王德奎

(福建工大工程咨詢管理有限公司 福建福州 350014)

0 引言

目前建設(shè)工程使用的模板按材料分主要有木膠合板模板、竹膠合板模板、鋼模板、鋼框膠合板、塑料模板及鋁合金模板等。木膠合板模板易耗，對我國木材資源造成極大的破壞，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾[1]；鋼模板重量大、可塑性比較差、使用不方便、易腐蝕，并且造價極高，需要起重機(jī)械來安裝[2]；鋼框膠合板模板的鋼框剛度不足；塑料模板的強度和剛度都太低、熱膨脹系數(shù)較大、不能回收、環(huán)境污染大，限制了它的推廣[3-4]。鋁合金模板作為一種新型模板，主要由模板體系、緊固體系、支撐體系、附件體系等構(gòu)成，經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)，在我國香港、澳門和內(nèi)地一些地區(qū)已獲得推廣[5-7]。目前對鋁合金模板受力性能的研究多集中在單個鋁合金板材上，對施工現(xiàn)場的實測則相對缺乏。本文在分析鋁合金模板特點的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)澆混凝土剪力墻鋁 合金模板進(jìn)行現(xiàn)場實測，研究剪力墻鋁合金模板在混凝土澆筑過程中應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線，結(jié)合面板實測數(shù)據(jù)與計算值進(jìn)行對比，為鋁合金模板工程應(yīng)用提供更多實測依據(jù)。

1 鋁合金模板特點

鋁合金模板在混凝土框剪結(jié)構(gòu)的施工順序一般為：放剪力墻、框架柱位線→標(biāo)高抄平→安裝剪力墻、框架柱鋁合金模板→安裝背楞→檢查垂直度、平整度→安裝框架梁模板→安裝樓面模板、K板→檢查樓面平整度及復(fù)合墻柱垂直、平整度→梁板鋼筋綁扎、安裝水電管→混凝土澆筑。鋁合金模板施工工藝簡單，在高層、超高層建筑的應(yīng)用中具有成本、施工速度、耐久性和質(zhì)量等以下幾方面優(yōu)勢。

1.1 鋁合金模板平攤費用低

鋁合金模板用于具有一定標(biāo)準(zhǔn)層層數(shù)的高層、超高層建筑中，平攤費用低、經(jīng)濟(jì)效益顯著。鋁合金模板相對于膠合板模板、塑料模板等其它材質(zhì)模板，雖然一次性投資較大，但因其重復(fù)利用率高，具有200～300次的周轉(zhuǎn)次數(shù)，使用后廠家直接回收的殘值高，則顯示出較強的均攤成本優(yōu)勢。如位于福州新區(qū)一安置房項目18層層高，在不考慮工期、質(zhì)量等額外效益上，僅材料造價上基本與膠合板模板持平。

1.2 鋁合金模板裝拆速度快

鋁合金模板是一種裝配式組合模板，平面模板間、平面模板和轉(zhuǎn)角模板間等通過銷釘、銷片連接，水、電等預(yù)留口已設(shè)計預(yù)留，支撐采用單立桿早拆體系。據(jù)工地現(xiàn)場統(tǒng)計，人均每天可安裝20m2～30m2，裝拆周轉(zhuǎn)速度相比較其它類型模板要快得多，對工期有利。單片模板質(zhì)量輕，在裝拆、運送過程中只要工人互相配合即可，無需塔吊配合。雖然鋁合金模板在首層裝配中，因編號、工人熟悉模板等因素對安裝進(jìn)度有一定影響，但在后續(xù)工程的施工進(jìn)度可以達(dá)到6d一標(biāo)準(zhǔn)層。

