剪力墙结构住宅铝合金模板优化设计研究

张新，张冠，魏双利

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.青岛腾远设计事务所有限公司，山东济南250101)

0 引言

铝合金模板作为住建部推广应用的一种新型施工模板，其技术优势显著[1]，在高层剪力墙结构住宅建筑施工中得到广泛应用。 国内外专家对此进行了大量研究分析与应用总结。 刘雪红等[2]通过具体工程应用实例，分析了铝合金模板技术要点、施工安装及经济效益。 邢振华等[3]认为南北方冬季温差导致了铝合金模板施工无法统一，建议通过在墙体铝合金模板下方设置柔性胶条，解决北方冬季施工难题。 刘晓丽等[4]针对铝合金模板脱模质量问题，通过场地实验，推出新型脱模漆。 仇铭华[5－6]介绍了某高层建筑铝合金模板的应用技术与施工工艺，并从应用效果和效益分析方面，说明铝合金模板对推进绿色施工有着积极的作用。 DONG[7]、PROVERBS 等[8]和ZHANG[9]研究了铝合金模板绿色施工技术模型、铝合金模板的生产效率及建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术在铝合金模板支撑系统设计中的应用。 徐翩翩等[10]介绍了国内外铝合金模板体系，针对楼板、梁、墙柱制定了模板的标准尺寸并给出拼装示例。 加拿大铝业公司(Aluma)和澳大利亚博罗公司(Boral)同样研究了铝合金模板的构造设计，并在高层建筑中得到广泛推广和使用[11－12]。 潘钦锋等[13]对铝合金模板进行4 分点加载纯弯试验以及有限元理论分析验证，发现边肋高度对其抗弯性能影响较大。 庄金平等[14]通过试验研究了不同数量、间距的销钉对铝合金模板承受荷载时的破坏影响。 刘香君[15]结合铝合金材料性能和混凝土侧压力等设计参数并对铝合金模板进行有限元分析，得到应力、应变分布图，弥补了单一理论计算的不足。 综上所述，国内外对铝合金模板技术的研究主要集中在施工工艺、结构技术和性能试验分析方面，对配板设计方面研究较少。

国内各个铝合金模板厂生产的铝合金模板尺寸多有不同，不同厂家之间的铝合金模板缺乏通用性，且铝合金模板的非标率过高。 目前，对铝合金模板优化设计的研究仍然偏少。 为了降低铝合金模板的非标率、提高其通用性，通过结合铝合金模板应用特点和研究现状，以高层剪力墙结构为研究对象，研究了梁、板、墙等构件的铝合金模板配板原则，提出了优化设计方法，利用有限元软件计算了优化后铝合金模板的力学参数，并应用于工程实践中。 其研究成果可为铝合金模板的进一步推广应用提供参考与借鉴。

1 铝合金模板简介与所配结构尺寸调研

1.1 铝合金模板构造

铝合金模板主要包括平面模板、转角模板和支撑模板，如图1、2 所示。 其中，平面模板包括楼板模板、梁模板和墙柱模板；转角模板包括阴角模板、阴角转角模板和阳角模板；支撑模板包括早拆头和龙骨铝梁。

图1 梁板铝合金模板简易构造图

图2 墙梁铝合金模板简易构造图

1.2 铝合金模板规格尺寸

由于不同厂家的设计方法和拼装方式不同，铝合金模板尺寸也不尽相同。 文章总结了北京捷安、广东合迪、烟台鑫铭以及韩国三木(S－FORM)、加拿大铝业公司(Aluma)等铝合金模板厂家模板的规格尺寸，通过现场调研和查阅资料统计了常用模板尺寸[10]，见表 1。

1.3 国内剪力墙结构住宅尺寸调研

铝合金模板在高层剪力墙结构中应用较多，优化设计主要以剪力墙结构住宅为主。 通过调研国内北方地区近10 年部分剪力墙结构住宅，整理总结了结构层高、开间尺寸、梁高度、梁宽度和墙厚度，如图3 所示。

图3 剪力墙结构住宅尺寸调研图

由图3 可以看出，剪力墙结构住宅中层高为2 900 mm的占比最多，约为59%，而层高为3 000 mm的占比约为19%；开间尺寸为3 000 mm 的占比最多，约为20%，而尺寸为3 500 mm 的占比约为15%；梁高尺寸为400 mm 的占比最多，约为28%，而尺寸为500 mm的占比约为15%；梁宽尺寸为200 mm 的占比最多，约为88%；墙厚尺寸为200 mm 的占比最多，约为87%。

综上可知， 剪力墙结构住宅中层高为2 900 mm、开间尺寸为3 000 mm、梁高为400 mm、梁宽为200 mm 和墙厚为200 mm 的构件占比较大，以这5 个尺寸为参照，可以优化铝合金模板配板设计。

