鋁合金樓面模板性能試驗(yàn)

幸曉嬌，段曉農(nóng)，姜 博，秦培成，馮紹穎

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南建設(shè)集團(tuán)，海南 ?？?570228)

鋁合金樓面模板性能試驗(yàn)

幸曉嬌1，段曉農(nóng)1，姜 博2，秦培成2，馮紹穎2

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南建設(shè)集團(tuán)，海南 ?？?570228)

對單塊鋁合金樓面模板和樣板房組合鋁合金樓面模板體系分別進(jìn)行了均布荷載試驗(yàn)，并進(jìn)行了對比分析。3組單塊鋁合金樓面模板分別作用均布荷載10.08 kN/m2，跨中相對位移分別為1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm。對樣板房組合鋁合金樓面模板作用均布荷載11.5 kN/m2，跨中相對位移最大值為3.691 mm，實(shí)測值為5.667 mm；持荷24 h后，相對位移變化小。與單塊模板進(jìn)行對比，組合模板體系受到模板尺寸、支座條件、銷釘以及鄰近模板相互作用等因素的影響。研究結(jié)果表明：鋁合金模板體系具有良好的持荷能力和承載力性能，組合鋁合金模板的連接構(gòu)件對鋁合金模板承載力有一定的影響。

綠色施工；鋁合金樓面模板；樣板房組合體系；均布荷載試驗(yàn)；力學(xué)性能

0 引言

鋁合金模板作為一種綠色建筑施工模板，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。其主要優(yōu)點(diǎn)[1-4]為：材料周轉(zhuǎn)使用次數(shù)多，攤銷成本低，殘值回收率高，低碳環(huán)保；對施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，無廢料產(chǎn)生；整個系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，質(zhì)量較輕，施工技術(shù)簡單，拼裝快，效率高；承載力強(qiáng)，配合精度高，能達(dá)到免抹灰的施工效果。

發(fā)達(dá)國家和一些新興工業(yè)國家已經(jīng)積累了大量的鋁合金模板制造和建筑施工等方面的經(jīng)驗(yàn)，其中，韓國大量的高層住宅已經(jīng)開始廣泛采用鋁合金模板技術(shù)施工。借鑒國外鋁合金模板的應(yīng)用與研究[5-7]成果，可為國內(nèi)建筑施工方式拓展思路。

目前，國內(nèi)對鋁合金模板的研究主要偏重于實(shí)際工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-12]將鋁合金模板應(yīng)用在實(shí)際工程中，著重對其應(yīng)用特點(diǎn)、施工技術(shù)要點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對比分析，實(shí)踐表明：鋁合金模板能夠提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是國內(nèi)對模板承載力的理論分析和試驗(yàn)研究較少[13-15]，還處于探索階段。文獻(xiàn)[13]運(yùn)用有限元軟件模擬鋁合金模板體系在風(fēng)荷載作用下的變形，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗傾覆和抗滑移能力是由模板自重和相關(guān)構(gòu)件的作用來保證。文獻(xiàn)[14]對單塊鋁合金模板進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，并對有限元軟件模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

本文主要研究鋁合金模板的承載性能，對單塊鋁合金樓面模板和樣板房組合鋁合金樓面模板分別進(jìn)行了承載力試驗(yàn)，可為鋁合金模板的應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 單塊鋁合金樓面模板試驗(yàn)

為了方便采集單塊鋁合金樓面模板試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)地點(diǎn)定在?？诤＝萍即髲B空地。試驗(yàn)主要目的是考察單塊鋁合金樓面模板的剛度及其變化趨勢，為樣板房體系試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

根據(jù)鋁合金模板后肋梁結(jié)構(gòu)布置形式的不同，鋁合金樓面模板主要分為兩種類型。一種是短向橫肋式，模板橫肋沿短邊方向貫通，文獻(xiàn)[10]對該類型模板采用四邊固定的雙向板簡化計(jì)算；另一種是主次梁式，模板次肋沿長邊方向貫通，與短向的橫梁疊接。

表1 試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)

本文采用主次梁式的鋁合金樓面模板，選取1 100 mm ×400 mm × 3.5 mm規(guī)格的3塊鋁合金模板進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)見表1。

簡支支座由鋼管混凝土(C60)和墊板組成，布置在模板的短跨方向。試驗(yàn)前，對支座進(jìn)行了強(qiáng)度測試，承載質(zhì)量550 kg，持荷24 h，經(jīng)游標(biāo)卡尺測量，鋼管直徑無變化。

