剪力墻結構住宅鋁合金模板優化設計研究

張新，張冠，魏雙利

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.青島騰遠設計事務所有限公司，山東濟南250101)

0 引言

鋁合金模板作為住建部推廣應用的一種新型施工模板，其技術優勢顯著[1]，在高層剪力墻結構住宅建筑施工中得到廣泛應用。 國內外專家對此進行了大量研究分析與應用總結。 劉雪紅等[2]通過具體工程應用實例，分析了鋁合金模板技術要點、施工安裝及經濟效益。 邢振華等[3]認為南北方冬季溫差導致了鋁合金模板施工無法統一，建議通過在墻體鋁合金模板下方設置柔性膠條，解決北方冬季施工難題。 劉曉麗等[4]針對鋁合金模板脫模質量問題，通過場地實驗，推出新型脫模漆。 仇銘華[5－6]介紹了某高層建筑鋁合金模板的應用技術與施工工藝，并從應用效果和效益分析方面，說明鋁合金模板對推進綠色施工有著積極的作用。 DONG[7]、PROVERBS 等[8]和ZHANG[9]研究了鋁合金模板綠色施工技術模型、鋁合金模板的生產效率及建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術在鋁合金模板支撐系統設計中的應用。 徐翩翩等[10]介紹了國內外鋁合金模板體系，針對樓板、梁、墻柱制定了模板的標準尺寸并給出拼裝示例。 加拿大鋁業公司(Aluma)和澳大利亞博羅公司(Boral)同樣研究了鋁合金模板的構造設計，并在高層建筑中得到廣泛推廣和使用[11－12]。 潘欽鋒等[13]對鋁合金模板進行4 分點加載純彎試驗以及有限元理論分析驗證，發現邊肋高度對其抗彎性能影響較大。 莊金平等[14]通過試驗研究了不同數量、間距的銷釘對鋁合金模板承受荷載時的破壞影響。 劉香君[15]結合鋁合金材料性能和混凝土側壓力等設計參數并對鋁合金模板進行有限元分析，得到應力、應變分布圖，彌補了單一理論計算的不足。 綜上所述，國內外對鋁合金模板技術的研究主要集中在施工工藝、結構技術和性能試驗分析方面，對配板設計方面研究較少。

國內各個鋁合金模板廠生產的鋁合金模板尺寸多有不同，不同廠家之間的鋁合金模板缺乏通用性，且鋁合金模板的非標率過高。 目前，對鋁合金模板優化設計的研究仍然偏少。 為了降低鋁合金模板的非標率、提高其通用性，通過結合鋁合金模板應用特點和研究現狀，以高層剪力墻結構為研究對象，研究了梁、板、墻等構件的鋁合金模板配板原則，提出了優化設計方法，利用有限元軟件計算了優化后鋁合金模板的力學參數，并應用于工程實踐中。 其研究成果可為鋁合金模板的進一步推廣應用提供參考與借鑒。

1 鋁合金模板簡介與所配結構尺寸調研

1.1 鋁合金模板構造

鋁合金模板主要包括平面模板、轉角模板和支撐模板，如圖1、2 所示。 其中，平面模板包括樓板模板、梁模板和墻柱模板；轉角模板包括陰角模板、陰角轉角模板和陽角模板；支撐模板包括早拆頭和龍骨鋁梁。

圖1 梁板鋁合金模板簡易構造圖

圖2 墻梁鋁合金模板簡易構造圖

1.2 鋁合金模板規格尺寸

由于不同廠家的設計方法和拼裝方式不同，鋁合金模板尺寸也不盡相同。 文章總結了北京捷安、廣東合迪、煙臺鑫銘以及韓國三木(S－FORM)、加拿大鋁業公司(Aluma)等鋁合金模板廠家模板的規格尺寸，通過現場調研和查閱資料統計了常用模板尺寸[10]，見表 1。

