大板钢模设计及加工

摘要：在科学技术和审美观念高速发展的现今时代，常规大板钢模越来越不能适应日益多样化、复杂化的混凝土结构的施工。如何优化大板钢模体系的结构、合理选材，降低自重、增强其灵活性通用将是本文的重点。

关键词：大板钢模 结构优化 设计计算

一　选题理由

大板钢模由于其强度高、刚度好，表面平整光滑及经久耐用的特点而在我国混凝土结构施工中已广泛使用二、三十年。在这二、三十年中，大板钢模在结构、选材等方面均未有较大的改进，设计粗糙、结构既单一又笨重、维修及更改困难、灵活通用性差等缺点导致其越来越不能适应日益多样化、复杂化的混凝土结构的施工。虽然目前新型模板材料层出不穷，特别是胶合板的使用，克服了大板钢模存在的缺点，易于现场制作和修改、保温性能好、表面光洁，但在强度和刚度方面始终与大板钢模相比，存在很多缺陷，而且国内新型模板材料价格昂贵且质量极不稳定，这些因素使其终究无法完全替代大板钢模。因此，优化大板钢模的结构、改善大板钢模的性能将势在必行。

二、设计总体要求

模板体系在各种混凝土结构施工中占有举足轻重的地位，往往左右施工质量、速度和成本；同时，模板体系的施工又同混凝土结构施工的其他工序相互关联，密不可分。因此，模板体系设计的首要点就是从大局出发，了解结构设计及整体施工组织和方案，明确其它工序的施工对模板体系的影响和要求，确定模板施工方案。

　　 在混凝土结构的施工质量和进度要求越来越高的同时，工程造价却越来越低。因此，在模板体系设计时，一方面要确保模板的强度和刚度，模板板面平整光滑且几何尺寸误差小；而另一方面又要求模板体系结构简单、重量轻，灵活通用性强，模板支撑数量少、装拆方便快捷且用工量少。

三、大板钢模的结构及选材

大板钢模体系通常包含板面及板面加劲肋、模板支撑、施工脚手架、模板装拆体系等诸多部分，施工脚手架、模板装拆体系及其他专用辅助设施的结构种类繁多且在许多资料中亦有专论，本文在此就不加以讨论，而仅述及板面及板面加劲肋、模板支撑这三部分。

　　长期以来，国内建筑业所使用的大板钢模的结构几乎千遍一侓：（１）、板面加劲肋双向（即沿板面的纵横向）设置；加劲肋一般分大、小肋，大肋基本上全部采用角钢制作，而小肋既有采用角钢又有采用扁钢的；加劲肋与板面采用电焊联接成一个整体。模板结构复杂、加工难度和加工量大，一般仅适合于专业化工厂制作且因电焊热量和焊缝收缩的影响，整块模板存在不易校正的变形；不能充分发挥材料的性能，既浪费了材料又增加了模板的重量；灵活通用性差。（２）、采用设置有眼孔的角钢作为板面边框，板面与板面之间的连接通过板面边框采用螺栓或钢销连接。角钢眼孔的孔径和位置精度要求高，加工难度大，且多次装拆极易使眼孔变形，板面与板面之间的装配位置精度难以保证。（３）、模板支撑刚度差、数量多。特别是墙或柱模板支撑基本上都采用槽钢或工字钢作为背杠并设置大量的穿墙拉杆（对拉杆），装拆速度慢、用工多，模板支撑重量大，且由于大量的穿墙拉杆而导致混凝土表面质量差且修补工作量大。

　　　 机械加工的普及和粘接技术的发展，为优化大板钢模结构提供了有利条件，使大板钢模各构件之间全部采用可拆机械联接和粘接而替代电焊联接成为可能；另外，空心薄壁型钢的生产质量和生产能力的提高，也利于大板钢模用材向大刚度、低重量的趋势发展。根据这些情况，大板钢模的结构完全可以作出以下优化：

（１）、板面加劲肋采用矩形薄壁钢管或内卷边槽钢且单向设置。加劲肋与板面之间用沉头螺钉和专用卡具联接。从而在增大模板刚度的同时，又使模板结构简单、重量轻，制作方便且容易保证加工精度，并使模板灵活通用。板面沉孔的成型主要依靠专用成型刃具，所用机具可为配有专用支座的手电钻，也可为小型磁力电钻，在施工现场即可进行沉孔制作；而且沉孔精度容易保证，不会对板面平整度和光洁度造成很大的影响。如需增加板面与加劲肋之间的抗滑移力，还可将板面与加劲肋进行局部粘接。但单向加劲肋设置时应充分考虑模板吊装和组拼的强度及刚度，必要时需加设辅助加劲肋。