1.1 試驗(yàn)方案與步驟

試驗(yàn)對象為單塊鋁合金樓面模板，綜合考慮數(shù)據(jù)采集以及試驗(yàn)場地能提供的載荷、混凝土試塊等便利因素，現(xiàn)場采用150 mm × 150 mm ×150 mm標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊。同時(shí)，混凝土試塊均勻分布加載，在相鄰試塊之間留有間隙，防止產(chǎn)生內(nèi)拱反應(yīng)。

根據(jù)鋁合金樓面模板類型及變形趨勢，將測點(diǎn)分別布置在模板跨中和兩端支座處，測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。將百分表布置在模板的上表面處(分別為圖1中A、B、C位置)，減小因讀數(shù)而造成的誤差。

分別對3塊鋁合金樓面模板進(jìn)行均布加載試驗(yàn)，如圖2所示。試驗(yàn)荷載共分15級，加載步驟按預(yù)加載、承載能力試驗(yàn)順序進(jìn)行。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖圖2 單塊鋁合金樓面模板均布加載試驗(yàn)

加載方案如下：

①預(yù)加載 0 kN-0.48 kN-0 kN；承載能力試驗(yàn)：0 kN-0.48 kN-0.87 kN-1.36 kN-1.76 kN-2.24 kN-2.47 kN-2.71 kN-2.88 kN-3.04 kN-3.30 kN-3.55 kN-3.79 kN-3.96 kN-4.19 kN-4.44 kN。

②每級荷載的持荷時(shí)間≥10 min，穩(wěn)定后讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)及變形情況。

③卸載后檢查測量模板的殘余變形值，并檢查模板是否破壞以及焊縫是否產(chǎn)生裂紋。

圖3 單塊鋁合金樓面模板荷載-相對位移曲線

1.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中將測點(diǎn)A、B(見圖1)的數(shù)據(jù)作為支座下沉量，計(jì)算得到模板的相對位移變化，分析荷載作用下鋁合金樓面模板的剛度變化。

根據(jù)每級載荷與對應(yīng)的跨中相對位移值可繪制出單塊鋁合金樓面模板荷載-相對位移曲線，如圖3所示。

由圖3可知：各級荷載與對應(yīng)的相對位移值基本呈線性關(guān)系，說明單塊鋁合金樓面模板在試驗(yàn)過程中基本處于彈性狀態(tài)。實(shí)測數(shù)值有一定波動，因?yàn)榍捌诓贾玫幕炷猎噳K較少，未達(dá)到較好的均布荷載效果，對跨中相對位移數(shù)值有一定的影響，但未影響曲線的整體變化趨勢。

在JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[16]中規(guī)定，單塊模板的容許變形值≤1.5 mm。本文試驗(yàn)結(jié)果：3塊鋁合金樓面模板最大相對位移分別為1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm，殘余相對位移分別為0.14 mm、0.17 mm和0.18 mm，均滿足規(guī)范要求。

2 樣板房組合鋁合金樓面模板試驗(yàn)

樣板房組合鋁合金樓面模板主要由4塊1 100 mm×400 mm、4塊1 200 mm×400 mm、1塊1 100 mm×400 mm和1塊1 200 mm×400 mm，面板厚度均為3.5 mm的鋁合金模板構(gòu)成。選擇的測點(diǎn)原則上要反映樓面模板的主要變化趨勢，根據(jù)支撐條件，按支座和跨中尋找測點(diǎn)?？紤]到多個單塊鋁合金模板組合的形式、支撐條件以及測點(diǎn)讀數(shù)的可行性等多方面的因素，在樓面模板橫向和豎向共布置9個測點(diǎn)，如圖4所示。所有測點(diǎn)均布置在模板的下表面，其中測點(diǎn)1、5、6、9放置在陰角模板的下表面。

試驗(yàn)采用砂袋模擬均布加載，鏟車輔助搬運(yùn)荷載，人工進(jìn)行荷載布置。荷載布置如圖5所示。機(jī)械輔助的目的是減小人工大幅度搬運(yùn)荷載時(shí)對樣板房穩(wěn)定性的影響，同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間和勞動力，操作性強(qiáng)。

圖4 測點(diǎn)布置示意圖圖5 荷載布置

2.1 加載方案

鋁合金模板能達(dá)到免抹灰狀態(tài)，根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[16]，結(jié)構(gòu)表面外露模板最大位移不得超過模板構(gòu)件計(jì)算跨度的1/400(1 200/400=3 mm)。試驗(yàn)以相對位移為主要控制指標(biāo)，當(dāng)樣板房組合鋁合金樓面模板相對位移最大值在規(guī)范限值時(shí)，停止加載，再持荷1 d觀察模板變形及其整體穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用砂袋逐級加載法，分22級單向加載，加載方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)加載方案