1.3 鋁合金模板耐久性好

鋁合金材料抗拉、壓、彎的強度設(shè)計值為200kN/m2，焊接熱影響區(qū)的抗剪強度也達(dá)60N/m2，所以鋁合金模板具有高的強度、剛度，施工裝拆搬運過程中不易變形，重復(fù)利用率高。同時鋁合金模板表面有層氧化鋁保護(hù)膜，在潮濕易腐蝕地環(huán)境中使用耐腐蝕性好。

1.4 鋁合金模板澆筑的混凝土構(gòu)件感觀質(zhì)量好

鋁合金模板剛度大、不易變形，陰陽角處有專用的角模，構(gòu)件與構(gòu)件的拼裝密封性好，在混凝土澆筑過程中不易變形、不易漏漿，澆筑后的構(gòu)件表面平整光滑、棱角質(zhì)量好。由可調(diào)剛支撐、斜撐、背楞等組成的支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性好，在保障混凝土澆筑質(zhì)量的同時避免了碗扣式、扣件式鋼管支撐因縱橫方向加固而帶來的施工不便。圖1為鋁合金模板拆模后的混凝土構(gòu)件。

注：1-光滑的剪力墻墻面；2-對拉螺栓孔圖1 鋁合金模板拆模后的混凝土構(gòu)件

鋁合金模板的優(yōu)勢在推廣使用逐漸顯現(xiàn)。但是，鋁合金模板通過U型材和加強肋焊接而成的平面模板，面板和加強肋在施工現(xiàn)場無法通過減小背楞的間距來增強。剪力墻模板在混凝土澆筑過程中往往承受較大的荷載，在鋁合金剪力墻模板體系中，如果背楞間距不當(dāng)或者鋁合金模板自身設(shè)計不合理，澆筑時容易出現(xiàn)爆模、垂直度偏差過大、平整度不夠等問題。此外，對于鋁合金剪力墻模板，由于各面板之間通過銷釘連接，如何進(jìn)行簡化計算公式也是工程運用亟需解決的問題 。為此，結(jié)合在建項目對剪力墻鋁合金模板面板、加強肋等局部變形進(jìn)行實時監(jiān)測并分析其受力特點，為進(jìn)一步分析提供依據(jù)。

2 剪力墻鋁合金模板工程實測方案

2.1 工程概況

該次實測項目為福建省某市住宅小區(qū)工程，整個實測包括剪力墻、樓板及其支撐，由課題組成員共同完成，剪力墻部分主要由筆者負(fù)責(zé) 。結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層高3m，樓板厚120mm，剪力墻厚200mm。梁板支撐為工具式鋼支撐早拆體系，立桿與立桿的間距為1.2m或1.3m，剪力墻背楞間距900mm，對拉螺桿間距87mm，不設(shè)斜撐，混凝土澆筑采用泵送，先澆筑剪力墻和柱子，后澆筑樓板和梁。圖2為現(xiàn)場安裝好的剪力墻鋁合金模板。

圖2 剪力墻鋁合金模板

2.2 測點布置方案

現(xiàn)場使用的剪力墻鋁合金模板類型為6061-T6，面板厚3.7mm，邊肋和端肋壁厚6mm，邊肋和端肋高65mm，主肋壁厚3mm。單塊面板構(gòu)造尺寸為：長2.1m，寬0.45m，平行長邊方向設(shè)置兩道加強肋，平行短邊方向每隔30cm設(shè)置一道橫肋。距離地面235mm高的地方設(shè)置第一道水平鋼背楞，沿墻高每隔900mm設(shè)置一道水平鋼背楞。所測模板位于剪力墻受力較大的中部，在該模板的上部、中部和下部布置應(yīng)變測點，應(yīng)變片1～6布置在模板加強肋翼緣面上，應(yīng)變片7～12布置在加強肋腹部面上，應(yīng)變片13～18布置在模板每一格面板中心，均是縱橫向布置，應(yīng)變片值通過DH3816靜態(tài)采集箱采集。圖3(a)、(b)為模板構(gòu)造及測點布置示意圖，圖4為現(xiàn)場實測布置圖。

