铝合金模板在高层建筑中的应用研究

张学洲

（福建荣建集团有限公司）

1 工程概况

龙岩市西安金融安置小区D 地块第一标段位于龙岩市龙岩大道与人民路交叉口西北侧，项目由三栋高层住宅楼组成，建筑物编号分别为16#建筑物、19#建筑物和20#建筑物，其中，16#建筑物层高为33 层，建筑高度为99.45m，占地面积为323.07m2，架空面积为31.10 m2，总建筑面积为11991.55m2，计容建筑面积为11960.45m2；19#建筑物层高为32 层，建筑高度为96.60m，占地面积为908.53m2，架空面积为200.88m2，总建筑面积为20175.97m2，计容建筑面积为19975.08m2；20#建筑物层高为33 层，建筑高度为99.45m，占地面积为717.64m2，架空面积为114.55m2，总建筑面积为22217.99m2，计容建筑面积为22103.44m2。所有建筑物标准层层高均为3.00m，其中地下一、二层为地下室，主要功能为车库，地下建筑面积为20441.12 m2，层高为4.5m。

2 铝合金模板的受力和变形计算

施工中选用的铝合金模板材料为6061-T6，主要合金元素为镁和铝，其抗弯强度和抗压强度均为240MPa，抗剪强度为95MPa。按照铝合模板施工位置的不同，需对楼面铝合金模板、单跨梁铝合金模板、墙身铝合金模板分别计算其应力和变形，同时应对对工具式钢支柱的铝合金模板体系进行整体稳定性验算[1]。

在荷载取值时，固定荷载和活动荷载的分项系数均按现行规范取值，分别取为1.35和1.40；活动荷载考虑施工布料机上料时的机械荷载和人群荷载，取值为4kN/m2，含配件的铝模板自重分布荷载按0.5kN/m2进行计取。按最不利工况进行楼面铝膜板受力计算，16#建筑物、19#建筑物和20#建筑物的最大楼板厚度为150mm，楼板钢筋混凝土的容重为25.1kN/m3，可以得到最大计算分布荷载为11.36kN/m2，计算过程如公式⑴所示。

P=1.35×（25.1×0.15+0.5）+1.4×4

=11.36kN/m2⑴

如图1 所示，楼面铝合金标准模板的宽度为B=0.4m，长度为L=1.20m，厚度t=4.0mm，其弯矩系数为k1=0.0698，挠度系数k2=0.00192，可以得到楼面铝合金标准模板的界面惯性矩Ix和截面抗弯模量Wx如公式⑵～公式⑶所示[2]。

图1 楼面合金标准模板尺寸

由此可以得到，楼面铝合金标准模板的计算荷载W、最大弯矩Mmax、最大弯矩应力σw、支点最大剪力F、最大剪应力σt和最大挠度Lmax如公式⑷～公式⑼所示。

在单跨梁铝合金模板计算中，梁高和梁宽取最不利工况，最大高度为400mm，最大宽度为250mm，混凝土比重为25.5kN/m3，梁结构最大计算压力如公式⑽所示。

P=1.35×(25.5×0.4+0.5)+0.4×1.4

=20.045kN/m2⑽

在墙身铝模板计算时，需要计算墙体混凝土对墙身铝模板的侧压力，并考虑外加剂、塌落度、浇筑速度、温度等因素的影响，对侧压力进行修正，修正公式为F=0.22·Vc·h·t0·β2·β1·V0.5。其中，Vc为墙体混凝土的容重，取为24.0kN/m3；β1为外加剂修正系数，取1.2；h为间墙高度2.90m；β2为混凝土坍落影响修正系数，实际塌落度测试值为125，因此β2计算时取为1.15；V为混凝土浇筑速度，按正常浇筑速率2m/hr考虑；t0为混凝土浇筑时温度，按正常室温25℃考虑，温度修正系数为5。

