鋁合金模板優化設計及施工質量控制

柯賢孝

（中國水利水電第七工程局有限公司二分局，四川 成都 611730）

鋁合金模板以其質量輕、拆裝方便、承載能力高、構件耐久性好、周轉次數高，現場無施工垃圾，標準、通用性強、回收價值高等優點越來越多的受到工程技術人員的重視[1]。部分研究探討了鋁合金模板的力學性能[2]，但對于包括模板尺寸在內的各因素對其工程性能的影響的研究不多。針對泛悅城超高層建筑鋁合金模板的應用，由于工程量大，結構復雜，更需要足夠的基礎數據來支撐模板的設計。

本文運用ANSYS 對墻體和梁鋁合金模板進行了有限元分析，探討了墻模板尺寸對單塊模板的受力和變形的影響，模擬了混凝土澆筑對梁模板的影響，探討了降低鋁合金模板施工質量的若干因素，總結了混凝土澆筑的較優施工方法，為泛悅城超高層建筑鋁合金模板的優化設計及施工質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住宅、商用項目，位于武漢市東湖高新區珞瑜東路以南，總建筑面積約277217.5 平米。其中四棟住宅樓為超高層建筑，最高達到64 層，主體設計的平面較為規整，豎向標準層層數較多，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 的標準層，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 墻體施工荷載的計算

根據《混凝土結構工程施工規范》（GB50666-2011），新澆筑混凝土采用內部振搗器時，作用于模板的最大側壓力標準值可取下列兩個公式的較小值。

其中F 為新澆筑混凝土對墻模板的最大側壓力（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間（h），可按實測確定；當缺乏試驗資料時可采用t0=200/（T+15）計算，T 為混凝土的溫度（℃）；β 為混凝土坍落度影響修正系數：當坍落度在50mm～90mm 時，β取0.85；坍落度在100mm～130mm 時，β 取0.9；坍落度在140mm～180mm 時，β 取1.0；V 為混凝土澆筑高度（厚度）與澆筑時間的比值，即澆筑速度（m/h）；H 為混凝土側壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度（m）。

本次工程中，混凝土自重標準值取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 取標準層層高2.9m。因此對于本次分析對象而言，

2.2 模型的建立

本次剪力墻模板采用工程常用標準模板，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計，背楞的間距分別為600mm、800mm和900mm。模型中構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范圍內墻模板承受均布荷載67.52kN/m2。

2.3 研究結果及分析

層高2.9m 情況下，長度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類似，只是各處撓度的絕對值存在差異。雖然模板承受線形增加的漸變荷載和較大的均布荷載，但均布荷載作用區域局限于模板底端向上100mm 的很小范圍內，加上在此處背楞對位移的約束作用，由圖中的撓度分布可以看出，底端均布荷載作用的區域撓度較小，此處由于次肋的約束，產生的撓度分布圖被分割成了三處類圓區域。

各尺寸中最大撓度均出現在靠近模板底端被主肋與背楞分隔成的子區域中，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，正應力的分布呈現相似形態。與撓度分布相似，在被主肋和背楞分隔成的數個子區域中，較大正應力多分布在子區域中心以及中心與子區域四個角點連線相鄰部位。說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力對模板的影響。其絕對值隨著模板寬度的增加而加大（圖2），但最大值皆小于正應力限值200MPa。

圖2 不同寬度墻體鋁模正應力分布圖

較大剪應力均出現在背楞以及主肋隔成的子區域的四個角點附近，且剪應力方向交替排列。與撓度和正應力分布類似，較大剪應力集中出現在漸變荷載最大值附近的子區域中。

3 鋁合金模板混凝土澆筑施工控制

對鋁合金標準模板的研究表明，鋁合金模板強度均大于其所受到的施工荷載。但其沒有考慮混凝土澆筑對鋁合金模板的沖擊。為了滿足工期要求，以及防止混凝土在澆筑階段產生局部凝固，對混凝土需要以較高的澆筑速度進行施工，這造成了鋁合金模板承受較大的動力荷載。本次研究聚焦于持續高速的混凝土沖擊對鋁合金模板工程性能的影響，并通過定量分析對混凝土澆筑施工質量控制水平的提高提供理論基礎。

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對混凝土澆筑工況進行模擬。由于分析持續的混凝土澆筑對鋁合金模板的影響，因此采用穩態分析方法。因為本次模型流域中同時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澆筑時的工況。本次分析忽略混凝土與空氣間的張力。

3.2 研究結果及分析

3.2.1 混凝土澆筑影響區域分析

澆筑速度趨于穩定后，其澆筑點的混凝土的體積分數分布。較高速度的混凝土在模板表面迅速擴散甚至形成飛濺區域。但由于研究對象為單塊模板，其承載面積有限，導致分散后的混凝土迅速布滿整塊模板。但混凝土較集中距離澆筑中心200mm 范圍內，其后混凝土迅速減少。混凝土集中區域的分析有助于提前判斷混凝土對模板的大致承載區域，也為分析混凝土在模板上的擴散速度提供數據支持。

3.2.2 模板應力分布分析

壓應力在澆筑中心達到最大值67.56kPa，隨著與澆筑中心的距離加大，受到的壓應力逐漸減小。結果顯示壓應力梯度最大值出現在距模板中心大約75mm 的區域，說明混凝土澆筑管邊緣周圍模板所受的壓應力發生劇烈變化。這是由于管內高速大量的混凝土沖擊，致使管內外出現較大的壓力差造成的。此較大的壓力差也導致了此區域模板的剪應力大幅上升。澆筑半徑以內區域雖然承受較大的壓應力，但其變化梯度很小，故所受到的剪應力較小。

4 結語

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

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

（2）在混凝土澆筑施工中，澆筑半徑內和半徑周圍區域分別承受較大壓應力和剪應力，因此應對上述區域特別關注。在混凝土澆筑前，應通過計算檢驗該區域強度和穩定性，必要時需進行加固處理。