高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鋁合金模板施工技術(shù)優(yōu)化

郭烽仁，郭 溦

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350003；2.福州市自來水有限公司，福州 350007）

目前高層建筑都會配置剪力墻提高戶型靈活性[1-2]，增強抗震性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但并沒有優(yōu)化提升剪力墻所使用的模板材料[3-4]，造成了成本浪費和結(jié)構(gòu)安全隱患[5-6]。因此，應(yīng)采用新型材料作為剪力墻模板。

鋁合金模板是最具代表性的新型模板材料，主要組成部分為鋁合金型材、構(gòu)件及附件。其中，構(gòu)件包括支撐構(gòu)件和緊固構(gòu)件[7]。支撐構(gòu)件主要起穩(wěn)固作用，確保模板具有足夠的剛度和強度[8]。緊固構(gòu)件的主要作用是保證模板最終結(jié)構(gòu)尺寸保持原有狀態(tài)。附件則主要用于連接上述重要組成部分，將鋁合金模板形成一個完整的體系[9]。鋁合金模板結(jié)構(gòu)較輕，具有極強的安全性能，且便于施工和降低成本[10-11]，但是鋁合金模板的承載性能和抗震性能存在缺陷：由于鋁合金材料相對較輕，其承載能力較鋼質(zhì)模板或其他重型模板有所欠缺。在高層建筑中，如果剪力墻受到較大的荷載作用，可能導(dǎo)致鋁合金模板變形或破壞，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成潛在威脅。鋁合金模板的抗震性能相對較差，容易受到地震力的影響而產(chǎn)生較大的位移和變形，導(dǎo)致剪力墻失去承載能力，喪失對建筑的抗震支撐作用，增加結(jié)構(gòu)的風(fēng)險。因此，本研究針對這些缺陷，對鋁合金模板進行優(yōu)化，并測試其承載性能和抗震性能。

1 材料與方法

1.1 鋁合金模板的優(yōu)勢

（1）鋁合金模板具有輕質(zhì)快拆的特性，無需通過機械進行搬運和拼裝，人工4 d 即可獨立完成一層的施工[12]，可有效提升施工進度和效率，降低生產(chǎn)管理成本。

（2）鋁合金模板的基礎(chǔ)材料為鋁合金型材，由于型材的生產(chǎn)方式為整體擠壓，模板能進行300 多次重復(fù)利用，均攤價格遠低于其他材料模板。且該類模板具備極強的承載力（大部分可達61 kN/m2）和穩(wěn)定性，能夠滿足許多高層建筑的承載要求[13-14]。

（3）鋁合金模板拼縫少，表面精度高，整體質(zhì)量好，應(yīng)用極為廣泛。

（4）鋁合金模板能夠重復(fù)利用，避免生成建筑垃圾，保持施工現(xiàn)場環(huán)境整潔，符合國家的節(jié)能減排標準。

1.2 高層建筑介紹

以某高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)作為試驗對象。該高層建筑為30 層，地下和地上分別為2 層和28 層，每層平均高度為2.9 m，地下2 層使用結(jié)構(gòu)支撐體系和鋼管模板，地上28 層使用鋁合金模板具體位置為墻柱與梁板，鋁合金板的厚度為10 cm。

1.3 鋁合金模板施工優(yōu)化設(shè)計

為避免濕作業(yè)，發(fā)生二次工序，提升模板結(jié)構(gòu)的整體性能，將鋁合金模板結(jié)構(gòu)優(yōu)化為一次成型。

（1）剪力墻鋁合金模板優(yōu)化設(shè)計

1）根據(jù)剪力墻的要求，設(shè)置鋁合金模板標準尺寸為2.8 mm×0.5 mm，型材的高度與厚度分別為66 mm 與5 mm，以滿足剪力墻的承載要求。

2）為實現(xiàn)樓層間鋁合金模板的轉(zhuǎn)換，在剪力墻的頂部設(shè)置了1 個0.4 m 寬度的鋁合金模板，在施工過程中，可以方便地調(diào)整和安裝鋁合金模板，提高施工的靈活性和效率。

3）為提高模板的穩(wěn)定性和承載能力，設(shè)定剪力墻鋁合金模板拉桿與背楞的橫向間距不超過900 mm，最高處與最低處背楞的縱向間距不超過400 mm，保證模板各部件之間連接緊密，減少變形和位移。