综合可得，墙体铝模板修正后最大混凝土侧压力为F= 0.22 ×Vc×t0×β2×β1×V0.5=0.22×24.0×25×1.15×1.0×20.5=51.51kPa[3-5]。同样地，可以得到单跨梁铝合金模板和墙身铝合金模板的计算荷载W、最大弯矩Mmax、最大弯矩应力σw、支点最大剪力F、最大剪应力σt和最大挠度Lmax如表1所示。

表1 单跨梁铝合金模板和墙身铝合金模板的受力及变形计算结果

在高层建筑施工中，采用铝模板施工时需要稳固的支撑系统，工具式钢支柱支撑系统具有强度和刚度大、安拆方便，钢立柱之间无需设置拉结水平杆等优点，在铝合金模板体系中得到广泛应用，发挥了重要的抗侧向力的作用。结合本研究中的建筑层高（标准层3.0m），工具式钢支柱支撑系统高度需要设置2.9m，考虑墙体混凝土的侧向力，设置工具式钢制柱最大间距为1200，施作时，工具式钢支柱由2 节直径大小不同的钢管套接而成，上部钢管直径为48mm，嵌套至底部直径为60mm的钢管中，同时为了使工具式钢支柱可以调节高度，在底部钢管顶部焊接螺纹管。工具式钢支柱截面参数如表2所示，工具式钢管立柱受压稳定性按公式⑾计算[6]。

表2 工具式钢支柱截面参数

式中，N为单根工具式钢支柱所承受的最大压力；φ为压杆稳定系数；βmx为等效弯矩系数；Mx为弯矩作用平面内偏心弯矩值；Wx为毛截面抵抗矩，取为6233m3；Nex为欧拉临界力。

计 算 时，N=8.32kN/mm2×1.2m×1.2m=11.98kN，φ取 为0.273，βmx取 为1.0；x=N×d/2=11.98×48/2=287.5kN·mm；Wx取为6233m3；Nex=30647N。由公式⑾可以计算得到压弯杆件受压稳定性如公式⑿所示。

表明该工程工具式钢支柱整体稳定性满足设计要求。

3 高层建筑铝合金模板的施工技术

为了保证高层建筑施工的有序、高效进行，确保施工组织和工程进度计划的稳步推进，铝合金模板的施工流水段落合理划分是关键，直接影响到后期混凝土的浇筑、机械设备和材料供应的施工节拍，为节约施工工期，对3 栋建筑物中均配套了1 整套完整的铝合金模板，避免了模板的交叉占用，同时，组织1 个安装队伍对各栋铝合金模板进行分层流水施工，确保劳动力的有效供应。水平向铝合金模板和垂直向铝合金模板的施工工艺具有各自的特殊性，因此分别确定高层建筑墙柱和梁板的安装和拆除施工流程如下所示。

⑴墙、柱铝合金模板安装流程。

控制线、定位筋→楼面平整→安装一侧模板→安装套管、螺杆→安装另一侧模板→安装背楞→安装斜撑→标高、垂直度、平整度校核→预检验收。

⑵墙、柱铝合金模板拆除流程。

拆模审批→斜撑拆除→背楞拆除→螺杆拆除→墙柱模板拆除→定位胶杯拆除→墙柱混凝土质量验收。

⑶梁、板铝合金模板安装和拆除流程。

梁底组装→安装梁底、单顶→安装梁侧模→安装套管、螺杆→安装楼面C 槽→组装楼面底笼→安装底笼、单顶→安装楼面模板→标高调教、验收→拆模审批→拆除梁底模板→拆除对拉螺杆→拆除梁侧模板→拆除底笼→拆除楼板模板→拆除C 槽→混凝土质量检查→单顶拆除审批→单顶拆除。

