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摘 要：全钢模板面板厚度是影响混凝土表面成型的重要因素，增加面板厚度可提高混凝土表面成型质量，但是盲目的增加面板厚度，模板的材料成本也会随之上升，进而造成施工成本的增加。本文以全钢模板的面板为研究对象，对其受力及加工难度进行对比分析，优化面板厚度，为全钢模板的设计和加工提供参考。
关键词：全钢模板面板;单向板;厚度;变形;屈服
中图分类号：TU755.2+1 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）02-0000-00
0 引言
自20世纪70年代末期我国“以钢代木”的方针推动以来，混凝土桥梁施工中大量应用了全钢模板结构，并且由于其强度高、刚度大、使用寿命长，几乎取代了以往混凝土桥梁施工中木模板、竹胶板模板的地位。
混凝土桥梁施工中模板工程占混凝土工程造价的20%～30%，占工程用工量的30%～40%，模板的质量直接影响到混凝土结构的质量和造价，而模板结构中决定混凝土成型后表面质量的主要结构是面板。作为直接接觸混凝土的部分，面板厚度的选择直接影响混凝土成型后的表面质量。近几年混凝土全预制装配施工工艺的兴起，对混凝土预制件的成型精度、表面平整度等质量要求越来越高。与此同时，随着混凝土材料技术的不断发展，自密实混凝土、UHPC超高性能混凝土的逐步推广，使得模板在混凝土浇筑过程中受到的压力更大，更容易产生变形。显然使用更厚的面板可以解决上述问题，但在市场经济条件下，需要寻求性能和经济性的平衡点。因此如何更合理的选择面板厚度，在全钢模板结构设计中显得尤为重要。
1 不同厚度面板的应力及变形比较
混凝土桥梁施工中所用钢模根据使用情况分为标准小钢模和异型定制模板，如图1（a），小钢模的面板厚一般为3mm，宽度及长度尺寸为模数制设计，通用模板宽度从100mm～1200mm不等，长度为450mm～2100mm不等。小钢模常用在隐蔽的混凝土结构或对表面质量要求不高的混凝土结构中，如设计需回填的墩柱承台、公路箱梁内腔等位置。因其应用场合不同，对模板特别是面板的允许变形相对较为宽松，故不列入本文对比范围。而对于受力大、外表裸露的混凝土结构，例如公路及铁路墩柱、箱梁等，均会采用定制模板进行浇筑，如图1（b），本文主要对定制模板面板的厚度选取进行分析和对比。
定制钢模板通常由面板、次肋、主肋等组成，面板的材料基本均为Q235钢板。在施工过程中混凝土作用在模板上的侧压力以及倾倒荷载、振捣载荷，均直接作用在面板上，然后通过面板将压力传递到次肋，再通过次肋，将压力传递到主肋、支架或拉杆上。次肋与主肋分层布置，次肋间距一般为0.25m～0.4m。如图2（a），按照次肋的布置方式，在强度校核中可将面板简化为单向板[4]进行计算。
单向板的跨度即为模板次肋的间距，单向板受力后变形最不利的约束方式为单向简支。通过对多个墩柱及箱梁项目混凝土浇筑参数的统计和分析，桥梁施工中混凝土浇筑时对模板的侧压力为65kPa左右，单向板跨度取0.35m，约束方式为简支，如图3，分别计算此条件下面板厚度为3mm～16mm时的受力及变形情况，结果如表1。
从表中可以看出，随着面板厚度的增加，相同载荷与约束条件下面板的应力、变形随着厚度的增加而减小。当面板大于6mm后，面板的应力均小于GB50017-2017《钢结构设计标准》中要求的材料许用应力215MPa[2]。同时，根据JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》中5.2.7节的要求，结构表面外露的模板，最大允许挠度为模板构件跨度的1/400，面板变形需小于1.5mm[4]。提取表1中的变形数据并绘制厚度-变形曲线，如图4。从图中可直观的看出当面板厚度为6.6mm时变形为1.5mm，而当面板厚度大于8mm后，面板厚度的变化对变形的影响越来越小。
2 不同厚度面板加工及成型难度
面板形状由混凝土结构设计决定，在桥梁施工中，桥墩、桥梁的结构大都不是标准的平面或圆弧结构，存在很多圆角、倒角以及曲面结构，从而面板也要加工成对应的形状来确保混凝土成型效果，如图5（a）、（b）。
面板的成型主要通过特制模具，使面板发生非弹性变形来达到所需的形状。从异形模板的面板加工成型角度而言，面板厚度越厚，成型所需的压力越大，成型难度也越大，成型效果也越难以保证，尤其是较厚的钢板，成型时容易产生裂缝，使产品报废[5]。在满足强度及刚度要求的前提下，面板厚度越小，越有利于异形模板的加工成型。
同时，钢模板成型以焊接为主，面板厚度越小，对焊接工艺要求越高，且对焊接应力更为敏感，焊接完成后更容易是钢模板出现不可控的焊接变形。故从焊接工艺及焊接变形控制的角度而言，面板厚度不宜过小。
3 不同厚度面板在使用时的失效比较