2 铝合金模板优化设计

2.1 铝合金模板标准化设计原则

为充分体现铝合金模板的特性，其优化标准需遵循以下原则:

(1) 铝合金模板尺寸不宜过大

铝合金模板相比于钢模板，最大的优势是重量轻。 安装时一般不需借助起重设备，仅靠人工搬运安装即可。 因此，铝合金模板尺寸不宜过大，一般规定单块铝合金模板重量＜20 kg。

(2) 模板间拼缝不宜过多

铝合金模板搭设浇筑的混凝土，拆模后可达亚清水混凝土的程度。 如果板间拼缝较多，极易出现漏浆、涨模等状况，不利于混凝土的成型质量和整体效果。 因此，铝合金模板尺寸也不宜过小，在满足施工要求的情况下尽量使用规格较大模板，最好一板到底。

(3) 铝合金模板销钉孔位、孔距应合理设置

铝合金模板与铝合金模板、阴角C 槽模板、龙骨铝梁的连接均使用销钉和销片。 销钉孔位过多会削弱模板的强度、刚度及承载力；而销钉孔位过少，会影响模板拼缝间的密实性、造成漏浆及产生气泡、涨模等影响混凝土质量的问题。

(4) 根据项目实际，合理取舍铝合金模板标准尺寸

高层剪力墙项目的设计尺寸多有不同，相邻构件模板尺寸不能同时满足标准尺寸要求，需要按照实际需要，合理取舍相邻构件标准尺寸，最大化降低非标率。

2.2 铝合金模板尺寸优化

铝合金模板可分为标准板和辅助板两种类型，标准板是工厂根据不同构件制作生产的通用型模板，辅助板是针对不同尺寸制作的少量辅助模板。以施工项目的实际需求为根本，依据铝合金模板设计规范，以结构尺寸、单块模板重量、独立支撑间距、施工效率、力学性能与非标率6 个因素作为优化原则优化铝合金模板尺寸及孔位[16－17]，其结果见表2，表中孔位数据以100×12 为例进行说明:100 表示孔距为100 mm，12 表示孔位数量。

表2 铝合金模板尺寸优化表

铝合金模板下方一般采用独立钢支撑，规范规定板底独立支撑间距不得＞1 300 mm[16]，因早拆头宽为100 mm，故标准楼板铝合金模板的长度宜为1 200 mm。 由于受铝合金成型工艺及其模板重量等因素影响，模板最大宽度宜选取为600 mm。 铝合金模板的厚度一般为4 ～6 mm，经过计算，厚度为5 mm的600 mm×1 200 mm 铝合金模板重量约为17 kg，相比于其他尺寸，该尺寸更符合建筑模数和设计原则的要求。

对于一般梁底铝合金模板，其支撑间距与楼板模板的支撑间距一致，因此标准梁底铝合金模板的长度宜为1 200 mm。 依照梁宽常用尺寸，模板宽度最大可定为200 mm，最小可定为100 mm。

梁侧铝合金模板所受荷载通过角模传给梁底铝合金模板，梁底铝合金模板把荷载传给独立支撑，为保证荷载传递可靠，梁侧铝合金模板间的拼缝宜落在独立支撑上部，故梁侧铝合金模板的长度尺寸取1 200 mm。 模板宽度应满足梁高的尺寸，根据调研，确定宽度为150～400 mm。

为保证拆模后混凝土的成型效果与质量，墙铝合金模板的长度宜满足“一板到底”的要求。 根据已有调研结果，目前国内高层剪力墙结构住宅的层高一般在2 800 ～3 200 mm，以常用层高2 900 mm为标准，设计标准墙铝合金模板高度为2 600 mm。

2.3 铝合金模板配板优化设计

为使铝合金模板在工程中更好的发挥优势，需对施工过程中模板的配板方式进行调整优化，合理的铝合金模板配置规则，能有效提高铝合金模板的使用率。

2.3.1 楼板铝合金模板

楼板模板在整个模板工程中占有较大比例，对整体标准化的影响明显。 为此，需对楼板铝合金模板纵横配板规则进行优化，当长度方向剩余尺寸＜1 200 mm时，采用标准板垂直拼接方法，根据工程配板需要，配置不超过2 排的横向铝合金模板，以避免楼板模板出现其他非标长度，如图4 所示。 当宽度方向剩余尺寸＜600 mm时，根据实际尺寸选择模板补齐。

