铝合金模板优化设计及施工质量控制

柯贤孝

（中国水利水电第七工程局有限公司二分局，四川 成都 611730）

铝合金模板以其质量轻、拆装方便、承载能力高、构件耐久性好、周转次数高，现场无施工垃圾，标准、通用性强、回收价值高等优点越来越多的受到工程技术人员的重视[1]。部分研究探讨了铝合金模板的力学性能[2]，但对于包括模板尺寸在内的各因素对其工程性能的影响的研究不多。针对泛悦城超高层建筑铝合金模板的应用，由于工程量大，结构复杂，更需要足够的基础数据来支撑模板的设计。

本文运用ANSYS 对墙体和梁铝合金模板进行了有限元分析，探讨了墙模板尺寸对单块模板的受力和变形的影响，模拟了混凝土浇筑对梁模板的影响，探讨了降低铝合金模板施工质量的若干因素，总结了混凝土浇筑的较优施工方法，为泛悦城超高层建筑铝合金模板的优化设计及施工质量控制提供理论支持。

1 工程概况

本工程为范悦城二期一标住宅、商用项目，位于武汉市东湖高新区珞瑜东路以南，总建筑面积约277217.5 平米。其中四栋住宅楼为超高层建筑，最高达到64 层，主体设计的平面较为规整，竖向标准层层数较多，综合考虑各方面因素，超高层住宅楼均采用铝模施工。每栋楼采用一套铝面板并配备3 套支撑体系。以10#楼为例，其层高分布情况为：2～13层，15～28 层，30～43 层，45～57 层均为2.90m 的标准层，14、29、44 层为避难层，层高为2.60m。

2 墙铝合金模板有限元分析

2.1 墙体施工荷载的计算

根据《混凝土结构工程施工规范》（GB50666-2011），新浇筑混凝土采用内部振捣器时，作用于模板的最大侧压力标准值可取下列两个公式的较小值。

其中F 为新浇筑混凝土对墙模板的最大侧压力（kN/m2）；γc为混凝土的自重密度（kN/m3）；t0为新浇混凝土的初凝时间（h），可按实测确定；当缺乏试验资料时可采用t0=200/（T+15）计算，T 为混凝土的温度（℃）；β 为混凝土坍落度影响修正系数：当坍落度在50mm～90mm 时，β取0.85；坍落度在100mm～130mm 时，β 取0.9；坍落度在140mm～180mm 时，β 取1.0；V 为混凝土浇筑高度（厚度）与浇筑时间的比值，即浇筑速度（m/h）；H 为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度（m）。

本次工程中，混凝土自重标准值取24kN/m3，混凝土温度T 取25℃，即t0 取4h，β 取1.0（混凝土塌落度在140mm～180mm），浇筑速度取1.0m/h，H 取标准层层高2.9m。因此对于本次分析对象而言，

2.2 模型的建立

本次剪力墙模板采用工程常用标准模板，尺寸为400mm×2700mm，主肋间距为450mm，本文所用铝合金模板厚度为4mm，边框截面高度为65mm。按本工程墙模板的设计，背楞的间距分别为600mm、800mm和900mm。模型中构件之间采用绑定接触。忽略模板底脚与安装间隙，2.9m层高中2.7m 的墙模板顶端受混凝土荷载为4.8kN/m2，线形增加到距离墙模板顶端2.8-（2.9-2.7）=2.6m处67.52kN/m2，底端至以上100mm范围内墙模板承受均布荷载67.52kN/m2。

2.3 研究结果及分析

层高2.9m 情况下，长度2.7m，宽度分别为300mm、400mm、500mm、600mm 的墙模板挠度的有限元分析如图1 所示。在本次分析中，各尺寸模板的挠度分布形态类似，只是各处挠度的绝对值存在差异。虽然模板承受线形增加的渐变荷载和较大的均布荷载，但均布荷载作用区域局限于模板底端向上100mm 的很小范围内，加上在此处背楞对位移的约束作用，由图中的挠度分布可以看出，底端均布荷载作用的区域挠度较小，此处由于次肋的约束，产生的挠度分布图被分割成了三处类圆区域。