(a)模板構(gòu)造及測點布置示意圖

(b)1-1剖面圖3 模板構(gòu)造及測點布置示意圖

圖4 現(xiàn)場實測布置圖

3 實測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 加強肋翼緣表面應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

圖5為剪力墻鋁合金模板加強肋翼緣表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線，實測從混凝土開始澆筑到澆筑結(jié)束并保持一定的凝固時間，其中0～890s是混凝土澆筑時間， 891～3741s是混凝土澆筑后靜置凝固時間。從應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線可以看出，混凝土澆筑時曲線處于波動狀態(tài)，混凝土澆筑后曲線呈平穩(wěn)狀態(tài)。應(yīng)變值在混凝土澆筑時跳躍最大，混凝土澆筑后應(yīng)變值有所波動，一定時間后保持穩(wěn)定值。越接近底部的測點，應(yīng)變大幅跳躍時間點越早，符合混凝土從低處往高處澆筑的施工過程。從受力狀態(tài)來看，測點1、4、6應(yīng)變?yōu)樨?fù)值受壓，2、3、5應(yīng)變?yōu)檎凳芾?。測點1和2最大應(yīng)變值分別為-27.69με和9.89με，測點3～6最大應(yīng)變值分別為381.67με、-99.87με、290.7με、-92.95με，說明模板的上部受力較小，中、下部受力較大。根據(jù)測點3～6的應(yīng)力狀態(tài)，剪力墻鋁合金模板加強肋翼緣表面縱向受拉，橫向受壓，應(yīng)變最大值均小于鋁合金屈服應(yīng)變3943με(由材性拉伸實測得到)，滿足強度要求。

圖5 加強肋翼緣表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線

3.2 加強肋腹部表面應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

圖6 加強肋腹部表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線

圖6給出了加強肋腹部表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線，變化規(guī)律與加強肋翼緣表面相似，但測點7、8、9應(yīng)變跳躍比較明顯，模板上部加強肋腹部對環(huán)境變化響應(yīng)更敏感。從受力狀態(tài)看，測點9、11應(yīng)變?yōu)樨?fù)值受壓，測點7、8、10、12應(yīng)變?yōu)檎凳芾?。靠近頂部的測點 7、8受力不明顯，從測點9～12可知沿加強肋腹部縱向受拉，橫向受壓。測點7～12的最大應(yīng)變值分別為39.55με、22.74με、-28.67με、164.14με、-87.01με、144.36με，相比加強肋翼緣的應(yīng)變要小很多，應(yīng)變最大值都小于鋁合金屈服應(yīng)變3943με，滿足強度要求。

3.3 面板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

圖7給出了面板表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線，受施工過程影響曲線呈波動形式。曲線圖中除測點15受壓，其余測點均受拉，說明鋁合金墻體模板面板在施工中主要承受拉力。測點13～18的最大應(yīng)變值分別為39.55με、30.65με、-56.36με、106.79με、46.47με、200.72με，沿面板橫向布置的測點應(yīng)變值比縱向布置的大。比較加強肋受力，面板受力小于加強肋翼緣，大于加強肋腹部，面板應(yīng)變最大值都小于鋁合金屈服應(yīng)變3943με，滿足強度要求。

圖7 面板表面測點應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線

從剪力墻鋁合金模板實測和分析結(jié)果可得，面板和加強肋的應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線在混凝土澆筑過程均呈波動狀態(tài)，加強肋沿縱向受拉、橫向受壓，面板主要承受拉應(yīng)力，不同部位的應(yīng)變值均小于鋁合金的屈服應(yīng)變。

4 剪力墻鋁合金模板面板受力計算

該實測項目樓層高3m，剪力墻厚200mm?；炷林亓γ芏圈胏=25kN/m3，澆筑速度為V=2m/h，澆筑溫度T=25℃，t0=200/(T+15)，β=1，鋁合金模板類型為6061-T6，材料彈性模量E=2.06×105N/mm2。

