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基于有限元分析方法的定型木模板研究

來源:原創論文網 添加時間:2019-05-05
   有限元分析論文范文第三篇
  
  摘要:定型木模板在房建施工、公路施工中占據了重要的作用。但就目前為止, 還沒有明確對針對這種模板的結構布置的計算方法。以牙買加南北公路三標項目為列, 通過對木模板結構布置進行理論分析研究的分析, 結合項目實踐提高了定型模板的使用質量。
  
  關鍵詞:有限元分析; 木模板結構; 布置;
有限元分析論文
  
  隨著國家“走出去”戰略的不斷推進, 建筑施工企業海外業務份額逐年增加。在國外山區跨越溝壑修建高速公路時。常規定型鋼模板因重量大、運輸不方便、需要作業面大以及大型起重設備等因素限制其使用, 定型木模板具有重量輕、輸運方便等特點, 能很好解決便道貫通困難、工作面狹小的海外山區公路混凝土澆筑問題。在這種情況下, 木模板結構布置研究方法成為了工程建筑領域亟待解決的主要問題, 引起了很多專家和學者重視。
  
  一、工程概況
  
  牙買加南北公路三標段工程起點K46+580與南北公路已建成段對接, 在Moneague與A1公路相交, 設分離式立交, 上跨A1公路后繼續向北至Gold Grove東側, 設置Lydford互通后, 向北迂回展線, 在Dunns River瀑布水源保護區西側的Steer Town東側接上北環海公路, 終點樁號K66+967.66, 通過設置Mammee Bay互通立交來實現本項目與北環海公路之間的交接轉換。路線全長20.44km。
  
  二、施工難點及方案選擇
  
  1. 工程地質地貌情況
  
  K46+580~K52+800該段地貌屬構造溶蝕剝蝕丘陵區, 地形總體較陡, 局部山間洼地較平緩, 覆蓋層系第四系殘坡積紅粘土土層, 總體較薄, 厚度變化大, 部分基巖出露;分布有跨越K47+720~K47+980、K48+980~K49+120和K49+360~K49+580四級邊坡的深挖路塹。
  K59+000~K60+300該段地貌屬構造溶蝕剝蝕丘陵區, 地形總體較陡, 局部山間洼地較平緩, 覆蓋層系第四系殘坡積紅粘土土層, 總體較薄, 厚度變化大, 部分基巖出露;山間洼地存在沖積粘土層, 厚度較厚, 呈硬塑狀態。
  K60+300~北終點該段地貌屬構造溶蝕剝蝕丘陵區, 地形總體較陡, 覆蓋層系第四系殘坡積粘土土層, 總體較薄厚度變化大, 部分基巖出露;分布有9處深沖溝。
  
  2. 施工難點
  
  本項目構筑物數量多, 共有蓋板涵和箱涵32座、天橋3座、互通立交一座, 且項目所在區域地形險峻, 施工作業面狹小, 施工便道難以貫通, 物資設備運輸困難。常規公路項目所使用的定型鋼模板因輸運困難、施工作業面大而難以應用于本項目。考慮到構筑物的施工進度為路基貫通的關鍵工序, 因此構筑物施工所有模板必須結合一下幾點考慮:第一要充分考慮運輸的方便性;第二施工安全質量方面需滿足要求;第三需確保模板的經濟性和通用性。
  
  3. 方案選擇
  
  本項目考慮根據涵洞洞身、橋臺等結構尺寸, 制作定型模模板。定型模板的主要組成部分是弧長和半徑的定型木模板拼接而成, 將樺楊木定義為主要材質, 模板會采用優質的樺楊木, 模板表面會使用強度較高的防水的酚醛膠, 會通過定型熱壓機彎曲定型生產而成。該模板的最大特點是強度高、重量非常輕、防水性強, 并且也具有較好的木質脫模性, 能夠加速混凝土凝固時間, 保障道路外表的質量會符合清水混凝土的需求。
  凹凸槽咬齒可以充分的保障模板在豎著方位上的平整性和密閉性, 可以很好消除施工時容易出現的跑漿和漏漿的難題。木模板在模板拼裝完成后, 先要將扁鋼進行加固, 依據實際的情況計算出扁鋼的純和其布置間距需要根據實際情況而定, 設置4個豎背楞, 將其柱子的高度1.5m設置1道水平鋼管連接固定, 并和全部的支撐相銜接。
  相對于直徑大的立柱, 其背楞的設置的數量較多, 需要在豎背楞設定完成后, 在其外部多加一次扁鋼, 加固到模板的軸線位置和垂直度處, 校正后, 在外側四周做鋼管架閉合遵接和四邊相互切除, 并且和四周的外架進行銜接成整體。
  