1.3 國內剪力墻結構住宅尺寸調研

鋁合金模板在高層剪力墻結構中應用較多，優化設計主要以剪力墻結構住宅為主。 通過調研國內北方地區近10 年部分剪力墻結構住宅，整理總結了結構層高、開間尺寸、梁高度、梁寬度和墻厚度，如圖3 所示。

圖3 剪力墻結構住宅尺寸調研圖

由圖3 可以看出，剪力墻結構住宅中層高為2 900 mm的占比最多，約為59%，而層高為3 000 mm的占比約為19%；開間尺寸為3 000 mm 的占比最多，約為20%，而尺寸為3 500 mm 的占比約為15%；梁高尺寸為400 mm 的占比最多，約為28%，而尺寸為500 mm的占比約為15%；梁寬尺寸為200 mm 的占比最多，約為88%；墻厚尺寸為200 mm 的占比最多，約為87%。

綜上可知， 剪力墻結構住宅中層高為2 900 mm、開間尺寸為3 000 mm、梁高為400 mm、梁寬為200 mm 和墻厚為200 mm 的構件占比較大，以這5 個尺寸為參照，可以優化鋁合金模板配板設計。

2 鋁合金模板優化設計

2.1 鋁合金模板標準化設計原則

為充分體現鋁合金模板的特性，其優化標準需遵循以下原則:

(1) 鋁合金模板尺寸不宜過大

鋁合金模板相比于鋼模板，最大的優勢是重量輕。 安裝時一般不需借助起重設備，僅靠人工搬運安裝即可。 因此，鋁合金模板尺寸不宜過大，一般規定單塊鋁合金模板重量＜20 kg。

(2) 模板間拼縫不宜過多

鋁合金模板搭設澆筑的混凝土，拆模后可達亞清水混凝土的程度。 如果板間拼縫較多，極易出現漏漿、漲模等狀況，不利于混凝土的成型質量和整體效果。 因此，鋁合金模板尺寸也不宜過小，在滿足施工要求的情況下盡量使用規格較大模板，最好一板到底。

(3) 鋁合金模板銷釘孔位、孔距應合理設置

鋁合金模板與鋁合金模板、陰角C 槽模板、龍骨鋁梁的連接均使用銷釘和銷片。 銷釘孔位過多會削弱模板的強度、剛度及承載力；而銷釘孔位過少，會影響模板拼縫間的密實性、造成漏漿及產生氣泡、漲模等影響混凝土質量的問題。

(4) 根據項目實際，合理取舍鋁合金模板標準尺寸

高層剪力墻項目的設計尺寸多有不同，相鄰構件模板尺寸不能同時滿足標準尺寸要求，需要按照實際需要，合理取舍相鄰構件標準尺寸，最大化降低非標率。

2.2 鋁合金模板尺寸優化

鋁合金模板可分為標準板和輔助板兩種類型，標準板是工廠根據不同構件制作生產的通用型模板，輔助板是針對不同尺寸制作的少量輔助模板。以施工項目的實際需求為根本，依據鋁合金模板設計規范，以結構尺寸、單塊模板重量、獨立支撐間距、施工效率、力學性能與非標率6 個因素作為優化原則優化鋁合金模板尺寸及孔位[16－17]，其結果見表2，表中孔位數據以100×12 為例進行說明:100 表示孔距為100 mm，12 表示孔位數量。

表2 鋁合金模板尺寸優化表

鋁合金模板下方一般采用獨立鋼支撐，規范規定板底獨立支撐間距不得＞1 300 mm[16]，因早拆頭寬為100 mm，故標準樓板鋁合金模板的長度宜為1 200 mm。 由于受鋁合金成型工藝及其模板重量等因素影響，模板最大寬度宜選取為600 mm。 鋁合金模板的厚度一般為4 ～6 mm，經過計算，厚度為5 mm的600 mm×1 200 mm 鋁合金模板重量約為17 kg，相比于其他尺寸，該尺寸更符合建筑模數和設計原則的要求。