图4 楼板模板配模示意图/mm

2.3.2 梁底铝合金模板

基于图3 给出的调研结果，选取尺寸为400 mm×200 mm 的梁作为梁底铝合金模板的配板优化对象。

(1) 梁两侧布置阴角C 槽模板，中间剩余间距为L。 当L≤1 200 mm 时，梁底根据实际尺寸采用一块相匹配的铝合金模板，如图5(a)所示。

(2) 当L＞1 200 mm 时，梁底设置两个或两个以上的独立支撑，从梁底一端依次配置长为1 200 mm的标准铝合金模板，另一端剩余长度＜1 200 mm时，根据实际尺寸采用辅助板进行补齐，如图5(b)所示。

图5 梁底铝合金模板配模示意图/mm

2.3.3 梁侧铝合金模板

根据图3 所示的调研结果，选取尺寸为400 mm×200 mm 的梁作为梁侧铝合金模板的配板优化对象。

(1) 当梁侧长度L≤1 200 mm 时，以实际尺寸需要用一块相匹配的铝合金模板，如图6(a)所示。

(2) 当梁侧长度L＞1 200 mm 时，从梁侧一端依次配置长为1 200 mm 的标准铝合金模板；另一端剩余尺寸＜1 200 mm 时，以实际尺寸需要采用辅助模板进行补齐，如图6(b)所示。

图6 梁侧铝合金模板配模示意图/mm

2.3.4 墙铝合金模板

墙的形状多样，配模规则也不尽相同，文章以层高为2 900 mm、墙厚为200 mm 的剪力墙结构住宅中的部分直墙来分析优化说明。

墙铝合金模板主要配置尺寸为400 mm×2 600 mm，当另一端剩余尺寸在100 ～400 mm 之间时，根据实际尺寸选取合适的铝合金模板进行补齐；墙的另一端剩余尺寸不足100 mm 时，与前板配合，选取合适尺寸的一块或以上的铝合金模板补齐，如图7 所示。

图7 墙铝合金模板配模示意图/mm

3 铝合金模板力学性能分析

以楼板铝合金模板和墙铝合金模板为研究对象，采用有限元建模，分析其在施工过程中的力学性能。

3.1 有限元模型建立

有限元软件ANSYS 软件是一种融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，采用其可分析楼板及墙铝合金模板在施工过程中的力学性能。 铝合金模板材料采用铝合金型材的6061－T6 系列，其物理力学性能指标见表 3[16]。 楼板、墙的铝合金模板分别选取600 mm×1 200 mm 和400 mm×2 600 mm 的标准板，其厚度为4 mm、边肋高度为65 mm；横肋截面尺寸均为30 mm×48 mm，其中楼板铝合金模板横肋间距400 mm，墙铝合金模板横肋间距自底部依次为230mm、250mm、300mm×6、320 mm。 建模选用Shell63 壳单元，模板的边框、横肋建模选用Beam188 梁单元。 边界约束条件简化为铰接。 楼板、墙模板、边框和横肋的有限元模型如图8所示。

表3 铝合金型材物理力学性能指标表

图8 铝合金模板及构件有限元模型图

3.2 荷载取值

荷载取值需根据GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》[18]分析确定。

混凝土楼板铝合金模板厚度取4 mm，自重标准值G1k＝0.25 kN/m2；楼板厚度常规为120 mm，计算时按150 mm 考虑，楼板自重标准值G2k＝3.77 kN/m2；施工活荷载标准值Q3k＝2.5 kN/m2。

根据 GB 50666—2011[18]第4.3.6 条确定模板荷载设计值，其计算公式由式(1)表示为

式中SGik为第i个永久荷载标准值产生的荷载效应值；SQjk为第j个可变荷载标准值产生的荷载效应值；ψcj为第j个可变荷载的组合值系数，宜取ψcj≥0.9。

由式(1)计算得荷载标准值qk＝0.25 kN/m2＋3.77 kN/m2＝ 4.02 kN/m2，荷载设计值q＝ 1.35×(0.25＋3.77) kN/m2＋1.4×2.5 kN/m2＝8.93 kN/m2。

混凝土浇筑时对墙铝合金模板上的侧压力，可由GB 50666—2011[18]第A.0.4 条规定得出，取二者的较小值，由式(2)和(3)表示为

式中γc为混凝土的重力密度，取 24 kN/m3；t0为混凝土浇筑完成后的初凝时间，通过公式t0＝200/(T＋15)计算(T表示混凝土温度，计算时取25 ℃)，确定t0为 5 h；v为混凝土的浇筑速度，取 1.5 m/h；β为混凝土塌落度影响修正系数，在此β取1.0；层高H取2 900 mm。

根据图3 给出的调研结果，墙铝合金模板取层高2 900 mm(即2.9 m)进行计算，将其代入式(2)和(3)，得到最大侧压力标准值为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。

