铝合金楼面模板性能试验

幸晓娇，段晓农，姜 博，秦培成，冯绍颖

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南建设集团，海南 海口 570228)

铝合金楼面模板性能试验

幸晓娇1，段晓农1，姜 博2，秦培成2，冯绍颖2

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南建设集团，海南 海口 570228)

对单块铝合金楼面模板和样板房组合铝合金楼面模板体系分别进行了均布荷载试验，并进行了对比分析。3组单块铝合金楼面模板分别作用均布荷载10.08 kN/m2，跨中相对位移分别为1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm。对样板房组合铝合金楼面模板作用均布荷载11.5 kN/m2，跨中相对位移最大值为3.691 mm，实测值为5.667 mm；持荷24 h后，相对位移变化小。与单块模板进行对比，组合模板体系受到模板尺寸、支座条件、销钉以及邻近模板相互作用等因素的影响。研究结果表明：铝合金模板体系具有良好的持荷能力和承载力性能，组合铝合金模板的连接构件对铝合金模板承载力有一定的影响。

绿色施工；铝合金楼面模板；样板房组合体系；均布荷载试验；力学性能

0 引言

铝合金模板作为一种绿色建筑施工模板，具有良好的经济效益和社会效益。其主要优点[1-4]为：材料周转使用次数多，摊销成本低，残值回收率高，低碳环保；对施工环境适应性强，无废料产生；整个系统标准化程度高，质量较轻，施工技术简单，拼装快，效率高；承载力强，配合精度高，能达到免抹灰的施工效果。

发达国家和一些新兴工业国家已经积累了大量的铝合金模板制造和建筑施工等方面的经验，其中，韩国大量的高层住宅已经开始广泛采用铝合金模板技术施工。借鉴国外铝合金模板的应用与研究[5-7]成果，可为国内建筑施工方式拓展思路。

目前，国内对铝合金模板的研究主要偏重于实际工程应用。文献[8-12]将铝合金模板应用在实际工程中，着重对其应用特点、施工技术要点以及经济效益进行了对比分析，实践表明：铝合金模板能够提高工程质量、加快施工进度，并且具有良好的经济效益和社会效益。但是国内对模板承载力的理论分析和试验研究较少[13-15]，还处于探索阶段。文献[13]运用有限元软件模拟铝合金模板体系在风荷载作用下的变形，发现结构的抗倾覆和抗滑移能力是由模板自重和相关构件的作用来保证。文献[14]对单块铝合金模板进行静力荷载试验，并对有限元软件模拟与试验结果进行了对比。

本文主要研究铝合金模板的承载性能，对单块铝合金楼面模板和样板房组合铝合金楼面模板分别进行了承载力试验，可为铝合金模板的应用提供一定的理论参考。

1 单块铝合金楼面模板试验

为了方便采集单块铝合金楼面模板试验数据，试验地点定在海口海建科技大厦空地。试验主要目的是考察单块铝合金楼面模板的刚度及其变化趋势，为样板房体系试验提供数据指导。

根据铝合金模板后肋梁结构布置形式的不同，铝合金楼面模板主要分为两种类型。一种是短向横肋式，模板横肋沿短边方向贯通，文献[10]对该类型模板采用四边固定的双向板简化计算；另一种是主次梁式，模板次肋沿长边方向贯通，与短向的横梁叠接。

表1 试验条件及标准

本文采用主次梁式的铝合金楼面模板，选取1 100 mm ×400 mm × 3.5 mm规格的3块铝合金模板进行试验，试验条件及标准见表1。

简支支座由钢管混凝土(C60)和垫板组成，布置在模板的短跨方向。试验前，对支座进行了强度测试，承载质量550 kg，持荷24 h，经游标卡尺测量，钢管直径无变化。

1.1 试验方案与步骤

试验对象为单块铝合金楼面模板，综合考虑数据采集以及试验场地能提供的载荷、混凝土试块等便利因素，现场采用150 mm × 150 mm ×150 mm标准混凝土试块。同时，混凝土试块均匀分布加载，在相邻试块之间留有间隙，防止产生内拱反应。

