鋁合金模板在高層建筑中的應用研究

張學洲

（福建榮建集團有限公司）

1 工程概況

龍巖市西安金融安置小區(qū)D 地塊第一標段位于龍巖市龍巖大道與人民路交叉口西北側，項目由三棟高層住宅樓組成，建筑物編號分別為16#建筑物、19#建筑物和20#建筑物，其中，16#建筑物層高為33 層，建筑高度為99.45m，占地面積為323.07m2，架空面積為31.10 m2，總建筑面積為11991.55m2，計容建筑面積為11960.45m2；19#建筑物層高為32 層，建筑高度為96.60m，占地面積為908.53m2，架空面積為200.88m2，總建筑面積為20175.97m2，計容建筑面積為19975.08m2；20#建筑物層高為33 層，建筑高度為99.45m，占地面積為717.64m2，架空面積為114.55m2，總建筑面積為22217.99m2，計容建筑面積為22103.44m2。所有建筑物標準層層高均為3.00m，其中地下一、二層為地下室，主要功能為車庫，地下建筑面積為20441.12 m2，層高為4.5m。

2 鋁合金模板的受力和變形計算

施工中選用的鋁合金模板材料為6061-T6，主要合金元素為鎂和鋁，其抗彎強度和抗壓強度均為240MPa，抗剪強度為95MPa。按照鋁合模板施工位置的不同，需對樓面鋁合金模板、單跨梁鋁合金模板、墻身鋁合金模板分別計算其應力和變形，同時應對對工具式鋼支柱的鋁合金模板體系進行整體穩(wěn)定性驗算[1]。

在荷載取值時，固定荷載和活動荷載的分項系數均按現(xiàn)行規(guī)范取值，分別取為1.35和1.40；活動荷載考慮施工布料機上料時的機械荷載和人群荷載，取值為4kN/m2，含配件的鋁模板自重分布荷載按0.5kN/m2進行計取。按最不利工況進行樓面鋁膜板受力計算，16#建筑物、19#建筑物和20#建筑物的最大樓板厚度為150mm，樓板鋼筋混凝土的容重為25.1kN/m3，可以得到最大計算分布荷載為11.36kN/m2，計算過程如公式⑴所示。

P=1.35×（25.1×0.15+0.5）+1.4×4

=11.36kN/m2⑴

如圖1 所示，樓面鋁合金標準模板的寬度為B=0.4m，長度為L=1.20m，厚度t=4.0mm，其彎矩系數為k1=0.0698，撓度系數k2=0.00192，可以得到樓面鋁合金標準模板的界面慣性矩Ix和截面抗彎模量Wx如公式⑵～公式⑶所示[2]。

圖1 樓面合金標準模板尺寸

由此可以得到，樓面鋁合金標準模板的計算荷載W、最大彎矩Mmax、最大彎矩應力σw、支點最大剪力F、最大剪應力σt和最大撓度Lmax如公式⑷～公式⑼所示。

在單跨梁鋁合金模板計算中，梁高和梁寬取最不利工況，最大高度為400mm，最大寬度為250mm，混凝土比重為25.5kN/m3，梁結構最大計算壓力如公式⑽所示。

P=1.35×(25.5×0.4+0.5)+0.4×1.4

=20.045kN/m2⑽

在墻身鋁模板計算時，需要計算墻體混凝土對墻身鋁模板的側壓力，并考慮外加劑、塌落度、澆筑速度、溫度等因素的影響，對側壓力進行修正，修正公式為F=0.22·Vc·h·t0·β2·β1·V0.5。其中，Vc為墻體混凝土的容重，取為24.0kN/m3；β1為外加劑修正系數，取1.2；h為間墻高度2.90m；β2為混凝土坍落影響修正系數，實際塌落度測試值為125，因此β2計算時取為1.15；V為混凝土澆筑速度，按正常澆筑速率2m/hr考慮；t0為混凝土澆筑時溫度，按正常室溫25℃考慮，溫度修正系數為5。

綜合可得，墻體鋁模板修正后最大混凝土側壓力為F= 0.22 ×Vc×t0×β2×β1×V0.5=0.22×24.0×25×1.15×1.0×20.5=51.51kPa[3-5]。同樣地，可以得到單跨梁鋁合金模板和墻身鋁合金模板的計算荷載W、最大彎矩Mmax、最大彎矩應力σw、支點最大剪力F、最大剪應力σt和最大撓度Lmax如表1所示。