2.2 試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)主要是以位移變形為控制變量，但是實(shí)際試驗(yàn)中有不可控因素。因此，當(dāng)跨中相對位移最大值達(dá)到3.691 mm，試驗(yàn)終止，相對應(yīng)的荷載為11.5 kN/m2，測點(diǎn)實(shí)際位移為5.667 mm。

圖6 絕對位移-面荷載曲線

測點(diǎn)實(shí)際絕對位移-面荷載曲線如圖6所示。由圖6可知：各測點(diǎn)的實(shí)測絕對位移隨著面荷載的增大基本呈線性增長，說明樣板房組合鋁合金樓面模板體系在試驗(yàn)過程中基本處于彈性工作狀態(tài)。位于跨中的測點(diǎn)2、4、8、7在加載后絕對位移變化較大，符合簡支板(梁)在受均布荷載作用時(shí)跨中絕對位移最大的規(guī)律。

以測點(diǎn)1、3、5、6、9為支座，則測點(diǎn)2、4、7、8為跨中，計(jì)算得到跨中測點(diǎn)的相對位移值。相對位移-面荷載曲線如圖7所示。由圖7可看出：測點(diǎn)2 相對位移最大，呈較快的上升趨勢，當(dāng)均布面荷載值為9.10 kN/m2，位移達(dá)到2.990 mm?？缰邢鄬ξ灰?持荷時(shí)間曲線如圖8所示。由圖8可看出：在持荷24 h后，持荷時(shí)間對樣板房組合鋁合金樓面模板的相對位移影響不大，整體變化較小。

圖7 相對位移-面荷載曲線圖8 相對位移-持荷時(shí)間曲線

2.3 強(qiáng)度驗(yàn)算

對樣板房連接構(gòu)件-銷釘、支撐構(gòu)件、陰角模板進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.3.1 鋼支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算

(Ⅰ)穩(wěn)定性驗(yàn)算

L=2.1 m,f=200 MPa,f0.2=1.2f=240 MPa。根據(jù)GB 50429—2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，強(qiáng)硬化、非焊接鋁合金管的修正因數(shù)限值ηe=1.0，無焊接時(shí)，取焊接缺陷影響因數(shù)ηhaz=1。因此，雙軸對稱截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算因數(shù)：φ1=ηeηhazφ=φ；外管兩端鉸接，計(jì)算長度因數(shù)μ=1。支撐桿件尺寸如表3所示。

桿件長細(xì)比λ=μl/r=114.13;鋼管承受的軸力N≤φAf=34.04 kN；查表[19]得穩(wěn)定因數(shù)φ=0．521。

表3 支撐桿件尺寸

(Ⅱ)鋼管壁受壓強(qiáng)度

端面容許承壓強(qiáng)度fce=205 N/mm2，管壁受壓面積A壁=272.28 m2，則fceA壁約為56 kN。

2.3.2 插銷受剪力

D=14 mm,A銷=153.94 mm2，常用材料采用[τ]=80 MPa，受剪容許荷載：[τ]×2A銷=24.36 kN。

綜合考慮鋼支撐和插銷的容許荷載，取容許荷載中的最小值24.63 kN為鋼支撐受壓容許荷載值。在試驗(yàn)中鋼支撐承受荷載面積A=1.08 m2，因此，鋼支撐承受荷載值為12.96 kN，小于24.63 kN,滿足要求。

2.3.3 樓面陰角模板

試驗(yàn)中樣板房組合鋁合金樓面模板承受11.5 kN/mm2的均布荷載，鋁合金模板自重0.25 kN/mm2；L=1.2 m,l=0.1 m,t=5 mm。

陰角模板所受彎矩：M=pl=0.75 kN/m。

3 單塊鋁合金樓面模板與樣板房組合鋁合金樓面模板對比

樣板房組合鋁合金樓面模板作用10.08 kN/m2荷載時(shí)，測點(diǎn)2、4、7、8對應(yīng)的跨中相對位移值如表4所示。與單塊鋁合金樓面模板(見表4)相對比，相對位移值較大，分析產(chǎn)生差距的主要原因：

表4 跨中相對位移值

(Ⅰ)測點(diǎn)2的相對位移最大，主要原因是模板尺寸不同，L=1 200 mm。

(Ⅱ)支座條件不同，單塊鋁合金樓面模板的支座相對剛度較強(qiáng)；同時(shí)，在樣板房組合鋁合金樓面模板試驗(yàn)中，測點(diǎn)4的支座一端是早拆桿件，支撐條件比測點(diǎn)7和測點(diǎn)8剛度大，測點(diǎn)4的相對位移較小。因此，支座的剛度對測點(diǎn)相對位移有一定影響。

(Ⅲ)在樣板房組合鋁合金樓面模板試驗(yàn)中，支座測點(diǎn)設(shè)置在陰角模板處，在陰角模板和樓面模板之間有銷釘連接。荷載作用時(shí)，銷釘受到剪切而產(chǎn)生變形，因此，連接構(gòu)件的銷釘對模板位移的影響不容忽略。