對于一般梁底鋁合金模板，其支撐間距與樓板模板的支撐間距一致，因此標準梁底鋁合金模板的長度宜為1 200 mm。 依照梁寬常用尺寸，模板寬度最大可定為200 mm，最小可定為100 mm。

梁側鋁合金模板所受荷載通過角模傳給梁底鋁合金模板，梁底鋁合金模板把荷載傳給獨立支撐，為保證荷載傳遞可靠，梁側鋁合金模板間的拼縫宜落在獨立支撐上部，故梁側鋁合金模板的長度尺寸取1 200 mm。 模板寬度應滿足梁高的尺寸，根據調研，確定寬度為150～400 mm。

為保證拆模后混凝土的成型效果與質量，墻鋁合金模板的長度宜滿足“一板到底”的要求。 根據已有調研結果，目前國內高層剪力墻結構住宅的層高一般在2 800 ～3 200 mm，以常用層高2 900 mm為標準，設計標準墻鋁合金模板高度為2 600 mm。

2.3 鋁合金模板配板優化設計

為使鋁合金模板在工程中更好的發揮優勢，需對施工過程中模板的配板方式進行調整優化，合理的鋁合金模板配置規則，能有效提高鋁合金模板的使用率。

2.3.1 樓板鋁合金模板

樓板模板在整個模板工程中占有較大比例，對整體標準化的影響明顯。 為此，需對樓板鋁合金模板縱橫配板規則進行優化，當長度方向剩余尺寸＜1 200 mm時，采用標準板垂直拼接方法，根據工程配板需要，配置不超過2 排的橫向鋁合金模板，以避免樓板模板出現其他非標長度，如圖4 所示。 當寬度方向剩余尺寸＜600 mm時，根據實際尺寸選擇模板補齊。

圖4 樓板模板配模示意圖/mm

2.3.2 梁底鋁合金模板

基于圖3 給出的調研結果，選取尺寸為400 mm×200 mm 的梁作為梁底鋁合金模板的配板優化對象。

(1) 梁兩側布置陰角C 槽模板，中間剩余間距為L。 當L≤1 200 mm 時，梁底根據實際尺寸采用一塊相匹配的鋁合金模板，如圖5(a)所示。

(2) 當L＞1 200 mm 時，梁底設置兩個或兩個以上的獨立支撐，從梁底一端依次配置長為1 200 mm的標準鋁合金模板，另一端剩余長度＜1 200 mm時，根據實際尺寸采用輔助板進行補齊，如圖5(b)所示。

圖5 梁底鋁合金模板配模示意圖/mm

2.3.3 梁側鋁合金模板

根據圖3 所示的調研結果，選取尺寸為400 mm×200 mm 的梁作為梁側鋁合金模板的配板優化對象。

(1) 當梁側長度L≤1 200 mm 時，以實際尺寸需要用一塊相匹配的鋁合金模板，如圖6(a)所示。

(2) 當梁側長度L＞1 200 mm 時，從梁側一端依次配置長為1 200 mm 的標準鋁合金模板；另一端剩余尺寸＜1 200 mm 時，以實際尺寸需要采用輔助模板進行補齊，如圖6(b)所示。

圖6 梁側鋁合金模板配模示意圖/mm

2.3.4 墻鋁合金模板

墻的形狀多樣，配模規則也不盡相同，文章以層高為2 900 mm、墻厚為200 mm 的剪力墻結構住宅中的部分直墻來分析優化說明。

墻鋁合金模板主要配置尺寸為400 mm×2 600 mm，當另一端剩余尺寸在100 ～400 mm 之間時，根據實際尺寸選取合適的鋁合金模板進行補齊；墻的另一端剩余尺寸不足100 mm 時，與前板配合，選取合適尺寸的一塊或以上的鋁合金模板補齊，如圖7 所示。