4）為增加模板的剛性和穩(wěn)定性，在背楞位置布置超過2 根斜撐，該斜撐使用65 mm×45 mm×30 mm 矩形鋼管作為材料，斜撐的間距低于2 000 mm，有效增強剪力墻鋁合金模板的整體結(jié)構(gòu)剛性。

（2）垂直度校正

為提升混凝土澆筑質(zhì)量，在混凝土澆筑前，采取了一系列措施確保鋁合金模板的垂直度和標高誤差在可接受的9 mm范圍內(nèi)。實驗混凝土為素混凝土，根據(jù)實際情況與墊平基礎(chǔ)，在剪力墻混凝土試件根部設(shè)置定位內(nèi)撐鋼筋。這些鋼筋與剪力墻厚度相等，橫向間距設(shè)定為1 m，實現(xiàn)鋼筋籠固定，避免澆筑混凝土?xí)r出現(xiàn)鋼筋移位情況。此后依據(jù)順序拼裝鋁合金模板，銷釘間距小于350 mm，并且將背楞接頭錯開布置，使其間距為650 mm，確保鋁合金模板的組裝準確性和穩(wěn)定性。通過線錘進行檢驗，檢查鋁合金模板的垂直度是否符合要求，確保剪力墻施工過程中模板的垂直度達到規(guī)定標準。

通過以上優(yōu)化過程，可以提高鋁合金模板的施工效率和穩(wěn)定性，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性和承載能力。

1.4 實驗驗證

試件制備：

（1）優(yōu)化前。使用一種未經(jīng)過鋁合金模板施工優(yōu)化技術(shù)澆筑的構(gòu)件，代替真實混凝土剪力墻，規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm 的立方體。為避免混凝土試件發(fā)生內(nèi)拱，相鄰2 塊試件之間需保持一定的間隙。

（2）優(yōu)化后。采用鋁合金單塊模板（組合鋁合金模板）澆筑混凝土（模擬剪力墻），混凝土試件規(guī)格與上同?；炷良袅υ嚰Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 混凝土剪力墻試件結(jié)構(gòu)

1.4.1 承載力測試

分別設(shè)置鋁合金單塊模板和組合模板2 種工況對優(yōu)化后的鋁合金模板施工技術(shù)開展實驗測試，并且與優(yōu)化前試件進行對比，實驗過程與測試點分布如下：

（1）鋁合金單塊模板試驗

根據(jù)試件變形規(guī)律和趨勢，在試件兩端和中間處分別布置待測點，布置圖如圖2 所示。

圖2 測點布置示意圖

在圖2 中的a、b、c 三個測試點布置百分表，當試件受力時，試件產(chǎn)生位移，百分表上的刻度也會發(fā)生變化，通過讀取刻度的變化，可以確定試件的變形情況，間接了解試件的承載能力。一共開展3 次試驗，加載試驗的荷載共10 級，加載方案為：

1）預(yù)加載。10 級荷載（kN）如下：0 →0.52→0.96→1.55→2.12→2.52→2.97→3.36→3.55→3.81→4.36。

2）每級試驗，載荷時長不低于10 min，待載荷狀態(tài)穩(wěn)定之后記錄數(shù)據(jù)讀數(shù)和變形狀態(tài)。

3）當模板荷載卸下之后，測量試件殘余變形值，觀察是否發(fā)生破壞或裂紋等現(xiàn)象。

加載裝置圖如圖3 所示：

圖3 加載裝置圖

滑塊作為負載傳遞點，接受施加在試件上的荷載。緊固螺栓通過連接滑塊和導(dǎo)軌，確?；瑝K的固定位置。導(dǎo)軌使滑塊沿著特定方向移動，球鉸支座則提供了試件的旋轉(zhuǎn)自由度。通過控制作動器單元壓縮或拉伸加載梁，從而施加試件上的荷載。通過實時監(jiān)測和記錄試件的響應(yīng)、位移和變形，可以評估其結(jié)構(gòu)性能、承載能力等。

（2）鋁合金組合模板試驗

同樣對優(yōu)化前后制備的剪力墻試件開展實驗。根據(jù)以試件核心變形趨勢為測點的原則，以支撐條件為標準，在試件兩端和跨中處分別選取合適的測點。由于存在不同的支撐條件和模板組合方式，所以分別從試件的橫豎2 個方向布置測點，具體布置如圖4 所示。