  三、基于有限元分析的木模板結構優化布置
  
  1. 木模板布置方案的經驗公式計算方法
  
  木模板布置方案中對其模板壓力的計算是關鍵的步驟, 所謂模板壓力指的是澆筑的混凝土處于的半流動狀態, 流動性較強, 其混凝土的流動狀態和液態物質相同會對被約束的流動豎向建模模板形成壓力, 在振搗及自重、混凝土澆筑一起影響下在模板中形成側向壓力。產生混凝土壓力的因素主要有:混凝土的物理性能、澆筑方式、模板的特征。可以形成的詳細因素還有很多。如水泥用量、水灰比、骨料特征、澆筑時間和模版的幾何尺寸等。將國內混凝土結構工程施工規范 (GB 50666-2011) 作為行業標準, 利用插入式振動器, 并且其澆筑的速度要小于1 Om/h, 其混凝土坍落度要小于180mm時, 假設, 由F代表澆注部分混凝土對模板的形成的壓力, Y zx's e代表混凝土的密度取值, to'代表澆注混凝土的初凝時間, 利用式。
  
  2. 基于有限元分析的木模板結構優化布置
  
  (1) 木模板結構優化布置有限元模型的組建
  
  將有限元軟件ANSYS引入到對定型模版的結構優化布置中, 對其模板和剛度承載狀態進行分析。其中, shell63殼單元起到了關鍵的作用, 它可以詳細的描繪出實時的模板結構, 獲取的計算數據更為精確。Shell63具有較好的張力和其膜力, 能夠承載較大的載荷。每個單元節點中包含多個自由度, {x, y, z}代表了節點的坐標系方向, 沿著該方向進行平移促使軸轉動。在雙線性等向強化彈塑性模型上構建模板體系的本構關系, 依據當前經驗公式的初始布置結果, 將其板厚度設定為18 mm, 將其柱錮間的距離設定為300mm, 將扁鋼柱箍的規格控制在2.3mm×70mm, 組建的有限元計算模型如圖1所示, 表1為有限元的計算參數。
  從中可以計算出木板和鋼帶應力的狀態, 木模板的最大等效應力可以表述為3.44N/mm2, 沒有超過18 mm厚度多類木板抗彎強度設計值, 其鋼帶等效應力會表述為45.2N/mm2, 沒有超過以215N/mm2為限度的不同類型的模板抗彎強度設計值, 模板的最大位移設定為0.34mm, 而300/250=1.2mm為可以超過的撓度值。從中不難看出, 木模板的設定的參數可以滿足公路施工的項目需求。
  
  四、方案評估
  
  從上述計算結果中可以發現, 木模板的承受力會隨著尺寸變化而改變, 其關鍵是感受到直徑的影響, 而直徑大則應力值就相應的變大, 在圓柱高度大于5m后, 這樣的效果較為顯著, 3m直徑的模板應力值會超過2m直徑模板的最大應力值的35%-50%。在進行鋼帶應力計算的時候, 可以明顯的發現, 圓柱直徑擴大而鋼帶應力加大的情況, 對于其柱子的高度和鋼帶應力緊密相聯系, 有限元的計算結果可以明顯的表述出, 鋼帶應力和其圓柱直徑相互連接, 而其圓柱高度約束著鋼帶的應力, 相同直徑圓柱高度差異性較小, 其結果顯示是合理的。
  采取有限元分析計算, 明確了荷載最不利位置, 優化了模板結構, 使用方便且經濟實惠。在牙買加南北高速三標項目K65+130天橋施工時, 定型模板一次澆筑高度達11.3m, 施工過程中未出現漲模或模板變形過大等質量問題。
  
  五、結束語
  
  定型木模板是國內較為常用的混凝土定性模板, 在房建、公路施工中占據了重要的作用。施工過程中, 需要保障其使用質量, 采用當前方法計算定型模版的變形和受力情況, 得到的木模板和鋼帶應力結果差異性較大。因此, 從工程安全性能來衡量, 對于定型木模板的應用需要進行分析, 組建基于有限元分析的木模板結構布置模型。經過有限元分析可以明確, 利用經驗公式進行模板的結構布置較為精準, 并且具有一定的剛度和強度需求。
  木模板具有拼接簡單, 支拆及運輸方便的特點, 通過定型木模板在牙買加南北高速項目的成功實踐, 為木模板在陡峻山區公路項目的應用積累了經驗, 為類似項目提供借鑒。
  
  參考文獻
  
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