剪力墻鋁合金模板現(xiàn)場實測與分析

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，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變-施工進程曲線，結(jié)合面板實測數(shù)據(jù)與計算值進行對比，為鋁合金模板工程應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準層層數(shù)的高層、超高層建筑中，平攤費用低、經(jīng)濟效益顯著。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、電等預留口已設(shè)計預留，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度有一定影響，但在后續(xù)工程的施工進度可以達到6d一標準層。

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，重復利用率高。同時鋁合金模板表面有層氧化鋁保護膜，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行實時監(jiān)測并分析其受力特點，為進一步分析提供依據(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責 。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、中部和下部布置應變測點，應變片1～6布置在模板加強肋翼緣面上，應變片7～12布置在加強肋腹部面上，應變片13～18布置在模板每一格面板中心，均是縱橫向布置，應變片值通過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變-施工進程曲線，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。從應變-施工進程曲線可以看出，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)。應變值在混凝土澆筑時跳躍最大，混凝土澆筑后應變值有所波動，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應變?yōu)樨撝凳軌海?、3、5應變?yōu)檎凳芾?。測點1和2最大應變值分別為-27.69με和9.89με，測點3～6最大應變值分別為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，應變最大值均小于鋁合金屈服應變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變-施工進程曲線

3.2 加強肋腹部表面應變數(shù)據(jù)分析

圖6 加強肋腹部表面測點應變-施工進程曲線

圖6給出了加強肋腹部表面測點應變-施工進程曲線，變化規(guī)律與加強肋翼緣表面相似，但測點7、8、9應變跳躍比較明顯，模板上部加強肋腹部對環(huán)境變化響應更敏感。從受力狀態(tài)看，測點9、11應變?yōu)樨撝凳軌?，測點7、8、10、12應變?yōu)檎凳芾??？拷敳康臏y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變要小很多，應變最大值都小于鋁合金屈服應變3943με，滿足強度要求。

3.3 面板應變數(shù)據(jù)分析

圖7給出了面板表面測點應變-施工進程曲線，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，面板應變最大值都小于鋁合金屈服應變3943με，滿足強度要求。

圖7 面板表面測點應變-施工進程曲線

從剪力墻鋁合金模板實測和分析結(jié)果可得，面板和加強肋的應變-施工進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，面板主要承受拉應力，不同部位的應變值均小于鋁合金的屈服應變。

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)壓力標準值取兩者較小值：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計算寬度的荷載標準值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)場實測最大應變值為200.72με，對應的應力值為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)廠家出廠時標識各型號鋁合金面板所能承當?shù)淖畲蠛奢d。施工單位在選擇鋁合金模板與進場驗收時，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計算寬度的荷載標準值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，應變-施工進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，所測部位最大應變值為381.67με，小于鋁合金的屈服應變。

(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的最大荷載進行標識，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行整體驗算。