圖4 組合模板布置測點示意圖

在試件底部根據(jù)圖4 布置9 個測點，其中a、j、b、g 四測點布置在陰角模板底部。利用砂帶進行荷載試驗，采用均勻分布加載。

鋁合金模板不用抹灰就能達到平整狀態(tài)。根據(jù)建筑相關(guān)規(guī)定，以相位位移作為試驗重要指標，當試件最大相對位移屬于規(guī)范限值范圍內(nèi)時，加載停止。靜置持荷24 h 后檢測試件的穩(wěn)定性及變形狀態(tài)。加載試驗為逐級加載，共分為20 級，加載方案如下：

第1 等級。分9 個級別加載荷載，以增量為逐級加載，每級持荷間隔時間不低于10 min。

第2 等級。第10 級荷載為，持荷時間不低于60 min。

第3 等級。在第2 等級之后，繼續(xù)加載10 個級別的荷載，保持每個級別的增量一致，并且每個級別的持荷間隔時間不低于10 min。

第4 等級。在第3 等級的最后一個級別完成后，不再逐級增加荷載。相反，試件需要繼續(xù)承受第三等級最后一個級別的荷載，并且持荷時間不低于24 h。加載結(jié)束后，對試件需要靜置持荷24 h，然后對試件的穩(wěn)定性和變形狀態(tài)進行檢測。

1.4.2 層間側(cè)移剛度測試

層間側(cè)移剛度測試是指測試當2 層剪力墻試件之間發(fā)生水平位移時，2 層之間所有鋁合金支撐柱的剪力之和。

選取優(yōu)化前后的剪力墻試件，使用應(yīng)變檢測傳感器和位移計測試加載過程中2 層剪力墻試件的位移情況與鋁合金支撐柱剪力變化趨勢，加載條件同上。

1.4.3 抗震性能測試

使用ETABS 軟件計算高層建筑的最大層間位移角數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，同樣使用應(yīng)變檢測傳感器和位移計測試加載過程下試件的位移情況與變化趨勢，加載條件同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 荷載優(yōu)化試驗

2.1.1 鋁合金單塊模板荷載

基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計（PBSD 理論），強調(diào)結(jié)構(gòu)位移性狀，對抗震性能水平的判斷標準，目前國內(nèi)外普遍采用的指標是層間位移[15]。因此本研究選取鋁合金模板支座a 測點、c 測點的下沉量數(shù)據(jù)，通過計算模板的相對位移，得到優(yōu)化前后試件的平均相對位移數(shù)據(jù)，測量高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)結(jié)果獲得試件所發(fā)生的剛度變化結(jié)果如圖5 所示。

圖5 單塊模板相對位移曲線示意圖

由圖5 可知，不同載荷情況下，相對位移與荷載均呈線性關(guān)系，表明在試驗過程中試件始終處于彈性狀態(tài)。未使用優(yōu)化方法試件的相對位移明顯高于使用優(yōu)化方法試件的相對位移。

由于混凝土試件荷載分布不夠均勻，各測試點的平均相對位移數(shù)據(jù)可能存在一定誤差，但并未對整體變化趨勢造成過大的影響。相關(guān)建筑規(guī)范《建筑施工模板荷載及變形值的規(guī)定》針對單塊模板的變形要求是不大于1.5 mm 即可[16]，經(jīng)過本方法優(yōu)化后的試件相對位移為1.35 mm 左右，符合行業(yè)標準要求。

2.1.2 鋁合金組合模板荷載

組合模板荷載試驗的控制變量以位移變形為主，但在試驗過程中存在較多的非人力可控因素，當跨中的相對位移大于或等于3.7 mm 時，即可終止試驗，試驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 組合模板絕對位移示意圖

由圖6 可知，隨著荷載的逐漸增加，所有試件測點的絕對位移均呈線性增長，表明在試驗過程中試件始終為彈性狀態(tài)。未使用優(yōu)化方法前的試件絕對位移最大超過了6 mm，使用本方法優(yōu)化后的試件絕對位移最大不超過1.5 mm，明顯更低，說明經(jīng)過優(yōu)化后，剪力墻混凝土澆筑過程中沒有出現(xiàn)嚴重的鋼筋移位。