取其较小值F为41 kN/m2，混凝土倾倒时作用荷载取标准值2.0 kN/m2，计算可得墙铝合金模板荷载标准值为qk为41 kN/m2，墙铝合金模板荷载设计为q＝1.35×41 kN/m2＋1.4×2 kN/m2＝58.15 kN/m2。

3.3 计算与分析

3.3.1 楼板铝合金模板

对楼板模板施加面荷载，以荷载设计值q为8.93 kN/m2分析铝合金模板应力变化，以荷载标准值qk为4.02 kN/m2来分析铝合金模板挠度变化。楼板模板应力和挠度的变化情况如图9 所示。

由图9(a)～(c)可得，铝合金模板最大应力位于跨中两侧边肋与面板的交界处，最大应力值为64 MPa，中间次肋的跨中位置出现应力增大现象，应力值为30.1 MPa，均小于铝合金模板抗弯强度设计值200 MPa。 计算表明铝合金模板两侧的边肋对模板的受力影响较大。

由图9(d)可得，铝合金模板最大位移变形位于模板的跨中部位，由跨中向两侧位移逐渐减小，变形值最大为1.23 mm，小于单块模板容许挠度值1.5 mm[16]。

图9 楼板模板应力与位移云图

3.3.2 墙铝合金模板

对墙模板施加水平侧压力面荷载，由模板底部向上施加梯度荷载q为 58.15 ～0 kN/m2。 模拟铝合金模板挠度变化时，可仅考虑侧压力标准值。 墙模板应力和挠度的变化情况如图10 所示。

图10 墙模板应力与位移云图

由图10(a)～(c)可得，墙铝合金模板最大应力位于距底部0.5 m 的面板和边肋交接处，最大应力值为34.7 MPa，小于铝合金模板抗弯强度设计值200 MPa，应力分布规律与作用在模板上荷载的分布规律相符，由底部而上逐渐减小。

由图10(d)可得，墙铝合金模板最大位移变形处位于第4 道与第5 道背楞之间的板面范围，最大位移变形值为0.25 mm，小于单块模板容许挠度值1.5 mm[16]，位移变化规律是由最大变形处向模板两侧递减。

4 应用实例

运用工程实例，把优化后的铝合金模板配板模式与工程原有配板模式进行局部构件的分析比较。

4.1 工程概况

某高层剪力墙结构住宅，地下2 层、地上17 层，建筑总高度约为52 500 mm。 3 ～17 层为标准层，标准层层高2 900 mm。 标准层施工采用的模板为铝合金模板，地下车库和其它部位采用木模板。 现选取其中一块楼板进行配板比较，如图11 所示。

4.2 铝合金模板尺寸及配模设计

对于原有模板的尺寸与配模设计，主要采用规格为400 mm×1 200 mm 的铝合金模板，其它尺寸的辅助板根据实际需要进行选取。 支撑模板为100 mm×200 mm 的早拆头和宽为100 mm 的龙骨铝梁。 配板规则如图11(a)所示。

对于优化后模板的尺寸与配模设计，主要采用规格为600 mm×1 200 mm 的铝合金模板，其它尺寸的辅助板根据实际需要进行选取。 当长度方向余留尺寸＜1 200 mm 时，采用标准板垂直拼接方法。 龙骨铝梁与早拆头尺寸不变。 优化后配板规则如图11(b)所示。

图11 楼板模板配板优化前后布置图/mm

4.3 应用对比

分析两种楼板铝合金模板的配板结果，并汇总所用的模板规格及数量，原有配板方案所用的模板规格及数量见表4，优化后配板方案所用的模板规格及数量见表5。

表4 原有的铝合金模板配板方案表

综上可得，原有配板方案所用模板合计36 块，共 15. 75 m2， 其中所用 标 准板 合计 24 块， 共11.52 m2；优化后配板方案所用模板合计27 块，共15.4 m2，其中所用标准板合计19 块，共12.72 m2。对比优化前后两种配板方案可知，优化后的方案非标率降低了11%，有效提高了其通用性。

表5 优化后的铝合金模板配板方案表

5 结论

文章优化了剪力墙结构中梁、板、墙构件的铝合金模板标准板和辅助板设计尺寸，改进了配板优化设计方法，采用有限元分析软件分析了施工过程中楼板、墙铝合金标准板的力学特性，通过工程实例比较优化前后的配板设计，得出以下结论:

模板在施工过程中最大应力出现在面板和边肋的交界处，最大位移出现在模板跨中部位，应力与位移变形在常规作用下均满足规范要求；优化后配板设计的非标率降低了11%，提高了标准板的使用率，减少了材料损耗。 因此，铝合金模板的优化设计是可行的。