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【摘要】分析预制混凝土外墙构件在生产过程中的模具荷载取值，分别说明预制混凝土外墙构件模具的结构形式及受力分析，总结并提出模具强度和刚度验算公式，为预制混凝土构件模具设计时材料选取和各尺寸参数的取值提供理论依据。
【关键词】预制混凝土构件；模具强度；验算分析
0引言
预制混凝土外墙是装配式建筑预制构件生产过程中一种最广泛、最典型的构件，其模具一般需根据预制外墙深化图纸中的轮廓尺寸和出筋排布进行设计制作。目前国内PC构件工厂的生产工艺较为落后，预制外墙模具在使用过程中容易产生变形、磨损，从而导致模具未达到预期服役寿命而提前损坏，因此，现针对预制混凝土外墙构件生产工艺总结出一种适用于其模具设计时的验算方法，以提高模具设计质量。
1模具验算分析作用和意义
目前在传统的模具设计过程中，模具设计人员一般对于模具各部分板厚、筋板数量、底部螺栓数量及筋板间距等设计参数一般凭借经验数据取值，缺乏具体的计算依据。因此，可能会造成钢板过薄、筋板数量较小、间隔过大等引起模具使用过程中的产生较大的弯曲变形或损坏。相对的，过分增大板厚，设置过多的筋板数量和较小的间距等保守设计行为同样也会增加模具自身重量，造成运输和使用过程中的不便。除此之外，也会增加模具生产制造过程中额外摊销费用。所以，本文结合相关规范及施工手册，总结出一套关于预制混凝土外墙构件模具强度、刚度的计算方法，为预制混凝土外墙构件的模具设计工作提供理论依据。
2模具荷载的取值
预制混凝土外墙构件在生产过程中对模具产生的荷载主要来源于两个方面：一是混凝土浇筑完毕后，振捣工艺过程中混凝土自重对模具面板的正压力，二是混凝土脱模时产生的吸附力。一般取其较大值作为等效静力荷载。
2.1混凝土振捣荷载。根据PC外墙构件的实际生产过程，混凝土振捣工序在浇筑完毕之后进行，根据测定，混凝土对模板的侧压力随着浇筑高度的增加而增加，当高度增大到混凝土的有效压头时，侧压力就不再增加，此时的侧压力达到混凝土浇筑的最大侧压力。根据规范GB50204－92《混凝土结构工程施工及验收规范》中提出：混凝土振捣时对模板的最大侧压力取式（1）（2）中的较小值［1］，式（1）（2）如下：F=0.22γcβ1β2t0V1/2（1）式中：F表示混凝土对模具的最大侧压力，kN/m2；γc表示混凝土的重力密度，kN/m3；t0表示混凝土的初凝时间，h；缺乏试验资料时，可采用t=200（T+15）计算，T为混凝土的温度，℃；β1表示外加剂的影响修正系数，不加外加剂取1.0，具有缓凝作用的外加剂取1.2；β2表示混凝土坍落度影响修正系数；V表示混凝土的浇筑速度，m/h。F=γcH（2）式中：F表示混凝土对模具的最大侧压力，kN/m2；γc表示混凝土的重力密度，kN/m3；H表示混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，m。由于PC外墙一般采用卧式生产浇筑工艺，以200mm厚度的单墙为例，混凝土强度为C30，根据经验数值γc取24kN/m3，β1取值1.2，β2取值1.15，V取值3m/h，T取值20℃，H取值0.2m。经计算式（1）取值71.94kN/m2大于式（2）取值4.80kN/m2，所以设计过程一般以式（2）取值计算。模具及支架所用的材料一般为Q235且应满足GB700－79《普通碳素钢钢号和一般技术条件》中的相关标准。外墙模具及支架的荷载设计值参考《建筑施工计算手册》相关要求，应采用荷载的标准值乘以荷载相应的分项系数，根据表1可知荷载的分项系数取值1.4，考虑模具结构在生产工艺中的不确定性因素，其荷载设计值不予折减，取1.0。综上所述，预制混凝土外墙构件模具设计荷载可按照式（3）计算。F=γcHγi（3）式中：F表示混凝土对模具的最大侧压力，kN/m2；γc表示混凝土的重力密度，kN/m3；H表示混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，m；γi表示荷载分项系数，振捣混凝土产生的荷载时取1.4。对于常见的C30预制混凝土外墙构件，其取值为6.72kN/m2。