各尺寸中最大挠度均出现在靠近模板底端被主肋与背楞分隔成的子区域中，其随模板尺寸的变化曲线如图1 所示。图形显示最大挠度随着模板宽度的增加而均匀加大。

图1 最大挠度随铝模板宽度变化图

各尺寸铝模板中，正应力的分布呈现相似形态。与挠度分布相似，在被主肋和背楞分隔成的数个子区域中，较大正应力多分布在子区域中心以及中心与子区域四个角点连线相邻部位。说明背楞虽能限制墙模板的变形，但也需警惕因此造成的局部正应力对模板的影响。其绝对值随着模板宽度的增加而加大（图2），但最大值皆小于正应力限值200MPa。

图2 不同宽度墙体铝模正应力分布图

较大剪应力均出现在背楞以及主肋隔成的子区域的四个角点附近，且剪应力方向交替排列。与挠度和正应力分布类似，较大剪应力集中出现在渐变荷载最大值附近的子区域中。

3 铝合金模板混凝土浇筑施工控制

对铝合金标准模板的研究表明，铝合金模板强度均大于其所受到的施工荷载。但其没有考虑混凝土浇筑对铝合金模板的冲击。为了满足工期要求，以及防止混凝土在浇筑阶段产生局部凝固，对混凝土需要以较高的浇筑速度进行施工，这造成了铝合金模板承受较大的动力荷载。本次研究聚焦于持续高速的混凝土冲击对铝合金模板工程性能的影响，并通过定量分析对混凝土浇筑施工质量控制水平的提高提供理论基础。

3.1 混凝土浇筑梁底模板有限元模型的建立

本次研究采用Ansys Fluent对混凝土浇筑工况进行模拟。由于分析持续的混凝土浇筑对铝合金模板的影响，因此采用稳态分析方法。因为本次模型流域中同时存在空气和混凝土两种流体，所以采用多相分析中的VOF（Volume of Fluid），该模型适用于各相流体不相容的情况，用层流描述混凝土持续浇筑时的工况。本次分析忽略混凝土与空气间的张力。

3.2 研究结果及分析

3.2.1 混凝土浇筑影响区域分析

浇筑速度趋于稳定后，其浇筑点的混凝土的体积分数分布。较高速度的混凝土在模板表面迅速扩散甚至形成飞溅区域。但由于研究对象为单块模板，其承载面积有限，导致分散后的混凝土迅速布满整块模板。但混凝土较集中距离浇筑中心200mm 范围内，其后混凝土迅速减少。混凝土集中区域的分析有助于提前判断混凝土对模板的大致承载区域，也为分析混凝土在模板上的扩散速度提供数据支持。

3.2.2 模板应力分布分析

压应力在浇筑中心达到最大值67.56kPa，随着与浇筑中心的距离加大，受到的压应力逐渐减小。结果显示压应力梯度最大值出现在距模板中心大约75mm 的区域，说明混凝土浇筑管边缘周围模板所受的压应力发生剧烈变化。这是由于管内高速大量的混凝土冲击，致使管内外出现较大的压力差造成的。此较大的压力差也导致了此区域模板的剪应力大幅上升。浇筑半径以内区域虽然承受较大的压应力，但其变化梯度很小，故所受到的剪应力较小。

4 结语

本章针对范悦城高层建筑铝合金模板工程，对墙体模板在不同宽度下条件下铝模所受应力和变形进行了定量分析，并研究了混凝土浇筑对梁模板工程特性的影响。结果可总结如下：

（1）随着墙体模板宽度的增加，其应力和挠度也随之加大。对于泛悦城层高为2.9m 的高层建筑，不宜采用宽度超过400mm 的墙模板（模板长度为2700mm）。背楞虽能限制墙模板的变形，在设置背楞处面板和边框同时承受较大正应力，需警惕因此造成的局部正应力过载。

（2）在混凝土浇筑施工中，浇筑半径内和半径周围区域分别承受较大压应力和剪应力，因此应对上述区域特别关注。在混凝土浇筑前，应通过计算检验该区域强度和稳定性，必要时需进行加固处理。