以Q235材质的面板为研究对象，其屈服强度为235MPa[1]，面板应力大于屈服强度时表示该面板屈服，单向板简支跨度仍取0.35m，跨中施加屈服力F，使之弯曲应力刚好为235MPa，分别计算板厚为3～16mm时的屈服力F，将结果汇总后得到板厚-屈服力曲线图，如图6。
图6中曲线为面板屈服力和厚度的关系，直线为上节混凝土面板变形分析中面板受到的力，计算得到上一节中单向板所受力为22.75kN。从图6中可知，面板与屈服力呈二次曲线关系，屈服力曲线和混凝土等效力交点处对应的面板厚度大于7mm。
混凝土工程施工时，模板的面板首先要满足在承受混凝土压力时不发生非弹性变形，其次该变形要满足规范要求，然后再考虑加工时的难易程度，结合图4和图6的结果，在前文所定义的条件下，面板厚度大于7mm时，模板满足混凝土施工中所需强度和刚度要求。
4 结语
本文对模板在最不利工况下的结构受力进行分析，计算面板厚度为3mm～16mm范围内单向简直板的变形和屈服力情况，给出了面板的选型取值范围，为模板设计提供参考。
（1）面板的强度容易满足规范要求，面板厚度选择要充分考虑混凝土压力和跨度问题，面板以刚度设计为主，强度设计为辅。
（2）通过增加面板厚度可增加刚度，在次肋布置间距不变时，面板在达到一定厚度后，继续增加厚度对变形控制影响不大。
（3）面板厚度与成型难度及成型质量直接相关，面板的厚度选择还需区分模板形状等因素。
（4）本文采用模板最不利结构进行计算，满足应力和变形要求时面板的最薄规格为8mm。
综上，在本文所定义的设计条件下，模板设计中面板的厚度宜根据使用场合及要求的不同，选用8mm-12mm规格的钢板，此时能在刚度、强度及成型难度、整体经济性中取得较为合理的平衡点。在不同荷载及变形要求下，可参照本文设计方法计算选取最优面板厚度。
参考文献
[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.
[2]GB 50017-2017钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
[3]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.7
[4]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.5（2014.7重印）.
[5]唐绍彬，葛振华，施波.基于ANSYS Workbench的钢板折弯分析[J].金属加工：冷加工，2013（22）：72-73.
收稿日期：2020-01-01
作者简介：杨波（1983—），男，湖南长沙人，本科，工程师，研究方向：混凝土施工用钢模板的设计及加工。
关键词：全钢模板面板;单向板;厚度;变形;屈服
中图分类号：TU755.2+1 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）02-0000-00
0 引言
自20世纪70年代末期我国“以钢代木”的方针推动以来，混凝土桥梁施工中大量应用了全钢模板结构，并且由于其强度高、刚度大、使用寿命长，几乎取代了以往混凝土桥梁施工中木模板、竹胶板模板的地位。
混凝土桥梁施工中模板工程占混凝土工程造价的20%～30%，占工程用工量的30%～40%，模板的质量直接影响到混凝土结构的质量和造价，而模板结构中决定混凝土成型后表面质量的主要结构是面板。作为直接接觸混凝土的部分，面板厚度的选择直接影响混凝土成型后的表面质量。近几年混凝土全预制装配施工工艺的兴起，对混凝土预制件的成型精度、表面平整度等质量要求越来越高。与此同时，随着混凝土材料技术的不断发展，自密实混凝土、UHPC超高性能混凝土的逐步推广，使得模板在混凝土浇筑过程中受到的压力更大，更容易产生变形。显然使用更厚的面板可以解决上述问题，但在市场经济条件下，需要寻求性能和经济性的平衡点。因此如何更合理的选择面板厚度，在全钢模板结构设计中显得尤为重要。
1 不同厚度面板的应力及变形比较
混凝土桥梁施工中所用钢模根据使用情况分为标准小钢模和异型定制模板，如图1（a），小钢模的面板厚一般为3mm，宽度及长度尺寸为模数制设计，通用模板宽度从100mm～1200mm不等，长度为450mm～2100mm不等。小钢模常用在隐蔽的混凝土结构或对表面质量要求不高的混凝土结构中，如设计需回填的墩柱承台、公路箱梁内腔等位置。因其应用场合不同，对模板特别是面板的允许变形相对较为宽松，故不列入本文对比范围。而对于受力大、外表裸露的混凝土结构，例如公路及铁路墩柱、箱梁等，均会采用定制模板进行浇筑，如图1（b），本文主要对定制模板面板的厚度选取进行分析和对比。
定制钢模板通常由面板、次肋、主肋等组成，面板的材料基本均为Q235钢板。在施工过程中混凝土作用在模板上的侧压力以及倾倒荷载、振捣载荷，均直接作用在面板上，然后通过面板将压力传递到次肋，再通过次肋，将压力传递到主肋、支架或拉杆上。次肋与主肋分层布置，次肋间距一般为0.25m～0.4m。如图2（a），按照次肋的布置方式，在强度校核中可将面板简化为单向板[4]进行计算。