根据铝合金楼面模板类型及变形趋势，将测点分别布置在模板跨中和两端支座处，测点布置示意图如图1所示。将百分表布置在模板的上表面处(分别为图1中A、B、C位置)，减小因读数而造成的误差。

分别对3块铝合金楼面模板进行均布加载试验，如图2所示。试验荷载共分15级，加载步骤按预加载、承载能力试验顺序进行。

图1 测点布置示意图图2 单块铝合金楼面模板均布加载试验

加载方案如下：

①预加载 0 kN-0.48 kN-0 kN；承载能力试验：0 kN-0.48 kN-0.87 kN-1.36 kN-1.76 kN-2.24 kN-2.47 kN-2.71 kN-2.88 kN-3.04 kN-3.30 kN-3.55 kN-3.79 kN-3.96 kN-4.19 kN-4.44 kN。

②每级荷载的持荷时间≥10 min，稳定后读数，记录数据及变形情况。

③卸载后检查测量模板的残余变形值，并检查模板是否破坏以及焊缝是否产生裂纹。

图3 单块铝合金楼面模板荷载-相对位移曲线

1.2 试验分析

试验中将测点A、B(见图1)的数据作为支座下沉量，计算得到模板的相对位移变化，分析荷载作用下铝合金楼面模板的刚度变化。

根据每级载荷与对应的跨中相对位移值可绘制出单块铝合金楼面模板荷载-相对位移曲线，如图3所示。

由图3可知：各级荷载与对应的相对位移值基本呈线性关系，说明单块铝合金楼面模板在试验过程中基本处于弹性状态。实测数值有一定波动，因为前期布置的混凝土试块较少，未达到较好的均布荷载效果，对跨中相对位移数值有一定的影响，但未影响曲线的整体变化趋势。

在JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》[16]中规定，单块模板的容许变形值≤1.5 mm。本文试验结果：3块铝合金楼面模板最大相对位移分别为1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm，残余相对位移分别为0.14 mm、0.17 mm和0.18 mm，均满足规范要求。

2 样板房组合铝合金楼面模板试验

样板房组合铝合金楼面模板主要由4块1 100 mm×400 mm、4块1 200 mm×400 mm、1块1 100 mm×400 mm和1块1 200 mm×400 mm，面板厚度均为3.5 mm的铝合金模板构成。选择的测点原则上要反映楼面模板的主要变化趋势，根据支撑条件，按支座和跨中寻找测点。考虑到多个单块铝合金模板组合的形式、支撑条件以及测点读数的可行性等多方面的因素，在楼面模板横向和竖向共布置9个测点，如图4所示。所有测点均布置在模板的下表面，其中测点1、5、6、9放置在阴角模板的下表面。

试验采用砂袋模拟均布加载，铲车辅助搬运荷载，人工进行荷载布置。荷载布置如图5所示。机械辅助的目的是减小人工大幅度搬运荷载时对样板房稳定性的影响，同时可以节省时间和劳动力，操作性强。

图4 测点布置示意图图5 荷载布置

2.1 加载方案

铝合金模板能达到免抹灰状态，根据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》[16]，结构表面外露模板最大位移不得超过模板构件计算跨度的1/400(1 200/400=3 mm)。试验以相对位移为主要控制指标，当样板房组合铝合金楼面模板相对位移最大值在规范限值时，停止加载，再持荷1 d观察模板变形及其整体稳定性。试验采用砂袋逐级加载法，分22级单向加载，加载方案如表2所示。

表2 试验加载方案

2.2 试验分析

本试验主要是以位移变形为控制变量，但是实际试验中有不可控因素。因此，当跨中相对位移最大值达到3.691 mm，试验终止，相对应的荷载为11.5 kN/m2，测点实际位移为5.667 mm。

