2根483.5钢管；间距(mm)：700；钢材品种：钢材Q235钢；弹性模量E：206000N/mm2；屈服强度fy：235N/mm2；抗拉/抗压/抗弯强度设计值f：205N/mm2；抗剪强度设计值fv：120N/mm2；端面承压强度设计值fce：325N/mm2；2、 次楞参数材料：1根483.5钢管；间距(mm)：250,500*10；钢材品种：钢材Q235钢(16-40)；弹性模量E：206000N/mm2；屈服强度fy：235N/mm2；抗拉/抗压/抗弯强度设计值f：205N/mm2；抗剪强度设计值fv：120N/mm2；端面承压强度设计值fce：

8、325N/mm2；3、加固楞支拉参数加固楞采用穿墙螺栓支拉；螺栓直径：M16；螺栓水平间距：700mm；螺栓竖向间距(mm)依次是：100,500*10；2.2本章小结 本章主要进行了计算模型的选取以及基本参数的设置，以便于后续展开计算分析。第三章运用结构力学求解器进行模型的计算与分析3.1结构力学求解器的介绍结构力学求解器(SM Solver)是一个面向教师、学生以及工程技术人员的计算机辅助分析计算软件，其求解内容包括了二维平面结构(体系)的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、包络图、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学课程中所涉及的一系列问题，全部采用精确算法给出精确解答。本

9、软件界面方便友好、内容体系完整、功能完备通用，可供教师拟题、改题、演练，供学生作题、解题、研习，供工程技术人员 分析、设计、计算之用。求解功能分为自动求解和智能求解两类。(1) 自动求解功能：平面体系的几何组成分析，对于可变体系可静态或动画显示机构模态；平面静定结构和超静定结构的内力计算和位移计算，并绘制内力图、反力图和位移图；平面结构的自由振动和弹性稳定分析，计算前若干阶频率和屈曲荷载，并静态或动画显示各阶振型和失稳模态；平面结构的极限分析，求解极限荷载，给出塑性铰位置，并可静态或动画显示单向机构运动模态； 平面结构的影响线分析，并绘制影响线图；平面结构的内力包络图分析，并绘制包络图。(2)

10、 智能求解功能：平面体系的几何构造分析：按两刚片或三刚片法则求解，给出求解步骤；平面桁架的截面法：找出使指定杆成为截面单杆的所有截面；平面静定组合结构的求解：按三种模式以文字形式或图文形式给出求解步骤。结构力学求解器只能计算曲杆单元，所以在利用结构力学求解器对算例进行求解时，把算例模型划分成若干个直杆单元，进行求解分析.并且把算例拱结构划分为许多个单元，计算出结果，应用于比较分析。3.2墙模板面板的计算由于面板为受弯结构，需要验算其抗弯强度和刚度，面板按照简支跨计算。这里取面板的计算宽度为1.000m。面板的截面惯性矩I和截面抵抗矩W分别为: I = 26.3901011000/300.000

11、= 8.797105mm4； W = 5.8601031000/300.000= 1.953104mm3；1、荷载计算及组合(一) 新浇混凝土作用于模板的最大侧压力G4k按下列公式计算，并取其中的较小值: F1=0.22t12V1/2 F2=H其中 混凝土的重力密度，取24.000kN/m3； t - 新浇混凝土的初凝时间，可按现场实际值取，输入0时系统按200/(T+15)计算，得5.714h； T 混凝土的入模温度，取20.000； V 混凝土的浇筑速度，取1.500m/h； H - 砼侧压力计算位置处至新浇砼顶面总高度，取5.500m； 1- 外加剂影响修正系数，取1.200； 2- 砼

12、坍落度影响修正系数，取1.000。根据以上两个公式计算得到： F1=44.343 kN/m2 F2=132.000 kN/m2根据国内外大量试验研究，当模板的高度2.5m时，最大侧压力F3=50 kN/m2；新浇混凝土作用于模板的最大侧压力G4k=min（F1，F2，F3）=44.343 kN/m2；混凝土侧压力的有效压头高度：h=F/=44.343/24.000=1.848m；(二) 倾倒砼时产生的荷载标准值Q3k Q3k=2kN/m2；(三) 确定采用的荷载组合计算挠度采用标准组合： q=44.3431=44.343kN/m；计算弯矩和剪力采用基本组合：有效压头高度位置荷载：q=max（q

13、1，q2）=55.641kN/m； 由可变荷载效应控制的组合：q1=0.9(1.244.343+1.42)1=50.410kN/m； 由永久荷载效应控制的组合：q2=0.9(1.3544.343+1.40.72)1=55.641kN/m；有效压头高度位置以下荷载： q=0.91.3544.3431=53.877kN/m；顶部荷载： q=0.91.40.721=1.764kN/m；2.内力计算面板承受均布荷载作用，根据实际受力情况运用结构力学求解器进行计算（计算输出的效果图），1到8单元是均布载荷，9到12单元受线性载荷，端部可简化为如图支座：得到弯矩图、剪力图及变形图如下： 弯矩图(kNm)

