鋁合金模板抗彎性能試驗(yàn)研究

彭家偉，曾宇燎，寧橋

[摘要]對鉆前工程方井的施工過程中使用的鋁合金墻柱模板進(jìn)行純彎試驗(yàn)研究，得到在不同荷載下的撓度值和極限抗彎承載力，為方井施工與管理提供依據(jù)。試驗(yàn)表明，模板的破壞方式均是在跨中端板的銷孔處破壞。建筑鋁模板的承載力大于60 kN/mm2，鋁模板屈服撓度約為17.2 mm，極限變形值約27.22 mm。

[關(guān)鍵詞]鋁合金； 墻柱模板； 變形； 承載力

[中國分類號]TU755.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

隨著鉆前工程施工工期越來越緊張，方井的施工工期的快慢已成為能否按期完成施工任務(wù)的關(guān)鍵因素，目前采用的木模板支撐體系施工工期較長，急需一種更加快捷的模板施工技術(shù)縮短工期。目前鉆前工程方井施工采用的木模板支撐體系，強(qiáng)度低、板面拼縫多，拆模后表觀質(zhì)量粗糙，需抹灰處理，所以需要一種新模板體系解決上述質(zhì)量問題。

輕質(zhì)高強(qiáng)定型鋁合金模板體系重量輕、質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、平均使用成本低、便于拆裝、承載力高，且拆模后混凝土表面質(zhì)量平整光滑，可達(dá)到免抹灰的效果，完美解決了目前鉆前工程方井施工的質(zhì)量不受控和工期緊的問題［1-2］。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可循環(huán)性使用，并可運(yùn)用于方井施工。

任慧軍等［3］人對地下綜合管廊的鋁合金模板施工技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)際項(xiàng)目中采用明挖現(xiàn)澆施工法鋁合金模板施工，分析得出使用鋁合金模板能夠保證混凝土的施工質(zhì)量，施工成本低于木模板。歐陽波等［4］對鋁合金模板在高層建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中采用的鋁合金模板的施工情況，總結(jié)出鋁合金模板的工藝特點(diǎn)，詳述模板的設(shè)計(jì)與施工過程中的操作難點(diǎn)。工程應(yīng)用實(shí)踐表明在高層建筑中采用鋁合金模板可以達(dá)到良好的施工效果，提升經(jīng)濟(jì)效益與工期效益。邢振華等 ［5］依托實(shí)際項(xiàng)目，對鋁合金模板在施工過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了探究，整理出合理的處理措施，為鋁合金模板在實(shí)際工程應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題提供了解決方案，為工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

本文對鉆前工程方井所使用的墻柱鋁合金模板進(jìn)行研究，選用2 400 mm×600 mm和1 400 mm×600 mm 2種面板尺寸的鋁模板，進(jìn)行抗彎承載力分析，給出鋁合金模板的極限荷載，通過試驗(yàn)現(xiàn)象分析鋁合金模板的破壞形式，驗(yàn)證鋁合金模板在工程應(yīng)用中的安全性。得出鋁合金模板在標(biāo)準(zhǔn)荷載下的撓度變形值，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1試件概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用四川蜀渝石油建筑安裝公司在工程中實(shí)際使用的兩種面板尺寸的鋁合金模板，共5個，分別為2 400 mm×600 mm和1 400 mm×600 mm。鋁合金模板的面板厚度為4 mm，端板厚度和高度為6 mm和65 mm，橫肋間距為140 mm，縱肋間距為120 mm。鋁模板端板、橫肋與縱肋之間采用焊接方式連接。四邊端板預(yù)留螺栓孔，以便在實(shí)際工程中根據(jù)施工設(shè)計(jì)靈活組裝，螺栓孔間距50 mm。表1給出了鋁合金模板的主要尺寸參數(shù)，圖1為鋁合金模板的具體構(gòu)造。鋁合金材料參數(shù)由出廠拉伸試驗(yàn)報(bào)告書給出，彈性模量為70 000 N/mm2，質(zhì)量密度為2 700 kg/m3。

1.2加載方案

本試驗(yàn)采用兩點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。為了模擬模板真實(shí)的受力狀況，兩端采用簡支約束方式。支座沿模板短邊寬度方向放置，支座間距為 900 mm。根據(jù)JGJ 386-2016《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》［6］，墻柱模板試驗(yàn)均布荷載取值45 kN/mm2。根據(jù)試驗(yàn)室測量標(biāo)準(zhǔn)，鋁模板試驗(yàn)需將均布荷載等效為施加在跨中的集中荷載，由截面最大彎矩等效原理計(jì)算出應(yīng)施加12.15 kN的集中力至鋁模板中部。為了測得鋁合金模板的極限承載力，在加載至標(biāo)準(zhǔn)荷載后繼續(xù)加載至試件破壞。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