（２）、板面边框采用设置有加劲肋和眼孔的厚壁角钢。在边框角钢的接触面上用刨床或铣床加工出具有定位作用的槽口并配置专用定位件，而边框角钢上的眼孔仅起紧固作用，从而在降低角钢眼孔加工精度的同时又可依靠专用定位槽口和定位件来确保模板之间的装配精度；另外，还可在边框角钢之间的接触面上粘接密封橡胶条以改善板缝的密封性能。边框与板面之间采用沉头螺钉和粘接进行复合联接。

（３）、尽可能使用钢桁架作为模板支撑。一方面，钢桁架重量轻、刚度大，能在很大程度上减少穿墙拉杆或支撑钢桁架的构件的数量并节约材料，加快模板装拆速度，减少模板施工用工量，确保混凝土表面质量而且易于保证模板安装精度；另一方面，在高层建筑中还可采用钢桁架兼作施工脚手架，使高层建筑用施工脚手架的搭设问题迎刃而解。在四川省攀枝花市炳草岗金沙江大桥高达180m索塔塔柱施工中，就成功地采用了钢桁架作为模板支撑和施工脚手架：在该模板体系中，钢桁架宽0.5m、每米仅重16.2kg；对拉杆直径为30mm，水平设置间距为3.2m，垂向平均设置间距为1.2m，且对拉杆采用外拉及预留孔洞法进行设置从而能多次倒用；整套模板体系包括施工脚手架在内重仅83kg/m2，而模板承载力为50kPa且模板变形量极小。

附：　　　　　　　　　     　大板钢模常用材料　　

四、大板钢模的加工

１、　材料的采购　大板钢模的所有构件基本上是直接利用原材料而不需大范　　围的再次加工，其质量的好坏在很大程度上直接取决于原材料的质量；而国内钢材市场又良莠不齐，许多厂家和商家所提供的型钢大部分为次品甚至为不合格产品；部分材料采购员又缺乏相关的专业经验。因此，进行原材料的采购，一方面应指派专业技术人员进行材料的质量鉴定；而另一方面，又决不能因小失大，仅仅因为价格便宜就购买不合格材料而影响模板质量甚则影响混凝土结构施工。一般来说，小批量材料的采购主要是从型钢的外观质量和几何尺寸误差上加以质量的鉴定，几何尺寸误差必须符合国标要求。

１、  板面的裁剪

      采用剪板机进行机械剪切或采用火焰氧气切割是钢板下料的常用方法。剪板机下料的质量主要受剪切刃具间隙、刃口磨损、钢板定位精度及夹持力四个因素的影响。一般情况下，只要上述四个因素能得到很好的控制，就能使钢板切口齐整、变形小、毛刺及飞边少，钢板的下料精度容易得到保证。

　　火焰氧气切割方法具有便用灵活方便，设备投入少的特点，使用相当普遍，但火焰切割容易造成割口间隙不一且不齐整，割口甚至整块钢板受切割热量的影响而产生弯曲、翘曲等变形，并伴随钢材力学性能的变化。要提高火焰切割质量。一方面要采用半自动气割机或自行设计运载割矩的走行小车和导轨，来确保切割速度均匀、方向稳定，从而使割口整齐、平顺，而另一方面又要采用在割口周围加设浸水棉纱等方法，减小热影响区并有效防止割口变形和力学性能下降。

在钢板裁剪前，按设计尺寸并预留加工佘量进行裁剪线的划定是一必不可少的工作。钢板的划线需在专用平台上进行。由于很多钢板出厂时其相邻边并不垂直，因此，划线时应先在钢板面上设置精确的直角坐标，然后根据尺寸要求划定裁剪线，最后还需对边、角之间的所有相互关系进行仔细复核。

3、钻孔

钻床各部位之间的配合间隙大，主轴长且细，刚度差，钻头刃磨不易保证质量等因素导致无法依靠钻床自身来确保钻孔精度，因此，在工件上设置钻头导向和定位夹具是保证钻孔精度的主要方法，刃具及刃磨参数的选择、刃磨质量、钻头的转速和进给速度也或多或少地影响定位夹具的使用寿命和孔径的精度。

４、              联接

模板各构件之间的联接是在专用拼装平台上进行的，在联接时，首先要确保相互联接的构件之间位置正确且密贴完好，在采用粘接剂联接时，还按粘接工艺要求对被联接件接触面进行预先处理。螺栓联接必须加设弹簧垫圈。对需经常装拆的螺栓，可在安装时涂抹黄油，以便保护螺栓并便于拆  ，而板面与加劲肋的联接螺栓则需涂抹密封胶以防螺栓松动并保证板面的密封性。构件粘接前还需进行粘接试验，以完全掌握粘接工艺并测定粘接强度，而粘接时一定要严格按照工艺要求进行操作。

附：

                 大板钢模制作允许偏差

五、设计计算

  　　 模板设计计算的主要目的是在选定材料后，根据砼施工条件和要求，模板构件的刚度和强度要求确定板面加纵肋、模板支撑的设置间距和数量，由于模板支撑结构复杂，种类繁多，有时还需要单独对模板支撑进行设计和计算。