墙模系统主要有6 部分组成，分别为主铝合金模板、横身板（墙头板）、内墙板角铝（R 摆板）、对拉螺杆、钢背楞及导墙板（K 板）。如图2 所示，墙体主铝合金模板采用销钉拼接、采用螺栓对拉加固连接；钢背楞有直背楞和直角背楞2种，为2根矩形钢管焊拼而成，钢管的截面尺寸为60mm×30mm×3.5mm（长×高×厚），为提高钢背楞的刚度，在2 根矩形钢管中间焊有加强块。为保证主铝合金模板的侧向刚度，在墙高方向上一般设置4道背楞，第1 道背楞与楼面的垂直距离控制在250mm～350mm，第2 道背楞与楼面的垂直距离为850mm，第3 道与楼面的垂直距离为1450mm，第4道与楼面的垂直距离2050mm，背楞安装如图3 所示。安装时，斜撑的设置间隔不超过2.0m，墙体宽度超过2.0mm 时，斜撑的数量不少于2根，墙体或剪力墙短肢宽度不超过2.0mm是，斜撑数量不少于1根。

图2 铝合金模板穿墙螺栓连接示意

图3 铝合金模板背楞安装

梁模系统主要有5 部分组成，分别为梁底阴角模板、梁底模板、EC 转角连接阳角模板、梁底早拆头及独立钢支撑。为满足梁体模板的早拆需求，提高模板的使用效率，在梁底部设置有早拆头和早拆模板，使用独立钢支撑进行承载，以避免与非早拆模板的影响，独立钢支撑的设置间距应加密设置，一般不超过1300mm，如图4 所示。由于外圈梁的侧向压力较大，为了控制混凝土的侧向变形，需在圈梁出设置对拉螺栓和背楞以加强铝合金梁模板的侧向刚度，如图5 所示。梁模板拼装时，按照梁体尺寸对铝合金梁模板进行预拼装，当模板的温度变形稳定后进行梁底板调平，随后安装侧模板，整体连接时需同时安排2名工人协同作业，如图6所示。

图4 梁铝合金模板安装示意

图5 圈梁部位均需增加对拉螺栓、背楞

图6 梁铝合金模板的调平

楼面系统主要有4 部分组成，分别为楼面板、楼面龙骨、早拆头及独立钢支撑。为加快模板的使用效率，缩短每层楼面板的占用时间，楼面模板设置早拆模板，并在其下面使用独立钢支撑进行承载，以避免与非早拆模板的影响，独立钢支撑的设置间距应加密设置，一般支撑间距设置为1300mm×1300mm。楼面模板的安装可在墙体顶部、梁体顶部的阴角模板完成之后即可进行，依次安装楼面龙骨、楼面顶模板，直至铝模全部拼装完成。为避免楼面模板挠度引起的楼面混凝土浇筑变形，楼面模板一般设置起拱高度，铝合金模板的弹性模量较大，其起拱高度可取跨度的1/1000，如图7所示。

图7 楼面板铝合金模板的安装

4 结论

以龙岩市西安金融安置小区D 地块第一标段为研究背景，运用理论计算方法对铝合金楼面模板、梁模板的受力和变形、工具式钢支柱的整体稳定性进行了计算，并针对各铝模施工特色展开了施工工艺研究，得到以下几个结论：

⑴楼面铝合金标准模板的最大弯矩Mmax、最大弯矩应力σw、支点最大剪力F、最大剪应力σt和最大挠度Lmax分别为0.05kN·m、47.7MPa、0.91kN、0.57MPa、1.51mm。

⑵单跨梁铝合金模板的最大弯矩Mmax、最大弯矩应力σw、支点最大剪力F、最大剪应力σt和最大挠度Lmax分别为0.023kN·m、42.80MPa、0.68kN、0.85MPa、0.38mm。

⑶墙身梁铝合金模板的最大弯矩Mmax、最大弯矩应力σw、支点最大剪力F、最大剪应力σt和最大挠度Lmax分别为0.11kN·m、137.50MPa、3.09kN、2.85MPa、0.80mm。

⑷对高层建筑墙模系统、梁模系统和楼面系统的施工工艺展开分析表明，所提出的技术要点使得铝合金模板在制作和安装过程中应力和变形均在允许范围内。