WAW-1000H電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)集電液伺服自動控制、自動測量、數(shù)據(jù)采集、屏幕顯示、試驗(yàn)結(jié)果處理為一體。主要用于金屬、非金屬的拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，具有高精度和可重復(fù)性。在此次試驗(yàn)中，使用該設(shè)備為鋁模板的彎曲試驗(yàn)提供荷載和采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。荷載施加位置為平行于鋁模板短邊的跨中位置，由此鋁模板跨中為撓度變化最大處。在鋁合金模板底面沿中軸線布置8個應(yīng)變片，監(jiān)測試驗(yàn)過程中鋁模板的受力變化情況；在模板兩長邊的中點(diǎn)分別放置百分表，測得鋁模板的撓度變化值；采用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集壓力傳感器和百分表的數(shù)值。

試驗(yàn)前，在鋁合金模板上定位應(yīng)變片的粘貼位置，使用砂紙適度打磨，使用丙酮除去油污，并使用酒精將定位點(diǎn)擦洗干凈。粘貼應(yīng)變片前測量應(yīng)變片電阻，以防有廢片影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)變片粘貼后使用硅膠涂抹于應(yīng)變片表面，以防止碰撞、刮擦等；試驗(yàn)過程中，對各測點(diǎn)、百分表以及電腦端的數(shù)據(jù)反饋通過錄像記錄，確保加載過程都在監(jiān)測范圍內(nèi)；試驗(yàn)結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)整理與分析得出鋁模板的質(zhì)量檢測情況。

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)束后，收集應(yīng)變片和百分表等各部分?jǐn)?shù)據(jù)整理分析。試驗(yàn)過程中，隨載荷增加，鋁模板跨中部產(chǎn)生向下的變形，撓度逐漸增加。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到極限時，模板一側(cè)開孔處被瞬間拉斷見圖3（a），傳感器荷載迅速下降；繼續(xù)加載后，另一側(cè)邊框模板開孔處隨機(jī)發(fā)生同樣的破壞見圖3（b），鋁模板中部加勁肋也發(fā)生破壞見圖3（c）。由于開孔處為薄弱位置，因此最大應(yīng)變值發(fā)生在經(jīng)過孔心且垂直于加載方向，使得裂縫沿荷載方向迅速擴(kuò)展，邊框開孔處發(fā)生應(yīng)力集中，從而削弱了邊框強(qiáng)度，導(dǎo)致失效形式主要表現(xiàn)為跨中端板開孔處破裂，均屬于強(qiáng)度破壞。

2.2荷載-跨中撓度曲線

如圖4所示為各試件的荷載-撓度曲線。撓度變化由雙側(cè)百分表獲得。荷載-撓度曲線出現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢。隨著荷載增大，鋁模板撓度逐漸變大，達(dá)到屈服后，曲線變得平緩，撓度達(dá)到約28 mm后，鋁模板承載力不再有明顯增加。極限荷載大于69 kN，極限變形大于25 mm。

根據(jù)得到的荷載位移曲線，計(jì)算各鋁模板試件的最大變形、屈服撓度、極限變形以及延性，如表2所示。最大變形為鋁模板在規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)荷載下的撓度值，屈服撓度為鋁模板達(dá)到屈服點(diǎn)的面中變形，極限變形為鋁模板被加載至破壞時的面中變形。延性系數(shù)用以衡量模板在發(fā)生破壞前發(fā)生大變形的能力。

表2中鋁模板試件ALU-1～ALU-5在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下最大變形均小于5 mm，符合規(guī)范要求［6］。在實(shí)際施工中鋁模板的表面平整度變化在規(guī)范要求內(nèi)，能夠滿足施工要求。鋁模板屈服撓度平均值為17.2 mm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)荷載值下的變形，在實(shí)際施工中具有較高的安全儲備。撓度達(dá)到此值之前，鋁合金模板體系仍具有一定的安全可靠性。若變形值達(dá)到17.2 mm，則應(yīng)采取措施預(yù)防脹模等情況發(fā)生，避免產(chǎn)生安全隱患。在鋁合金模板完全破壞前其跨中變形值可以達(dá)到約27.22 mm，極限承載力約72.54 kN。鋁合金模板延性系數(shù)均值約為1.48，由此在達(dá)到極限承載力之前，鋁模板具有較好的變形能力。

3結(jié)論

通過對鋁合金模板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模板的破壞方式均是在跨中端板的銷孔處破壞。建筑鋁模板的承載力大于60 kN/mm2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)木模板以及組合鋼模板的承載力（約30 kN/mm2）。鋁模板在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下最大變形均小于5 mm，表面平整度變化在規(guī)范要求內(nèi)，能夠滿足施工要求。鋁模板屈服撓度約為17.2 mm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)荷載值下的變形，在實(shí)際施工中具有較高的安全儲備。撓度達(dá)到此值之前，鋁合金模板體系仍具有一定的安全可靠性。若變形值達(dá)到17.2 mm，則應(yīng)采取措施預(yù)防脹模等情況發(fā)生，避免產(chǎn)生安全隱患。鋁合金模板達(dá)到極限承載力時，變形值可以達(dá)到約27.22 mm。

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［6］組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程： JGJ386-2016 ［S］. 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司， 2015-05-14.