表1 單跨梁鋁合金模板和墻身鋁合金模板的受力及變形計算結果

在高層建筑施工中，采用鋁模板施工時需要穩(wěn)固的支撐系統(tǒng)，工具式鋼支柱支撐系統(tǒng)具有強度和剛度大、安拆方便，鋼立柱之間無需設置拉結水平桿等優(yōu)點，在鋁合金模板體系中得到廣泛應用，發(fā)揮了重要的抗側向力的作用。結合本研究中的建筑層高（標準層3.0m），工具式鋼支柱支撐系統(tǒng)高度需要設置2.9m，考慮墻體混凝土的側向力，設置工具式鋼制柱最大間距為1200，施作時，工具式鋼支柱由2 節(jié)直徑大小不同的鋼管套接而成，上部鋼管直徑為48mm，嵌套至底部直徑為60mm的鋼管中，同時為了使工具式鋼支柱可以調節(jié)高度，在底部鋼管頂部焊接螺紋管。工具式鋼支柱截面參數如表2所示，工具式鋼管立柱受壓穩(wěn)定性按公式⑾計算[6]。

表2 工具式鋼支柱截面參數

式中，N為單根工具式鋼支柱所承受的最大壓力；φ為壓桿穩(wěn)定系數；βmx為等效彎矩系數；Mx為彎矩作用平面內偏心彎矩值；Wx為毛截面抵抗矩，取為6233m3；Nex為歐拉臨界力。

計 算 時，N=8.32kN/mm2×1.2m×1.2m=11.98kN，φ取 為0.273，βmx取 為1.0；x=N×d/2=11.98×48/2=287.5kN·mm；Wx取為6233m3；Nex=30647N。由公式⑾可以計算得到壓彎桿件受壓穩(wěn)定性如公式⑿所示。

表明該工程工具式鋼支柱整體穩(wěn)定性滿足設計要求。

3 高層建筑鋁合金模板的施工技術

為了保證高層建筑施工的有序、高效進行，確保施工組織和工程進度計劃的穩(wěn)步推進，鋁合金模板的施工流水段落合理劃分是關鍵，直接影響到后期混凝土的澆筑、機械設備和材料供應的施工節(jié)拍，為節(jié)約施工工期，對3 棟建筑物中均配套了1 整套完整的鋁合金模板，避免了模板的交叉占用，同時，組織1 個安裝隊伍對各棟鋁合金模板進行分層流水施工，確保勞動力的有效供應。水平向鋁合金模板和垂直向鋁合金模板的施工工藝具有各自的特殊性，因此分別確定高層建筑墻柱和梁板的安裝和拆除施工流程如下所示。

⑴墻、柱鋁合金模板安裝流程。

控制線、定位筋→樓面平整→安裝一側模板→安裝套管、螺桿→安裝另一側模板→安裝背楞→安裝斜撐→標高、垂直度、平整度校核→預檢驗收。

⑵墻、柱鋁合金模板拆除流程。

拆模審批→斜撐拆除→背楞拆除→螺桿拆除→墻柱模板拆除→定位膠杯拆除→墻柱混凝土質量驗收。

⑶梁、板鋁合金模板安裝和拆除流程。

梁底組裝→安裝梁底、單頂→安裝梁側?！惭b套管、螺桿→安裝樓面C 槽→組裝樓面底籠→安裝底籠、單頂→安裝樓面模板→標高調教、驗收→拆模審批→拆除梁底模板→拆除對拉螺桿→拆除梁側模板→拆除底籠→拆除樓板模板→拆除C 槽→混凝土質量檢查→單頂拆除審批→單頂拆除。

