鋁合金模板優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制

柯賢孝

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司二分局，四川 成都 611730）

鋁合金模板以其質(zhì)量輕、拆裝方便、承載能力高、構(gòu)件耐久性好、周轉(zhuǎn)次數(shù)高，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)施工垃圾，標(biāo)準(zhǔn)、通用性強(qiáng)、回收價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多的受到工程技術(shù)人員的重視[1]。部分研究探討了鋁合金模板的力學(xué)性能[2]，但對(duì)于包括模板尺寸在內(nèi)的各因素對(duì)其工程性能的影響的研究不多。針對(duì)泛悅城超高層建筑鋁合金模板的應(yīng)用，由于工程量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更需要足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)支撐模板的設(shè)計(jì)。

本文運(yùn)用ANSYS 對(duì)墻體和梁鋁合金模板進(jìn)行了有限元分析，探討了墻模板尺寸對(duì)單塊模板的受力和變形的影響，模擬了混凝土澆筑對(duì)梁模板的影響，探討了降低鋁合金模板施工質(zhì)量的若干因素，總結(jié)了混凝土澆筑的較優(yōu)施工方法，為泛悅城超高層建筑鋁合金模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制提供理論支持。

1 工程概況

本工程為范悅城二期一標(biāo)住宅、商用項(xiàng)目，位于武漢市東湖高新區(qū)珞瑜東路以南，總建筑面積約277217.5 平米。其中四棟住宅樓為超高層建筑，最高達(dá)到64 層，主體設(shè)計(jì)的平面較為規(guī)整，豎向標(biāo)準(zhǔn)層層數(shù)較多，綜合考慮各方面因素，超高層住宅樓均采用鋁模施工。每棟樓采用一套鋁面板并配備3 套支撐體系。以10#樓為例，其層高分布情況為：2～13層，15～28 層，30～43 層，45～57 層均為2.90m 的標(biāo)準(zhǔn)層，14、29、44 層為避難層，層高為2.60m。

2 墻鋁合金模板有限元分析

2.1 墻體施工荷載的計(jì)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011），新澆筑混凝土采用內(nèi)部振搗器時(shí)，作用于模板的最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值可取下列兩個(gè)公式的較小值。

其中F 為新澆筑混凝土對(duì)墻模板的最大側(cè)壓力（kN/m2）；γc為混凝土的自重密度（kN/m3）；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間（h），可按實(shí)測(cè)確定；當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)可采用t0=200/（T+15）計(jì)算，T 為混凝土的溫度（℃）；β 為混凝土坍落度影響修正系數(shù)：當(dāng)坍落度在50mm～90mm 時(shí)，β取0.85；坍落度在100mm～130mm 時(shí)，β 取0.9；坍落度在140mm～180mm 時(shí)，β 取1.0；V 為混凝土澆筑高度（厚度）與澆筑時(shí)間的比值，即澆筑速度（m/h）；H 為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度（m）。

本次工程中，混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值取24kN/m3，混凝土溫度T 取25℃，即t0 取4h，β 取1.0（混凝土塌落度在140mm～180mm），澆筑速度取1.0m/h，H 取標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m。因此對(duì)于本次分析對(duì)象而言，

2.2 模型的建立

本次剪力墻模板采用工程常用標(biāo)準(zhǔn)模板，尺寸為400mm×2700mm，主肋間距為450mm，本文所用鋁合金模板厚度為4mm，邊框截面高度為65mm。按本工程墻模板的設(shè)計(jì)，背楞的間距分別為600mm、800mm和900mm。模型中構(gòu)件之間采用綁定接觸。忽略模板底腳與安裝間隙，2.9m層高中2.7m 的墻模板頂端受混凝土荷載為4.8kN/m2，線形增加到距離墻模板頂端2.8-（2.9-2.7）=2.6m處67.52kN/m2，底端至以上100mm范圍內(nèi)墻模板承受均布荷載67.52kN/m2。

2.3 研究結(jié)果及分析

層高2.9m 情況下，長(zhǎng)度2.7m，寬度分別為300mm、400mm、500mm、600mm 的墻模板撓度的有限元分析如圖1 所示。在本次分析中，各尺寸模板的撓度分布形態(tài)類(lèi)似，只是各處撓度的絕對(duì)值存在差異。雖然模板承受線形增加的漸變荷載和較大的均布荷載，但均布荷載作用區(qū)域局限于模板底端向上100mm 的很小范圍內(nèi)，加上在此處背楞對(duì)位移的約束作用，由圖中的撓度分布可以看出，底端均布荷載作用的區(qū)域撓度較小，此處由于次肋的約束，產(chǎn)生的撓度分布圖被分割成了三處類(lèi)圓區(qū)域。

各尺寸中最大撓度均出現(xiàn)在靠近模板底端被主肋與背楞分隔成的子區(qū)域中，其隨模板尺寸的變化曲線如圖1 所示。圖形顯示最大撓度隨著模板寬度的增加而均勻加大。

