摘要：传统的模板设计是根据经验公式，将模板的背楞和边框简化为连续梁，面板简化为单向板或双向板来进行验算，缺少对其整体的研究，现用有限元理论，将该钢框木胶合板简化梁板结构，利用ansys软件按实际工况进行力学分析，并采用opt模块对肋和边框进行形状优化，达到节省模板用钢材料的目的。

　　关键字：钢框木胶合板，梁板结构，ansys，优化

　　The Staticsanalysis and optimization of steel-frame

　　plywood formwork

　　Abstract：The traditional template design is based on empirical formula. The steel frames aresimplified as continuous beams, and the panelis calculatedasone-way or two-way panel board , this design islack of overall research, so according to the finite element theory, a new method take the steel-frame plywood formwork asbeam-slab structure,by using the Ansyssoftware,according to the actual working conditions，to make a mechanical analysis, by using opt module tomake ashape optimization, to achieve savings in steel materials.

　　Key words： steel-frame plywood formwork，beam-slab structure，ansys，

　　shape optimization

　　一. 引 言

　　建筑模板是混凝土的成型模具，是现浇混凝土结构工程的重要组成部分，在现浇混凝土结构工程中，模板工程一般占混凝土结构工程造价的20%~30%，占工程用工量的30%~40%，占工期的50%左右。钢框木胶合板是一种新型模板，这种模板采用模数制设计，横竖都可拼装，使用灵活，适用范围广，并有较完整的支撑体系，是国外应用最广泛的模板形式之一。

　　现阶段模板设计时，主要对面板、肋、穿墙螺栓等进行验算，将肋简化为连续梁、横纵肋区格出的面板简化为单向板或双向板。这种方法在设计、生产、研发新产品时费时费力，且缺少对模板的整体性能分析。

　　本文研究的钢框胶合板模板的边框采用异形空心冷弯型钢，模板框架的强度和刚度较大，模板规格为2700×2400(mm)，需要有一个整体性能分析，本文采用有限元软件Ansys对整块模板按照实际工况进行静力加载分析;又因设计建筑模板时，主要考虑模板结构的刚度和强度，对于钢框胶合板模板，混凝土的侧压力主要由焊接的钢框结构来承担，设计时既要考虑减少用钢量，又要使钢框结构具有足够的刚度，在Ansys的opt模块选择合适的参数进行优化，可以有效地解决这个问题。

　　二.模板的静态分析和优化过程 建筑模板的参数化建模

　　如图1所示，该模板为国外应用最广泛的钢框木胶合板模板，它主要由两部分组成，一部分为框架结构，它是由冷弯型边框(截面形状如图3)、背楞(截面形状如图2)焊接组装而成，另一部分为芬兰进口的wisa木胶合板。框架结构与木胶合板之间采用螺栓或铆钉连接，在承受混凝土载荷时，面板是嵌入到钢框内，使框架的变形自由度受到了限制，又有足够数量的螺栓加以连接固定，因此，计算时可以近似地将面板与钢框看成一个整体。所以，参数化建模时，选择该模板设计的穿墙螺栓x、y坐标分别作为参数，将该模板简化为梁板结构进行建模;选取beam188、shell63单元进行网格划分，其中ansys中的beam188单元具有自定义截面形状的功能，特别适合模拟异型截面冷弯型钢框，然后将横纵肋的宽度和厚度、边框的宽度定为参数，为下一步的优化做准备。

　　根据实际工况，该建筑模板在浇筑过程中主要受到混凝土的侧压力，国内外通过理论推导和试验，有很多的侧压力计算公式，本次计算采用我国《混凝土结构工程施工及验收规范》中提出的新浇混凝土作用在模板上的最大侧压力计算公式。浇筑过程中，穿墙螺栓和斜撑对模板进行支撑，因此，用Ansys软件计算时，在穿墙螺栓位置施加位移约束来模拟实际的工况，然后对整个模板加载混凝土侧压力，选择静态分析，进行求解。

　　初始设计参数下模板的等效应力计算结果如图4：

　　由图4可见，应力比较大的位置都出现在钢框上，施工载荷主要依靠钢框来承担，因此对钢框的优化有很大的意义。 建筑模板的优化过程 初步分析以后， 在Ansys的后处理模块中提取优化的状态变量和目标函数，状态变量为模板钢框和横纵背楞的最大应力、模板变形的最大挠度，目标函数为模板钢框和横纵背楞的钢用材总体积，然后用apdl语言建立优化分析文件。

　　优化数学模型如下

　　目标函数： Min Tvol(b，t，width)

状态变量：

　　其中设计变量的取值范围为：

　　优化方法：本次优化采用零阶方法，它是使用所有因变量(状态变量和目标函数)进行的迭代逼近。该方法是通用的方法，可有效处理大多数的工程问题。经过34次迭代求得模板用材最少的最优解。如图5所示：

　　结论 本文通过对该钢框木胶合板进行静态分析，并对钢框和背楞截面形状进行优化分析，得出现有模板的100×40背楞可优化至100×30，边框尺寸可优化至120×40，强度符合材料的要求，挠度不超过混凝土验收标准，即满足刚度要求，达到节省模板用材的目的。

　　参考文献

　　[1] 赵玉章.我国建筑模板技术的进步与发展方向.建筑技术，2006年8月

　　[2] 糜嘉平 建筑模板与脚手架研究及应用 中国建筑工业出版社 2001年1月

　　[3] 莫维尼 [美] 著 ANSYS理论与应用 电子工业出版社 2003年06月

　　[4] ANSYS7.0分析实例与工程应用