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(lái)水有限公司，福州 350007）

目前高層建筑都會(huì)配置剪力墻提高戶(hù)型靈活性[1-2]，增強(qiáng)抗震性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但并沒(méi)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(fèi)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(qiáng)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(gè)完整的體系[9]。鋁合金模板結(jié)構(gòu)較輕，具有極強(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)建筑的抗震支撐作用，增加結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本研究針對(duì)這些缺陷，對(duì)鋁合金模板進(jìn)行優(yōu)化，并測(cè)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(shì)

（1）鋁合金模板具有輕質(zhì)快拆的特性，無(wú)需通過(guò)機(jī)械進(jìn)行搬運(yùn)和拼裝，人工4 d 即可獨(dú)立完成一層的施工[12]，可有效提升施工進(jìn)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(jìn)行300 多次重復(fù)利用，均攤價(jià)格遠(yuǎn)低于其他材料模板。且該類(lèi)模板具備極強(qiáng)的承載力（大部分可達(dá)61 kN/m2）和穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)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(chǎng)環(huán)境整潔，符合國(guó)家的節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)。

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(yàn)對(duì)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(jì)

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(jì)

1）根據(jù)剪力墻的要求，設(shè)置鋁合金模板標(biāo)準(zhǔn)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(mǎn)足剪力墻的承載要求。

2）為實(shí)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(gè)0.4 m 寬度的鋁合金模板，在施工過(guò)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(guò)900 mm，最高處與最低處背楞的縱向間距不超過(guò)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(guò)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(qiáng)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(biāo)高誤差在可接受的9 mm范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)混凝土為素混凝土，根據(jù)實(shí)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(shí)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(xiāo)釘間距小于350 mm，并且將背楞接頭錯(cuò)開(kāi)布置，使其間距為650 mm，確保鋁合金模板的組裝準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過(guò)線錘進(jìn)行檢驗(yàn)，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(guò)程中模板的垂直度達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)以上優(yōu)化過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試件制備：

（1）優(yōu)化前。使用一種未經(jīng)過(guò)鋁合金模板施工優(yōu)化技術(shù)澆筑的構(gòu)件，代替真實(shí)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(cè)試

分別設(shè)置鋁合金單塊模板和組合模板2 種工況對(duì)優(yōu)化后的鋁合金模板施工技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并且與優(yōu)化前試件進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與測(cè)試點(diǎn)分布如下：

（1）鋁合金單塊模板試驗(yàn)

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

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在圖2 中的a、b、c 三個(gè)測(cè)試點(diǎn)布置百分表，當(dāng)試件受力時(shí)，試件產(chǎn)生位移，百分表上的刻度也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)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(kāi)展3 次試驗(yàn)，加載試驗(yàn)的荷載共10 級(jí)，加載方案為：

1）預(yù)加載。10 級(jí)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(jí)試驗(yàn)，載荷時(shí)長(zhǎng)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(dāng)模板荷載卸下之后，測(cè)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(fù)載傳遞點(diǎn)，接受施加在試件上的荷載。緊固螺栓通過(guò)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(dòng)，球鉸支座則提供了試件的旋轉(zhuǎn)自由度。通過(guò)控制作動(dòng)器單元壓縮或拉伸加載梁，從而施加試件上的荷載。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄試件的響應(yīng)、位移和變形，可以評(píng)估其結(jié)構(gòu)性能、承載能力等。

（2）鋁合金組合模板試驗(yàn)

同樣對(duì)優(yōu)化前后制備的剪力墻試件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。根據(jù)以試件核心變形趨勢(shì)為測(cè)點(diǎn)的原則，以支撐條件為標(biāo)準(zhǔn)，在試件兩端和跨中處分別選取合適的測(cè)點(diǎn)。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(gè)方向布置測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖4 所示。

圖4 組合模板布置測(cè)點(diǎn)示意圖

在試件底部根據(jù)圖4 布置9 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中a、j、b、g 四測(cè)點(diǎn)布置在陰角模板底部。利用砂帶進(jìn)行荷載試驗(yàn)，采用均勻分布加載。

鋁合金模板不用抹灰就能達(dá)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(yàn)重要指標(biāo)，當(dāng)試件最大相對(duì)位移屬于規(guī)范限值范圍內(nèi)時(shí)，加載停止。靜置持荷24 h 后檢測(cè)試件的穩(wěn)定性及變形狀態(tài)。加載試驗(yàn)為逐級(jí)加載，共分為20 級(jí)，加載方案如下：

第1 等級(jí)。分9 個(gè)級(jí)別加載荷載，以增量為逐級(jí)加載，每級(jí)持荷間隔時(shí)間不低于10 min。

第2 等級(jí)。第10 級(jí)荷載為，持荷時(shí)間不低于60 min。

第3 等級(jí)。在第2 等級(jí)之后，繼續(xù)加載10 個(gè)級(jí)別的荷載，保持每個(gè)級(jí)別的增量一致，并且每個(gè)級(jí)別的持荷間隔時(shí)間不低于10 min。