圖7 墻鋁合金模板配模示意圖/mm

3 鋁合金模板力學性能分析

以樓板鋁合金模板和墻鋁合金模板為研究對象，采用有限元建模，分析其在施工過程中的力學性能。

3.1 有限元模型建立

有限元軟件ANSYS 軟件是一種融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，采用其可分析樓板及墻鋁合金模板在施工過程中的力學性能。 鋁合金模板材料采用鋁合金型材的6061－T6 系列，其物理力學性能指標見表 3[16]。 樓板、墻的鋁合金模板分別選取600 mm×1 200 mm 和400 mm×2 600 mm 的標準板，其厚度為4 mm、邊肋高度為65 mm；橫肋截面尺寸均為30 mm×48 mm，其中樓板鋁合金模板橫肋間距400 mm，墻鋁合金模板橫肋間距自底部依次為230mm、250mm、300mm×6、320 mm。 建模選用Shell63 殼單元，模板的邊框、橫肋建模選用Beam188 梁單元。 邊界約束條件簡化為鉸接。 樓板、墻模板、邊框和橫肋的有限元模型如圖8所示。

表3 鋁合金型材物理力學性能指標表

圖8 鋁合金模板及構件有限元模型圖

3.2 荷載取值

荷載取值需根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》[18]分析確定。

混凝土樓板鋁合金模板厚度取4 mm，自重標準值G1k＝0.25 kN/m2；樓板厚度常規為120 mm，計算時按150 mm 考慮，樓板自重標準值G2k＝3.77 kN/m2；施工活荷載標準值Q3k＝2.5 kN/m2。

根據 GB 50666—2011[18]第4.3.6 條確定模板荷載設計值，其計算公式由式(1)表示為

式中SGik為第i個永久荷載標準值產生的荷載效應值；SQjk為第j個可變荷載標準值產生的荷載效應值；ψcj為第j個可變荷載的組合值系數，宜取ψcj≥0.9。

由式(1)計算得荷載標準值qk＝0.25 kN/m2＋3.77 kN/m2＝ 4.02 kN/m2，荷載設計值q＝ 1.35×(0.25＋3.77) kN/m2＋1.4×2.5 kN/m2＝8.93 kN/m2。

混凝土澆筑時對墻鋁合金模板上的側壓力，可由GB 50666—2011[18]第A.0.4 條規定得出，取二者的較小值，由式(2)和(3)表示為

式中γc為混凝土的重力密度，取 24 kN/m3；t0為混凝土澆筑完成后的初凝時間，通過公式t0＝200/(T＋15)計算(T表示混凝土溫度，計算時取25 ℃)，確定t0為 5 h；v為混凝土的澆筑速度，取 1.5 m/h；β為混凝土塌落度影響修正系數，在此β取1.0；層高H取2 900 mm。

根據圖3 給出的調研結果，墻鋁合金模板取層高2 900 mm(即2.9 m)進行計算，將其代入式(2)和(3)，得到最大側壓力標準值為F1＝ 0.28γct0βv0.5＝0.28× 24×5× 1.0× 1.50.5kN/m2＝ 41 kN/m2，F2＝γcH＝ 24× 2.9 kN/m2＝ 69.6 kN/m2。

取其較小值F為41 kN/m2，混凝土傾倒時作用荷載取標準值2.0 kN/m2，計算可得墻鋁合金模板荷載標準值為qk為41 kN/m2，墻鋁合金模板荷載設計為q＝1.35×41 kN/m2＋1.4×2 kN/m2＝58.15 kN/m2。

3.3 計算與分析

3.3.1 樓板鋁合金模板

對樓板模板施加面荷載，以荷載設計值q為8.93 kN/m2分析鋁合金模板應力變化，以荷載標準值qk為4.02 kN/m2來分析鋁合金模板撓度變化。樓板模板應力和撓度的變化情況如圖9 所示。

由圖9(a)～(c)可得，鋁合金模板最大應力位于跨中兩側邊肋與面板的交界處，最大應力值為64 MPa，中間次肋的跨中位置出現應力增大現象，應力值為30.1 MPa，均小于鋁合金模板抗彎強度設計值200 MPa。 計算表明鋁合金模板兩側的邊肋對模板的受力影響較大。