    这里我们仅以单向加劲肋设置且加劲肋与板面采用可拆机械联接的墙模板的计算为例，来说明模板设计计算的方法。鉴于模板背杠结构计算较复杂且在许多资料中可查，此例中就不加以计算。

　　已知条件：板面厚δ＝４mm、高3m、宽4m，加劲肋为□８０×４０×２的矩形钢管且水平设置，混凝土坍落度１６～２０cm，初凝时间６h，浇注速度V＝1m/h。

　　计算目的：根据施工条件和材料确定加劲肋设置间距a及加劲肋横向支撑高度y1、y2。

１、              模板荷载计算

墙模板的荷载主要为新浇混凝土側压力和灌注及捣固混凝土时所产生的附加压力，精确计算和测定墙模板的荷载比较困难，目前还无可应用于这方面精确计算的理论公式。在此拟采用以下经验公式：

p=pmax=4.0+1500KＶ1/3/(T+30)     H≤h0

p=(H0-H)γ+P0    　　　　  h0≤H≤H0

Ｋ——混凝土初凝时间、外加剂、坍落度等对侧压力影响的修正系数。此处取Ｋ＝1.5

Ｔ——新浇混凝土的温度，此处取T=20C0。

　 γ——混凝土比重，一般取γ＝２５×１０３KN／m3

　  P0—灌注和捣振混凝土时产生的附加侧压力，此处取P0＝８kPa

    H0——混凝土浇注终了高度，此处H0＝3.0m

  h0＝H0－（pmax－P0）／γ

  根据计算，得出模板荷载竖向分布规律：

　H≤1.36m,      p=49 kPa

1.36m≤H≤3.0m, p=(83-25H) kPa

２、              板面加劲肋设置间距的确定

　　　板面加劲肋的设置间距主要根据板面的刚度和强度要求确定。板面的刚度和强度可按均布静载等跨连续梁进行计算；由于板面边框紧邻加劲肋，在计算时可不考虑其受力及变形。

（１）、　刚度条件：f=kf(12 Pmaxa4/Eδ4)/100<[f]

　　　kf--挠度系数，可取kf=0.7；E---钢材弹性模量,一般E=200Gpa；δ---钢板厚度；根据混凝土表面质量要求,一般可取板面容许挠度[f]=2.0mm。

     a=(100[f]Eδ3/12kfpmax)1/4

          =[100×2.0×0.2×43/(12×0.7×49×103)]1/4

      =0.28m

（２）、　抗弯强度条件：σ=6kmpmaxa2/δ2≤[σ]

    km---弯矩系数, 常取km=0.125

    根据钢结构设计要求, A3钢的容许应力[σ]=182MPa

      a<([σ] δ2/（6kmpmax）)1/2

           =[182×42/(6×0.125×49×103)]1/2

       =0.28m

       根据刚度和强度条件，板面加劲肋设置间距为0.28m,整块模板需设置15根加劲肋。

３、              加劲肋横向支撑设置位置

〈1〉           根据加劲肋设置间距和板面荷载分布规律可知每根加劲肋的荷载分布：

 ql=Pmax×a=13.72kn/m    H=1.36m

 ql=P×a=（23.24-7H）kN/m    1.26m≤H≤3.0m

荷载合力  F=Pmax×a×h0+(Pmax+P0)(H0-h0)/2=31.75Kn

合力中心  y0=[Pmax×a×h02/2+ a(H0γ+P0)(H02-h02)/2-

              a(H03- h03)P/3]/F

       =1.217m

〈2〉           加劲肋横向支撑设置两道，根据支撑受力相同及板面加劲肋在支撑点和跨中弯矩相等的原则，确定支撑设置位置y1及y2，

支撑的跨中点，设在加劲肋荷载合力中心y0 ，即：y1+y2=2y0

根据弯矩相等的原则，y1 = y0/(1+21/2)=0.5m

               y2=2y0- y1=2.0m（由1.934m圆整而得）

〈3〉               加劲肋弯曲强度校核：

б=1/2Pmax ×a×y1 2/Wx

  =1/2×13.72×103×0.52/(9.28×10-6)

  =184.8MPa

 由于模板施工主要以刚度为准且施工危险性小，因此可留较小的安全储备，同时薄壁A3钢材的бs=235MPa，因此，加劲肋的弯曲强度可以满足要求。

根据以上计算，加劲肋横向支撑分别设置在距模板下端为0.5m和2.0m处。

            六、参考资料

   1、《建筑施工手册》（缩印本）第二版   ISBN7-112-01464-6  中国建筑工业出版社。

   2、《简明施工计算手册》江正荣、朱国梁编， ISBN17-112-00720-8  中国建筑工业出版社。

   3、《混凝土工程施工新技术》龚仕杰主编   ISBN7-80093-886-7   中国环境科学出版社。

   4、《袖珍机械设计所手册》毛端德、李振清主编 ISBN7-111-04286-7   机械工业出版社。 

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