2.2模具脱模荷载。根据JGJ1－2014《装配式混凝土结构技术规程》规定，预制构件进行脱模验算时，等效静力荷载标准值应取构件自重标准值乘以动力系数后与脱模吸附力之和，且不宜小于构件自重标准值的1.5倍。动力系数不宜小于1.2［2，3］；脱模吸附力应根据构件和模具的实际状况取用，且不宜小于1.5kN/m2。因此预制混凝土外墙构件的脱模吸附力如式（4）所示。F脱=G重βdA+qs=Hγcβd+qs≥1.5G重A（4）式中：F脱表示混凝土脱模吸附力，kN/m2；γc表示混凝土的重力密度，kN/m3；H表示混凝土构件侧面高度，m；βd表示动力系数；G重表示混凝土自重标准值，kN；A表示构件与模板的接触面积，m2；qs表示对单位面积的脱模吸附力，kN/m2。一般需要对于外墙的顶部、侧面、底部模具分别计算其脱模荷载，而对于侧面、顶部模具接触面存在出筋槽，其A需要根据构件与模具板面的实际接触面积计算。
3模具校核预制混凝土外墙模具在实际使用过程中存在混凝
土吸附或振捣过程中产生的正向荷载，图1所示以剪力墙底部模具为例，模具沿长度a方向会产生弯曲变形，沿长度H方向产生翻转及变形。因此原则上需要分别对其强度和刚度进行验算和校核。a弯曲变形方向抗弯截面模型可视为图2所示形状，其底板采用螺栓与模台固定，因此可视为多跨连续梁模型，其弯曲强度可按照最大跨距c计算，根据《建筑施工手册》中三跨及以上连续梁计算公式（5）~（7）可得以下结论。Mmax=FCH210（5）σmax=MmaxW=FCH210W（6）式中：Mmax表示最大弯矩，N•m；c表示最大跨距，实际计算过程可按照相邻底部螺栓最大间距计算，m；H表示模具高度，m；F表示外部荷载，一般取混凝土振捣设计荷载及脱模荷载中较大值，kN/m2；W表示抗弯截面系数，其取值与模具抗弯截面形状有关，m3；其中，抗弯截面系数W根据图2形状，可查表。W=16H［BH3-（B-b）h3］（7）式中：Mmax表示最大弯矩，N•m；H表示模具高度，m；B表示模具宽度，m；b表示模具侧板板料厚度，m；h表示模具上板底部与下板顶部间距，m。由式（5）~（7）可计算其最大弯曲强度σmax的数值，根据模板材料可知其许用应力［σ］，若σmax＜［σ］则符合设计要求。据《建筑施工手册》中三跨及以上连续梁计算公式，并按照其最大跨距c计算挠度，因此其最大变形处挠度如式（8）所示。ωmax=FCH4150EI（8）其中根据图2形状可查表。惯性矩如式（9）所示。I=112［BH3-（B-b）h3］（9）式中：ωmax表示最大变形处挠度，mm；B表示模具宽度，mm；b表示模具侧板板料厚度，mm；h表示模具上板底部与下板顶部间距，mm；H表示模具高度，mm；EI表示钢板的抗弯刚度，N•mm2；F表示外部荷载，一般取混凝土振捣设计荷载及脱模荷载中较大值，N/mm2。由式（8）（9）可计算其最大变形处挠度为ωmax的数值。参考《建筑施工手册》模板变形值的规定，对于结构表面外漏的模板，其变形值为模板构件计算跨度的1/400。因此，如果ωmax＜［ω］=l400，则其刚度验算符合设计要求。同理，底部模具沿长度H方向产生翻转及变形，实际生产过程中会间隔一定距离焊接竖向筋板，即由单跨梁变为多跨度连续梁以减小最大弯曲强度和变形值，以保证其沿长度H方向产生翻转及变形强度和刚度符合设计要求。因此，在实际生产过程中主要考虑沿长度a方向产生的弯曲变形，通常情况下只需对长度a方向产生的弯曲变形进行验算即可。对于顶部模具和侧部模具的验算方法与底部模具相同，但需要注意顶部模具、侧部模具的钢筋槽口较大，因此其脱模吸附力F脱=G重βdA+qs需要按照实际接触面积进行计算。同理，对于侧部模具和顶部模具需要分别按照其不同的抗弯截面计算其最大弯曲压力和最大挠度，以判断其参数是否能满足设计要求。
4结语
通过上述计算方法能保证设计人员选择合适的材料并布置合理的结构参数，使得模具的周转次数能够满足服役寿命要求，其刚度和强度符合设计要求，不会引起模具使用过程中的变形和损坏。另一方面，在进行受力分析验算之后，可在一定程度上减少模具重量和生产制造过程的摊销成本［4］，方便于模具的运输、组装和拆卸，为预制混凝土外墙构件模具设计验算提供理论依据。
作者:李鑫 陈东升 潘寒 江涛 汤丁丁 单位:中建三局绿色产业投资有限公司