(Ⅳ)樣板房組合鋁合金樓面模板是由多個單塊鋁合金樓面模板組合構(gòu)成，與單塊鋁合金樓面模板相比，樣板房體系中鋁合金模板屬于雙向受力。由圖6可以看出：當(dāng)面荷載作用較大時(shí)，不僅縱向產(chǎn)生變形，而且在橫向上，鄰近模板對體系中單塊模板產(chǎn)生的連帶作用不容忽略。

綜上所述，在試驗(yàn)過程中，整個樣板房組合鋁合金樓面模板結(jié)構(gòu)體系一直處于彈性工作狀態(tài)，整體穩(wěn)定性好。在橫向、豎向上測點(diǎn)的位移基本呈線性變化，整體工作狀態(tài)能很好地滿足施工要求。

4 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)測得單塊鋁合金樓面模板性能，作用10.08 kN/m2的均布荷載時(shí)，最大相對位移發(fā)生在跨中，3塊模板跨中相對位移分別為1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm 。試驗(yàn)所測得的相對位移和殘余相對位移均小于參考規(guī)范的允許值，滿足規(guī)范要求。

(2)樣板房組合鋁合金樓面模板試驗(yàn)中，跨中測點(diǎn)2的相對位移值最大。當(dāng)測點(diǎn)2的相對位移達(dá)到 2.990 mm時(shí)，模板承受的均布荷載為9.10 kN/m2。在持荷24 h后，相對位移整體變化小，模板具有較強(qiáng)的持荷性能和承載力性能，能夠很好地滿足施工要求。

(3)與單塊鋁合金樓面模板承載力相比，同等荷載作用下，樣板房組合鋁合金樓面模板位移值大，主要與模板的尺寸、支座條件、連接構(gòu)件的銷釘以及其他模板對單塊模板的連帶作用有一定的關(guān)系。

[1] 姜波,程志軍,王曉鋒,等.模板工程與綠色施工[J].施工技術(shù),2008,37(6):7-9.

[2] 仇銘華.我國建筑鋁模板產(chǎn)業(yè)的崛起對綠色施工的推動作用[J].施工技術(shù),2012,41(6):43-47.

[3] 幸曉嬌,姜博,陳云,等.綠色建筑早拆鋁合金模板在建筑工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2015,41(29):96-97.

[4] 孔令標(biāo).論鋁合金組合模板系統(tǒng)施工的優(yōu)越性與局限性[J].廣東建材,2013(3):64-67.

[5] ARSOAN M,SIMSEK O,SUBASI S.Effects of formwork surface materials on concrete lateral pressure[J].Construction and building materials,2005,19(4):319-325.

[6] GRYTTEN F,BORVIK T,HOPPERSTD O S.Low velocity perforation of AA5083-H116 aluminium plates[J].Impact engineering,2009,36:597-610.

[7] STENHARD O.Aluminum constructions in civil engineering[J].Aluminium,1971,47:131-139.

[8] 王世博.鋁合金模板施工技術(shù)在超高層綜合體中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2015,44(2):88-92,101.

[9] 劉雪紅,程海寅,陸建飛,等.鋁合金模板體系施工技術(shù)及其效益分析[J].施工技術(shù),2012,41(23):79-82,104.

[10] 牛潮,黎文方,林春霞,等.鋁合金模板系統(tǒng)在超高層核心筒施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43(5):33-37.

[11] 楊成,孟應(yīng)磊,周麟,等.組合鋁合金模板在保障性安居工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43(增刊):210-213.

[12] 張平平,楊曉東,陳曉東,等.鋁合金模板早拆體系試驗(yàn)測試[J].建筑施工,2012,34(1):64-65.

[13] 嚴(yán)姣.鋁合金模板體系的力學(xué)性能及風(fēng)振響應(yīng)分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[14] 黎文方.新型鋁合金模板試驗(yàn)測試[J].施工技術(shù),2013,42(增刊):279-280.

[15] 胡長明,程佳佳.模板支架水平構(gòu)件的可靠性計(jì)算與分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(6):46-50.

[16] 中國建筑工業(yè)出版社.建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范:JGJ 162—2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[17] 上海市建設(shè)和交通委員會.鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50429—2007[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

海南省科技廳重大科技基金項(xiàng)目(ZDZX2013015)

幸曉嬌(1991-),女,河南正陽人,碩士生;段曉農(nóng)(1965-),男,甘肅平?jīng)鋈?副教授,碩士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)分析及抗震設(shè)計(jì).

2017-01-05

1672-6871(2017)04-0054-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.012

TU755.2

A