图6 绝对位移-面荷载曲线

测点实际绝对位移-面荷载曲线如图6所示。由图6可知：各测点的实测绝对位移随着面荷载的增大基本呈线性增长，说明样板房组合铝合金楼面模板体系在试验过程中基本处于弹性工作状态。位于跨中的测点2、4、8、7在加载后绝对位移变化较大，符合简支板(梁)在受均布荷载作用时跨中绝对位移最大的规律。

以测点1、3、5、6、9为支座，则测点2、4、7、8为跨中，计算得到跨中测点的相对位移值。相对位移-面荷载曲线如图7所示。由图7可看出：测点2 相对位移最大，呈较快的上升趋势，当均布面荷载值为9.10 kN/m2，位移达到2.990 mm。跨中相对位移-持荷时间曲线如图8所示。由图8可看出：在持荷24 h后，持荷时间对样板房组合铝合金楼面模板的相对位移影响不大，整体变化较小。

图7 相对位移-面荷载曲线图8 相对位移-持荷时间曲线

2.3 强度验算

对样板房连接构件-销钉、支撑构件、阴角模板进行强度验算。

2.3.1 钢支撑稳定性验算

(Ⅰ)稳定性验算

L=2.1 m,f=200 MPa,f0.2=1.2f=240 MPa。根据GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》[17]，强硬化、非焊接铝合金管的修正因数限值ηe=1.0，无焊接时，取焊接缺陷影响因数ηhaz=1。因此，双轴对称截面轴心受压构件的稳定性计算因数：φ1=ηeηhazφ=φ；外管两端铰接，计算长度因数μ=1。支撑杆件尺寸如表3所示。

杆件长细比λ=μl/r=114.13;钢管承受的轴力N≤φAf=34.04 kN；查表[19]得稳定因数φ=0．521。

表3 支撑杆件尺寸

(Ⅱ)钢管壁受压强度

端面容许承压强度fce=205 N/mm2，管壁受压面积A壁=272.28 m2，则fceA壁约为56 kN。

2.3.2 插销受剪力

D=14 mm,A销=153.94 mm2，常用材料采用[τ]=80 MPa，受剪容许荷载：[τ]×2A销=24.36 kN。

综合考虑钢支撑和插销的容许荷载，取容许荷载中的最小值24.63 kN为钢支撑受压容许荷载值。在试验中钢支撑承受荷载面积A=1.08 m2，因此，钢支撑承受荷载值为12.96 kN，小于24.63 kN,满足要求。

2.3.3 楼面阴角模板

试验中样板房组合铝合金楼面模板承受11.5 kN/mm2的均布荷载，铝合金模板自重0.25 kN/mm2；L=1.2 m,l=0.1 m,t=5 mm。

阴角模板所受弯矩：M=pl=0.75 kN/m。

3 单块铝合金楼面模板与样板房组合铝合金楼面模板对比

样板房组合铝合金楼面模板作用10.08 kN/m2荷载时，测点2、4、7、8对应的跨中相对位移值如表4所示。与单块铝合金楼面模板(见表4)相对比，相对位移值较大，分析产生差距的主要原因：

表4 跨中相对位移值

(Ⅰ)测点2的相对位移最大，主要原因是模板尺寸不同，L=1 200 mm。

(Ⅱ)支座条件不同，单块铝合金楼面模板的支座相对刚度较强；同时，在样板房组合铝合金楼面模板试验中，测点4的支座一端是早拆杆件，支撑条件比测点7和测点8刚度大，测点4的相对位移较小。因此，支座的刚度对测点相对位移有一定影响。

(Ⅲ)在样板房组合铝合金楼面模板试验中，支座测点设置在阴角模板处，在阴角模板和楼面模板之间有销钉连接。荷载作用时，销钉受到剪切而产生变形，因此，连接构件的销钉对模板位移的影响不容忽略。

(Ⅳ)样板房组合铝合金楼面模板是由多个单块铝合金楼面模板组合构成，与单块铝合金楼面模板相比，样板房体系中铝合金模板属于双向受力。由图6可以看出：当面荷载作用较大时，不仅纵向产生变形，而且在横向上，邻近模板对体系中单块模板产生的连带作用不容忽略。