圖1 最大撓度隨鋁模板寬度變化圖

各尺寸鋁模板中，正應(yīng)力的分布呈現(xiàn)相似形態(tài)。與撓度分布相似，在被主肋和背楞分隔成的數(shù)個(gè)子區(qū)域中，較大正應(yīng)力多分布在子區(qū)域中心以及中心與子區(qū)域四個(gè)角點(diǎn)連線相鄰部位。說(shuō)明背楞雖能限制墻模板的變形，但也需警惕因此造成的局部正應(yīng)力對(duì)模板的影響。其絕對(duì)值隨著模板寬度的增加而加大（圖2），但最大值皆小于正應(yīng)力限值200MPa。

圖2 不同寬度墻體鋁模正應(yīng)力分布圖

較大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在背楞以及主肋隔成的子區(qū)域的四個(gè)角點(diǎn)附近，且剪應(yīng)力方向交替排列。與撓度和正應(yīng)力分布類(lèi)似，較大剪應(yīng)力集中出現(xiàn)在漸變荷載最大值附近的子區(qū)域中。

3 鋁合金模板混凝土澆筑施工控制

對(duì)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)模板的研究表明，鋁合金模板強(qiáng)度均大于其所受到的施工荷載。但其沒(méi)有考慮混凝土澆筑對(duì)鋁合金模板的沖擊。為了滿(mǎn)足工期要求，以及防止混凝土在澆筑階段產(chǎn)生局部凝固，對(duì)混凝土需要以較高的澆筑速度進(jìn)行施工，這造成了鋁合金模板承受較大的動(dòng)力荷載。本次研究聚焦于持續(xù)高速的混凝土沖擊對(duì)鋁合金模板工程性能的影響，并通過(guò)定量分析對(duì)混凝土澆筑施工質(zhì)量控制水平的提高提供理論基礎(chǔ)。

3.1 混凝土澆筑梁底模板有限元模型的建立

本次研究采用Ansys Fluent對(duì)混凝土澆筑工況進(jìn)行模擬。由于分析持續(xù)的混凝土澆筑對(duì)鋁合金模板的影響，因此采用穩(wěn)態(tài)分析方法。因?yàn)楸敬文Ｐ土饔蛑型瑫r(shí)存在空氣和混凝土兩種流體，所以采用多相分析中的VOF（Volume of Fluid），該模型適用于各相流體不相容的情況，用層流描述混凝土持續(xù)澆筑時(shí)的工況。本次分析忽略混凝土與空氣間的張力。

3.2 研究結(jié)果及分析

3.2.1 混凝土澆筑影響區(qū)域分析

澆筑速度趨于穩(wěn)定后，其澆筑點(diǎn)的混凝土的體積分?jǐn)?shù)分布。較高速度的混凝土在模板表面迅速擴(kuò)散甚至形成飛濺區(qū)域。但由于研究對(duì)象為單塊模板，其承載面積有限，導(dǎo)致分散后的混凝土迅速布滿(mǎn)整塊模板。但混凝土較集中距離澆筑中心200mm 范圍內(nèi)，其后混凝土迅速減少?；炷良袇^(qū)域的分析有助于提前判斷混凝土對(duì)模板的大致承載區(qū)域，也為分析混凝土在模板上的擴(kuò)散速度提供數(shù)據(jù)支持。

3.2.2 模板應(yīng)力分布分析

壓應(yīng)力在澆筑中心達(dá)到最大值67.56kPa，隨著與澆筑中心的距離加大，受到的壓應(yīng)力逐漸減小。結(jié)果顯示壓應(yīng)力梯度最大值出現(xiàn)在距模板中心大約75mm 的區(qū)域，說(shuō)明混凝土澆筑管邊緣周?chē)０逅艿膲簯?yīng)力發(fā)生劇烈變化。這是由于管內(nèi)高速大量的混凝土沖擊，致使管內(nèi)外出現(xiàn)較大的壓力差造成的。此較大的壓力差也導(dǎo)致了此區(qū)域模板的剪應(yīng)力大幅上升。澆筑半徑以?xún)?nèi)區(qū)域雖然承受較大的壓應(yīng)力，但其變化梯度很小，故所受到的剪應(yīng)力較小。

4 結(jié)語(yǔ)

本章針對(duì)范悅城高層建筑鋁合金模板工程，對(duì)墻體模板在不同寬度下條件下鋁模所受應(yīng)力和變形進(jìn)行了定量分析，并研究了混凝土澆筑對(duì)梁模板工程特性的影響。結(jié)果可總結(jié)如下：

（1）隨著墻體模板寬度的增加，其應(yīng)力和撓度也隨之加大。對(duì)于泛悅城層高為2.9m 的高層建筑，不宜采用寬度超過(guò)400mm 的墻模板（模板長(zhǎng)度為2700mm）。背楞雖能限制墻模板的變形，在設(shè)置背楞處面板和邊框同時(shí)承受較大正應(yīng)力，需警惕因此造成的局部正應(yīng)力過(guò)載。

（2）在混凝土澆筑施工中，澆筑半徑內(nèi)和半徑周?chē)鷧^(qū)域分別承受較大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，因此應(yīng)對(duì)上述區(qū)域特別關(guān)注。在混凝土澆筑前，應(yīng)通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)該區(qū)域強(qiáng)度和穩(wěn)定性，必要時(shí)需進(jìn)行加固處理。