4.1 按面板構(gòu)造局部計算

規(guī)范規(guī)定面板計算可根據(jù)實際構(gòu)造簡化為合理的計算模型進(jìn)行承載力和變形計算。根據(jù)鋁合金模板的構(gòu)造特點，取單位寬度1mm面板寬，按3等跨連續(xù)梁進(jìn)行局部計算，計算跨度l1=150mm，截面抵抗矩W1=2.28mm3，截面慣性矩I1=4.22mm4。

荷載計算:

(1)

F2=γcH=75kN/m2

(2)

新澆混凝土側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值取兩者較小值：G4k=49.5kN/m2，傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載Q2k=2kN/m2，取α=0.9，φ=1.0，荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計值：

F=1.35αG4k+1.4φQ2k=62.94kN/m2

(3)

強度驗算：

1mm計算寬度的均布荷載q1=0.063N/mm

(4)

(5)

剛度驗算：

1mm計算寬度的荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk1= 0.05N/mm

(6)

按面板局部計算的強度、剛度均滿足要求。剪力墻鋁合金面板現(xiàn)場實測最大應(yīng)變值為200.72με，對應(yīng)的應(yīng)力值為14.05N/mm2，局部計算強度值是實測值的4.42倍。

根據(jù)鋁合金面板的構(gòu)造特點，局部應(yīng)力和局部變形無法在施工現(xiàn)場通過減少背楞的間距來增強，建議鋁合金生產(chǎn)廠家出廠時標(biāo)識各型號鋁合金面板所能承當(dāng)?shù)淖畲蠛奢d。施工單位在選擇鋁合金模板與進(jìn)場驗收時，可根據(jù)施工荷載大小初步判斷鋁合金模板是否合適。

4.2 按單塊面板整體計算

根據(jù)剪力墻模板的背楞間距，單塊模板整體計算跨度l2=90cm。由《福建省鋁合金模板體系技術(shù)規(guī)范》表C.1.1[8]可得，寬度為45cm面板的截面抵抗矩W2=66.27cm3，截面慣性矩I2=71.13cm4。

強度驗算：

結(jié)合上述荷載計算，0.45m計算寬度的均布荷載q2=kN/m

(7)

(8)

剛度驗算：

0.45m計算寬度的荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk2=22.28kN/m

(9)

按單塊面板整體計算的強度、剛度滿足要求，整體計算強度值是實測值的3.08倍。

根據(jù)本工程項目對剪力墻鋁合金模板面板分別進(jìn)行了局部和單塊面板整體計算，強度和剛度均滿足《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》對承載力和剛度的要求[9]。按局部和整體計算所得的面板承載力對比現(xiàn)場實測值均具有足夠的安全度，施工現(xiàn)場對面板的驗算可根據(jù)規(guī)范提供的截面特性進(jìn)行整體驗算。

5 結(jié)語

(1)剪力墻鋁合金模板加強肋翼緣、加強肋腹板和面板在混凝土澆筑過程中，應(yīng)變-施工進(jìn)程曲線均呈波動狀態(tài)；面板主要承受拉力，受力小于加強肋翼緣但大于加強肋腹部，所測部位最大應(yīng)變值為381.67με，小于鋁合金的屈服應(yīng)變。

(2)剪力墻鋁合金模板面板按局部和單塊模板整體計算的強度、剛度均滿足規(guī)范要求，按局部和整體計算的強度值與現(xiàn)場實測的比值分別為4.22和3.08，均具有足夠安全度。

(3)建議鋁合金生產(chǎn)廠家出廠時對各類鋁合金面板所能承擔(dān)的最大荷載進(jìn)行標(biāo)識，以便施工單位對鋁合金模板初步選型判斷。在不發(fā)生局部變形的條件下，對鋁合金模板面板的計算可按單塊板進(jìn)行整體驗算。