综上所述，在试验过程中，整个样板房组合铝合金楼面模板结构体系一直处于弹性工作状态，整体稳定性好。在横向、竖向上测点的位移基本呈线性变化，整体工作状态能很好地满足施工要求。

4 结论

(1)通过试验测得单块铝合金楼面模板性能，作用10.08 kN/m2的均布荷载时，最大相对位移发生在跨中，3块模板跨中相对位移分别为1.423 mm、1.440 mm和1.462 mm 。试验所测得的相对位移和残余相对位移均小于参考规范的允许值，满足规范要求。

(2)样板房组合铝合金楼面模板试验中，跨中测点2的相对位移值最大。当测点2的相对位移达到 2.990 mm时，模板承受的均布荷载为9.10 kN/m2。在持荷24 h后，相对位移整体变化小，模板具有较强的持荷性能和承载力性能，能够很好地满足施工要求。

(3)与单块铝合金楼面模板承载力相比，同等荷载作用下，样板房组合铝合金楼面模板位移值大，主要与模板的尺寸、支座条件、连接构件的销钉以及其他模板对单块模板的连带作用有一定的关系。

[1] 姜波,程志军,王晓锋,等.模板工程与绿色施工[J].施工技术,2008,37(6):7-9.

[2] 仇铭华.我国建筑铝模板产业的崛起对绿色施工的推动作用[J].施工技术,2012,41(6):43-47.

[3] 幸晓娇,姜博,陈云,等.绿色建筑早拆铝合金模板在建筑工程中的应用[J].山西建筑,2015,41(29):96-97.

[4] 孔令标.论铝合金组合模板系统施工的优越性与局限性[J].广东建材,2013(3):64-67.

[5] ARSOAN M,SIMSEK O,SUBASI S.Effects of formwork surface materials on concrete lateral pressure[J].Construction and building materials,2005,19(4):319-325.

[6] GRYTTEN F,BORVIK T,HOPPERSTD O S.Low velocity perforation of AA5083-H116 aluminium plates[J].Impact engineering,2009,36:597-610.

[7] STENHARD O.Aluminum constructions in civil engineering[J].Aluminium,1971,47:131-139.

[8] 王世博.铝合金模板施工技术在超高层综合体中的应用[J].施工技术,2015,44(2):88-92,101.

[9] 刘雪红,程海寅,陆建飞,等.铝合金模板体系施工技术及其效益分析[J].施工技术,2012,41(23):79-82,104.

[10] 牛潮,黎文方,林春霞,等.铝合金模板系统在超高层核心筒施工中的应用[J].施工技术,2014,43(5):33-37.

[11] 杨成,孟应磊,周麟,等.组合铝合金模板在保障性安居工程中的应用[J].施工技术,2014,43(增刊):210-213.

[12] 张平平,杨晓东,陈晓东,等.铝合金模板早拆体系试验测试[J].建筑施工,2012,34(1):64-65.

[13] 严姣.铝合金模板体系的力学性能及风振响应分析[D].广州:华南理工大学,2015.

[14] 黎文方.新型铝合金模板试验测试[J].施工技术,2013,42(增刊):279-280.

[15] 胡长明,程佳佳.模板支架水平构件的可靠性计算与分析[J].河南科技大学学报(自然科学版),2011,32(6):46-50.

[16] 中国建筑工业出版社.建筑施工模板安全技术规范:JGJ 162—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[17] 上海市建设和交通委员会.铝合金结构设计规范:GB 50429—2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

海南省科技厅重大科技基金项目(ZDZX2013015)

幸晓娇(1991-),女,河南正阳人,硕士生;段晓农(1965-),男,甘肃平凉人,副教授,硕士，硕士生导师，主要研究方向为高层建筑结构分析及抗震设计.

2017-01-05

1672-6871(2017)04-0054-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.012

TU755.2

A