由圖9(d)可得，鋁合金模板最大位移變形位于模板的跨中部位，由跨中向兩側位移逐漸減小，變形值最大為1.23 mm，小于單塊模板容許撓度值1.5 mm[16]。

圖9 樓板模板應力與位移云圖

3.3.2 墻鋁合金模板

對墻模板施加水平側壓力面荷載，由模板底部向上施加梯度荷載q為 58.15 ～0 kN/m2。 模擬鋁合金模板撓度變化時，可僅考慮側壓力標準值。 墻模板應力和撓度的變化情況如圖10 所示。

圖10 墻模板應力與位移云圖

由圖10(a)～(c)可得，墻鋁合金模板最大應力位于距底部0.5 m 的面板和邊肋交接處，最大應力值為34.7 MPa，小于鋁合金模板抗彎強度設計值200 MPa，應力分布規律與作用在模板上荷載的分布規律相符，由底部而上逐漸減小。

由圖10(d)可得，墻鋁合金模板最大位移變形處位于第4 道與第5 道背楞之間的板面范圍，最大位移變形值為0.25 mm，小于單塊模板容許撓度值1.5 mm[16]，位移變化規律是由最大變形處向模板兩側遞減。

4 應用實例

運用工程實例，把優化后的鋁合金模板配板模式與工程原有配板模式進行局部構件的分析比較。

4.1 工程概況

某高層剪力墻結構住宅，地下2 層、地上17 層，建筑總高度約為52 500 mm。 3 ～17 層為標準層，標準層層高2 900 mm。 標準層施工采用的模板為鋁合金模板，地下車庫和其它部位采用木模板。 現選取其中一塊樓板進行配板比較，如圖11 所示。

4.2 鋁合金模板尺寸及配模設計

對于原有模板的尺寸與配模設計，主要采用規格為400 mm×1 200 mm 的鋁合金模板，其它尺寸的輔助板根據實際需要進行選取。 支撐模板為100 mm×200 mm 的早拆頭和寬為100 mm 的龍骨鋁梁。 配板規則如圖11(a)所示。

對于優化后模板的尺寸與配模設計，主要采用規格為600 mm×1 200 mm 的鋁合金模板，其它尺寸的輔助板根據實際需要進行選取。 當長度方向余留尺寸＜1 200 mm 時，采用標準板垂直拼接方法。 龍骨鋁梁與早拆頭尺寸不變。 優化后配板規則如圖11(b)所示。

圖11 樓板模板配板優化前后布置圖/mm

4.3 應用對比

分析兩種樓板鋁合金模板的配板結果，并匯總所用的模板規格及數量，原有配板方案所用的模板規格及數量見表4，優化后配板方案所用的模板規格及數量見表5。

表4 原有的鋁合金模板配板方案表

綜上可得，原有配板方案所用模板合計36 塊，共 15. 75 m2， 其中所用 標 準板 合計 24 塊， 共11.52 m2；優化后配板方案所用模板合計27 塊，共15.4 m2，其中所用標準板合計19 塊，共12.72 m2。對比優化前后兩種配板方案可知，優化后的方案非標率降低了11%，有效提高了其通用性。

表5 優化后的鋁合金模板配板方案表

5 結論

文章優化了剪力墻結構中梁、板、墻構件的鋁合金模板標準板和輔助板設計尺寸，改進了配板優化設計方法，采用有限元分析軟件分析了施工過程中樓板、墻鋁合金標準板的力學特性，通過工程實例比較優化前后的配板設計，得出以下結論:

模板在施工過程中最大應力出現在面板和邊肋的交界處，最大位移出現在模板跨中部位，應力與位移變形在常規作用下均滿足規范要求；優化后配板設計的非標率降低了11%，提高了標準板的使用率，減少了材料損耗。 因此，鋁合金模板的優化設計是可行的。