14、剪力图(kN) 变形计算简图 变形图(mm)经过计算得到:从左到右各支座力分别为：N1=28.362kNN2=25.134kNN3=27.423kNN4=26.806kNN5=26.984kNN6=26.888kNN7=27.094kNN8=25.926kNN9=19.129kNN10=11.984kN N11=4.080kN 最大弯矩 M= 1.684kNm 最大剪力：V= 14.892kN 最大变形：= 0.211mm 最大支座反力：F= 28.362kN3.面板计算(一) 面板抗弯强度计算 =M/W=1.684106/1.953104 =86.194N/mm2实际弯曲应力计算值 =86.

15、194N/mm2 小于抗弯强度设计值 f=205N/mm2，满足要求！(二) 面板挠度计算容许挠度: =1.5mm；有相关标准可以得到容许挠度，利用输出的结果中的位移数据计算挠度进行对比：第1跨最大挠度为0.211mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第2跨最大挠度为0.011mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第3跨最大挠度为0.047mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第4跨最大挠度为0.036mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第5跨最大挠度为0.039mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第6跨最大挠度为0.039mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第7

16、跨最大挠度为0.038mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第8跨最大挠度为0.042mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第9跨最大挠度为0.032mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第10跨最大挠度为0.019mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第11跨最大挠度为0.014mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！第12跨最大挠度为0.020mm，容许挠度为1.500mm，满足要求！由此可以得到：各跨实际最大挠度计算值小于最大允许挠度值，满足要求！3.3墙模板支撑的计算1.次楞计算次楞采用1根483.5钢管为一组，共11组。次楞的截面惯性矩I，截面抵抗矩W和弹性模量E分

17、别为：I=112.19104= 1.219105 mm4；W=15.08103= 5.080103 mm3；E=206000 N/mm2；次楞直接承受模板传递的荷载，按照均布荷载作用下的三跨连续梁计算。次楞均布荷载按照面板最大支座力除以面板计算宽度得到：(a) 计算弯矩和剪力采用：q = 28.362/1=28.362 kN/m；(b) 计算挠度采用：q = 23.343/1=23.343 kN/m；最大弯矩 M = 0.1ql2=0.128.3620.72=1.390kN.m最大剪力 V=0.6ql=0.628.3620.7=11.912kN最大支座力 N=1.1ql =1.128.3620

18、.7=21.838kN最大变形 = 0.677ql4/100EI=0.67723.3437004/(100206000.0001.219105)=1.511mm(1) 次楞抗弯强度计算 =M/W=1.390106/5.080103 =273.567N/mm2实际弯曲应力计算值 =273.567N/mm2 大于抗弯强度设计值 f=205N/mm2，不满足要求！建议增大次楞截面尺寸或增加次楞合并根数或减小主楞间距。(2) 次楞抗剪强度计算 =VS0/Itw=11.91210003473/(1.2191053.5)=96.965N/mm2；实际剪应力计算值 96.965 N/mm2 小于抗剪强度设计

19、值 fv=120.000 N/mm2，满足要求！(3) 次楞挠度计算最大挠度： =1.511mm；容许挠度: 结构表面隐藏=l/250=2.800mm；实际最大挠度计算值: =1.511mm小于最大允许挠度值: =2.800mm，满足要求！2.主楞计算主楞采用2根483.5钢管为一组，间距700mm。主楞的截面惯性矩I，截面抵抗矩W和弹性模量E分别为： I=212.19104= 2.438105 mm4； W=25.08103= 1.016104 mm3； E=206000 N/mm2；然而主楞承受次楞传递的集中力，进而运用结构力学求解器根据实际受集中力情况进行运算，得到计算简图及内力、变形图

20、如下：经过计算得到: 最大弯矩： M = 1.884kNm 最大剪力： V= 14.584 kN 最大变形： = 0.403mm 最大支座反力：F= 23.594kN(1) 主楞抗弯强度计算 =M/W=1.884106/1.016104 =185.420N/mm2实际弯曲应力计算值 =185.420N/mm2 小于抗弯强度设计值 f=205N/mm2，满足要求！(2) 主楞抗剪强度计算 =VS0/Itw=7.29210006946/(2.4381053.5)=59.356N/mm2；实际剪应力计算值 59.356 N/mm2 小于抗剪强度设计值 fv=120.000 N/mm2，满足要求！3.4穿墙螺栓计算其计算公式为:NN= fA其中 N - 穿墙螺栓所受的拉力； A -