单向板的跨度即为模板次肋的间距，单向板受力后变形最不利的约束方式为单向简支。通过对多个墩柱及箱梁项目混凝土浇筑参数的统计和分析，桥梁施工中混凝土浇筑时对模板的侧压力为65kPa左右，单向板跨度取0.35m，约束方式为简支，如图3，分别计算此条件下面板厚度为3mm～16mm时的受力及变形情况，结果如表1。
从表中可以看出，随着面板厚度的增加，相同载荷与约束条件下面板的应力、变形随着厚度的增加而减小。当面板大于6mm后，面板的应力均小于GB50017-2017《钢结构设计标准》中要求的材料许用应力215MPa[2]。同时，根据JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》中5.2.7节的要求，结构表面外露的模板，最大允许挠度为模板构件跨度的1/400，面板变形需小于1.5mm[4]。提取表1中的变形数据并绘制厚度-变形曲线，如图4。从图中可直观的看出当面板厚度为6.6mm时变形为1.5mm，而当面板厚度大于8mm后，面板厚度的变化对变形的影响越来越小。
2 不同厚度面板加工及成型难度
面板形状由混凝土结构设计决定，在桥梁施工中，桥墩、桥梁的结构大都不是标准的平面或圆弧结构，存在很多圆角、倒角以及曲面结构，从而面板也要加工成对应的形状来确保混凝土成型效果，如图5（a）、（b）。
面板的成型主要通过特制模具，使面板发生非弹性变形来达到所需的形状。从异形模板的面板加工成型角度而言，面板厚度越厚，成型所需的压力越大，成型难度也越大，成型效果也越难以保证，尤其是较厚的钢板，成型时容易产生裂缝，使产品报废[5]。在满足强度及刚度要求的前提下，面板厚度越小，越有利于异形模板的加工成型。
同时，钢模板成型以焊接为主，面板厚度越小，对焊接工艺要求越高，且对焊接应力更为敏感，焊接完成后更容易是钢模板出现不可控的焊接变形。故从焊接工艺及焊接变形控制的角度而言，面板厚度不宜过小。
3 不同厚度面板在使用时的失效比较
以Q235材质的面板为研究对象，其屈服强度为235MPa[1]，面板应力大于屈服强度时表示该面板屈服，单向板简支跨度仍取0.35m，跨中施加屈服力F，使之弯曲应力刚好为235MPa，分别计算板厚为3～16mm时的屈服力F，将结果汇总后得到板厚-屈服力曲线图，如图6。
图6中曲线为面板屈服力和厚度的关系，直线为上节混凝土面板变形分析中面板受到的力，计算得到上一节中单向板所受力为22.75kN。从图6中可知，面板与屈服力呈二次曲线关系，屈服力曲线和混凝土等效力交点处对应的面板厚度大于7mm。
混凝土工程施工时，模板的面板首先要满足在承受混凝土压力时不发生非弹性变形，其次该变形要满足规范要求，然后再考虑加工时的难易程度，结合图4和图6的结果，在前文所定义的条件下，面板厚度大于7mm时，模板满足混凝土施工中所需强度和刚度要求。
4 结语
本文对模板在最不利工况下的结构受力进行分析，计算面板厚度为3mm～16mm范围内单向简直板的变形和屈服力情况，给出了面板的选型取值范围，为模板设计提供参考。
（1）面板的强度容易满足规范要求，面板厚度选择要充分考虑混凝土压力和跨度问题，面板以刚度设计为主，强度设计为辅。
（2）通过增加面板厚度可增加刚度，在次肋布置间距不变时，面板在达到一定厚度后，继续增加厚度对变形控制影响不大。
（3）面板厚度与成型难度及成型质量直接相关，面板的厚度选择还需区分模板形状等因素。
（4）本文采用模板最不利结构进行计算，满足应力和变形要求时面板的最薄规格为8mm。
综上，在本文所定义的设计条件下，模板设计中面板的厚度宜根据使用场合及要求的不同，选用8mm-12mm规格的钢板，此时能在刚度、强度及成型难度、整体经济性中取得较为合理的平衡点。在不同荷载及变形要求下，可参照本文设计方法计算选取最优面板厚度。
参考文献
[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.
[2]GB 50017-2017钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
[3]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.7
[4]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.5（2014.7重印）.
[5]唐绍彬，葛振华，施波.基于ANSYS Workbench的钢板折弯分析[J].金属加工：冷加工，2013（22）：72-73.
收稿日期：2020-01-01
作者简介：杨波（1983—），男，湖南长沙人，本科，工程师，研究方向：混凝土施工用钢模板的设计及加工。