墻模系統(tǒng)主要有6 部分組成，分別為主鋁合金模板、橫身板（墻頭板）、內墻板角鋁（R 擺板）、對拉螺桿、鋼背楞及導墻板（K 板）。如圖2 所示，墻體主鋁合金模板采用銷釘拼接、采用螺栓對拉加固連接；鋼背楞有直背楞和直角背楞2種，為2根矩形鋼管焊拼而成，鋼管的截面尺寸為60mm×30mm×3.5mm（長×高×厚），為提高鋼背楞的剛度，在2 根矩形鋼管中間焊有加強塊。為保證主鋁合金模板的側向剛度，在墻高方向上一般設置4道背楞，第1 道背楞與樓面的垂直距離控制在250mm～350mm，第2 道背楞與樓面的垂直距離為850mm，第3 道與樓面的垂直距離為1450mm，第4道與樓面的垂直距離2050mm，背楞安裝如圖3 所示。安裝時，斜撐的設置間隔不超過2.0m，墻體寬度超過2.0mm 時，斜撐的數量不少于2根，墻體或剪力墻短肢寬度不超過2.0mm是，斜撐數量不少于1根。

圖2 鋁合金模板穿墻螺栓連接示意

圖3 鋁合金模板背楞安裝

梁模系統(tǒng)主要有5 部分組成，分別為梁底陰角模板、梁底模板、EC 轉角連接陽角模板、梁底早拆頭及獨立鋼支撐。為滿足梁體模板的早拆需求，提高模板的使用效率，在梁底部設置有早拆頭和早拆模板，使用獨立鋼支撐進行承載，以避免與非早拆模板的影響，獨立鋼支撐的設置間距應加密設置，一般不超過1300mm，如圖4 所示。由于外圈梁的側向壓力較大，為了控制混凝土的側向變形，需在圈梁出設置對拉螺栓和背楞以加強鋁合金梁模板的側向剛度，如圖5 所示。梁模板拼裝時，按照梁體尺寸對鋁合金梁模板進行預拼裝，當模板的溫度變形穩(wěn)定后進行梁底板調平，隨后安裝側模板，整體連接時需同時安排2名工人協(xié)同作業(yè)，如圖6所示。

圖4 梁鋁合金模板安裝示意

圖5 圈梁部位均需增加對拉螺栓、背楞

圖6 梁鋁合金模板的調平

樓面系統(tǒng)主要有4 部分組成，分別為樓面板、樓面龍骨、早拆頭及獨立鋼支撐。為加快模板的使用效率，縮短每層樓面板的占用時間，樓面模板設置早拆模板，并在其下面使用獨立鋼支撐進行承載，以避免與非早拆模板的影響，獨立鋼支撐的設置間距應加密設置，一般支撐間距設置為1300mm×1300mm。樓面模板的安裝可在墻體頂部、梁體頂部的陰角模板完成之后即可進行，依次安裝樓面龍骨、樓面頂模板，直至鋁模全部拼裝完成。為避免樓面模板撓度引起的樓面混凝土澆筑變形，樓面模板一般設置起拱高度，鋁合金模板的彈性模量較大，其起拱高度可取跨度的1/1000，如圖7所示。

圖7 樓面板鋁合金模板的安裝

4 結論

以龍巖市西安金融安置小區(qū)D 地塊第一標段為研究背景，運用理論計算方法對鋁合金樓面模板、梁模板的受力和變形、工具式鋼支柱的整體穩(wěn)定性進行了計算，并針對各鋁模施工特色展開了施工工藝研究，得到以下幾個結論：

⑴樓面鋁合金標準模板的最大彎矩Mmax、最大彎矩應力σw、支點最大剪力F、最大剪應力σt和最大撓度Lmax分別為0.05kN·m、47.7MPa、0.91kN、0.57MPa、1.51mm。

⑵單跨梁鋁合金模板的最大彎矩Mmax、最大彎矩應力σw、支點最大剪力F、最大剪應力σt和最大撓度Lmax分別為0.023kN·m、42.80MPa、0.68kN、0.85MPa、0.38mm。

⑶墻身梁鋁合金模板的最大彎矩Mmax、最大彎矩應力σw、支點最大剪力F、最大剪應力σt和最大撓度Lmax分別為0.11kN·m、137.50MPa、3.09kN、2.85MPa、0.80mm。

⑷對高層建筑墻模系統(tǒng)、梁模系統(tǒng)和樓面系統(tǒng)的施工工藝展開分析表明，所提出的技術要點使得鋁合金模板在制作和安裝過程中應力和變形均在允許范圍內。