第4 等級(jí)。在第3 等級(jí)的最后一個(gè)級(jí)別完成后，不再逐級(jí)增加荷載。相反，試件需要繼續(xù)承受第三等級(jí)最后一個(gè)級(jí)別的荷載，并且持荷時(shí)間不低于24 h。加載結(jié)束后，對(duì)試件需要靜置持荷24 h，然后對(duì)試件的穩(wěn)定性和變形狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

1.4.2 層間側(cè)移剛度測(cè)試

層間側(cè)移剛度測(cè)試是指測(cè)試當(dāng)2 層剪力墻試件之間發(fā)生水平位移時(shí)，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(cè)傳感器和位移計(jì)測(cè)試加載過(guò)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(shì)，加載條件同上。

1.4.3 抗震性能測(cè)試

使用ETABS 軟件計(jì)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(cè)傳感器和位移計(jì)測(cè)試加載過(guò)程下試件的位移情況與變化趨勢(shì)，加載條件同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 荷載優(yōu)化試驗(yàn)

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(jì)（PBSD 理論），強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)位移性狀，對(duì)抗震性能水平的判斷標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的指標(biāo)是層間位移[15]。因此本研究選取鋁合金模板支座a 測(cè)點(diǎn)、c 測(cè)點(diǎn)的下沉量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算模板的相對(duì)位移，得到優(yōu)化前后試件的平均相對(duì)位移數(shù)據(jù)，測(cè)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(duì)位移曲線示意圖

由圖5 可知，不同載荷情況下，相對(duì)位移與荷載均呈線性關(guān)系，表明在試驗(yàn)過(guò)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(duì)位移明顯高于使用優(yōu)化方法試件的相對(duì)位移。

由于混凝土試件荷載分布不夠均勻，各測(cè)試點(diǎn)的平均相對(duì)位移數(shù)據(jù)可能存在一定誤差，但并未對(duì)整體變化趨勢(shì)造成過(guò)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(duì)單塊模板的變形要求是不大于1.5 mm 即可[16]，經(jīng)過(guò)本方法優(yōu)化后的試件相對(duì)位移為1.35 mm 左右，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 鋁合金組合模板荷載

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

圖6 組合模板絕對(duì)位移示意圖

由圖6 可知，隨著荷載的逐漸增加，所有試件測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移均呈線性增長(zhǎng)，表明在試驗(yàn)過(guò)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(duì)位移最大超過(guò)了6 mm，使用本方法優(yōu)化后的試件絕對(duì)位移最大不超過(guò)1.5 mm，明顯更低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，剪力墻混凝土澆筑過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的鋼筋移位。

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

圖7 組合模板相對(duì)位移示意圖

由圖7 可知，相對(duì)位移最大的為測(cè)點(diǎn)d，上升趨勢(shì)變化最快，當(dāng)載荷值達(dá)到9.8 kN/m2時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移接近3 mm。測(cè)點(diǎn)i 相對(duì)位移最小，上升趨勢(shì)緩慢，當(dāng)載荷值為14 kN/m2時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移僅為2.12 mm。在相關(guān)規(guī)定中要求剪力墻相對(duì)位移不超過(guò)5 mm，該試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)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(shí)間下優(yōu)化前后試件的相對(duì)位移情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 持荷時(shí)間條件下相對(duì)位移示意圖

由圖8 可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的試件所有測(cè)點(diǎn)在持荷8 h 之后相對(duì)位移保持穩(wěn)定，變化值較小。其中，測(cè)點(diǎn)i 相對(duì)位移最小，且在5 h 之后呈極穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)d、測(cè)點(diǎn)b 和測(cè)點(diǎn)e 同樣具有較好的穩(wěn)定狀態(tài)。由此證明經(jīng)過(guò)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(dòng)較大，承載力與持荷力不穩(wěn)定，施工過(guò)程中存在安全隱患。

2.2 層間側(cè)移剛度測(cè)試

對(duì)比優(yōu)化前后試件的水平荷載，試驗(yàn)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(dāng)位移值相等時(shí)，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(duì)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(jì)算方法：抗側(cè)剛度= 剪力/ 層間位移。因此，當(dāng)位移值相等時(shí)，承受的水平荷載越?。醇袅υ叫。?，則抗側(cè)剛度越小。計(jì)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(biāo)。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(jì)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(gè)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(jì)高層建筑橫、縱2 個(gè)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(gè)方向的位移曲線都更為平滑，整個(gè)過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)位移突變的情況，由此證明經(jīng)過(guò)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(guò)優(yōu)化前后剪力墻試件性能情況，驗(yàn)證本鋁合金模板施工技術(shù)的優(yōu)化性能，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看該優(yōu)化方法具有3 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

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

（2）對(duì)比優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)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(gè)方向來(lái)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。