鑒于跨中測點b、測點d、測點e 和測點i 的絕對位移較大，測試優(yōu)化后試件相對位移變化，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 組合模板相對位移示意圖

由圖7 可知，相對位移最大的為測點d，上升趨勢變化最快，當載荷值達到9.8 kN/m2時，該測點的相對位移接近3 mm。測點i 相對位移最小，上升趨勢緩慢，當載荷值為14 kN/m2時，該測點的相對位移僅為2.12 mm。在相關(guān)規(guī)定中要求剪力墻相對位移不超過5 mm，該試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過本方法優(yōu)化后的剪力墻試件在組合模板工況下，符合相關(guān)安全要求。

分析不同持荷時間下優(yōu)化前后試件的相對位移情況，試驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 持荷時間條件下相對位移示意圖

由圖8 可知，經(jīng)過優(yōu)化后的試件所有測點在持荷8 h 之后相對位移保持穩(wěn)定，變化值較小。其中，測點i 相對位移最小，且在5 h 之后呈極穩(wěn)定狀態(tài)，測點d、測點b 和測點e 同樣具有較好的穩(wěn)定狀態(tài)。由此證明經(jīng)過優(yōu)化后的試件具備良好的承載力和持荷力，符合施工性能需求。未優(yōu)化試件位移變化波動較大，承載力與持荷力不穩(wěn)定，施工過程中存在安全隱患。

2.2 層間側(cè)移剛度測試

對比優(yōu)化前后試件的水平荷載，試驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 水平荷載示意圖

由圖9 可知，優(yōu)化前后試件的水平荷載均與層間位移呈線性關(guān)系，表明試件處于彈性變形狀態(tài)。其中，未優(yōu)化試件的斜率小于優(yōu)化后試件，表示在同水平荷載下，未優(yōu)化試件的層間位移值大于已優(yōu)化試件。當位移值相等時，未優(yōu)化后試件的水平荷載小于已優(yōu)化后試件。

抗側(cè)剛度是指結(jié)構(gòu)頂部發(fā)生單位側(cè)移所需施加的力的大小。對于框架結(jié)構(gòu)的剪力墻，主要指彎曲變形引起的側(cè)移，抗側(cè)剛度的計算方法：抗側(cè)剛度= 剪力/ 層間位移。因此，當位移值相等時，承受的水平荷載越?。醇袅υ叫。瑒t抗側(cè)剛度越小。計算結(jié)果表明與優(yōu)化前試件相比，優(yōu)化后試件的抗側(cè)剛度得到有效提升。

2.3 結(jié)構(gòu)變形特性分析

抗震性能是衡量高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要指標。高層建筑的荷載與地震作用都能影響剪力墻的水平位移，水平位移需要保持在合理范圍內(nèi)才能保持建筑的安全性能。使用ETABS 軟件計算建筑各層剛度和最大層間位移角，結(jié)果顯示優(yōu)化前后橫、縱2 個方向最大層間位移角都符合限值要求。根據(jù)該層間位移角數(shù)據(jù)，統(tǒng)計高層建筑橫、縱2 個方向的層間位移角變化曲線（圖10）。

圖10 層間位移角變化曲線

由圖10 可知，與優(yōu)化前的剪力墻位移曲線相比，優(yōu)化后的剪力墻在橫縱2 個方向的位移曲線都更為平滑，整個過程中并沒有出現(xiàn)位移突變的情況，由此證明經(jīng)過優(yōu)化的剪力墻能夠獲得更好的抗震性能。

3 結(jié)論

本研究探討了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鋁合金模板施工技術(shù)優(yōu)化方法，通過優(yōu)化前后剪力墻試件性能情況，驗證本鋁合金模板施工技術(shù)的優(yōu)化性能，從實驗結(jié)果來看該優(yōu)化方法具有3 點優(yōu)勢：

（1）在組合鋁合金模板和單塊鋁合金模板2種工況下開展實驗，優(yōu)化后的實驗試件具有更小的位移值，承載性能與持荷性能更好。

（2）對比優(yōu)化前后實驗試件的穩(wěn)定性能，優(yōu)化后的試件抗側(cè)剛度更高。

（3）從橫縱2 個方向來看，優(yōu)化后試件的抗震效果更好，即鋁合金模板施工技術(shù)優(yōu)化后提升了高層建筑剪力墻的抗震性能。