高層建筑剪力墻結構應用的鋁合金模板施工技術優化

郭烽仁，郭 溦

（1.福建信息職業技術學院，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]，增強抗震性能和結構穩定性，但并沒有優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構安全隱患[5-6]。因此，應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、構件及附件。其中，構件包括支撐構件和緊固構件[7]。支撐構件主要起穩固作用，確保模板具有足夠的剛度和強度[8]。緊固構件的主要作用是保證模板最終結構尺寸保持原有狀態。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]。鋁合金模板結構較輕，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，可能導致鋁合金模板變形或破壞，對結構的穩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生較大的位移和變形，導致剪力墻失去承載能力，喪失對建筑的抗震支撐作用，增加結構的風險。因此，本研究針對這些缺陷，對鋁合金模板進行優化，并測試其承載性能和抗震性能。

1 材料與方法

1.1 鋁合金模板的優勢

（1）鋁合金模板具有輕質快拆的特性，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，降低生產管理成本。

（2）鋁合金模板的基礎材料為鋁合金型材，由于型材的生產方式為整體擠壓，模板能進行300 多次重復利用，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，整體質量好，應用極為廣泛。

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

1.2 高層建筑介紹

以某高層建筑剪力墻結構作為試驗對象。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 層使用結構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 鋁合金模板施工優化設計

為避免濕作業，發生二次工序，提升模板結構的整體性能，將鋁合金模板結構優化為一次成型。

（1）剪力墻鋁合金模板優化設計

1）根據剪力墻的要求，設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）為實現樓層間鋁合金模板的轉換，在剪力墻的頂部設置了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）為提高模板的穩定性和承載能力，設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構剛性。

（2）垂直度校正

為提升混凝土澆筑質量，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。實驗混凝土為素混凝土，根據實際情況與墊平基礎，在剪力墻混凝土試件根部設置定位內撐鋼筋。這些鋼筋與剪力墻厚度相等，橫向間距設定為1 m，實現鋼筋籠固定，避免澆筑混凝土時出現鋼筋移位情況。此后依據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定標準。

通過以上優化過程，可以提高鋁合金模板的施工效率和穩定性，確保剪力墻結構的安全性和承載能力。

1.4 實驗驗證

試件制備：

（1）優化前。使用一種未經過鋁合金模板施工優化技術澆筑的構件，代替真實混凝土剪力墻，規格為50 cm×50 cm×50 cm 的立方體。為避免混凝土試件發生內拱，相鄰2 塊試件之間需保持一定的間隙。

（2）優化后。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），混凝土試件規格與上同。混凝土剪力墻試件結構如圖1所示.

圖1 混凝土剪力墻試件結構

1.4.1 承載力測試

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

（1）鋁合金單塊模板試驗

根據試件變形規律和趨勢，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，試件產生位移，百分表上的刻度也會發生變化，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，待載荷狀態穩定之后記錄數據讀數和變形狀態。

3）當模板荷載卸下之后，測量試件殘余變形值，觀察是否發生破壞或裂紋等現象。

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軌，確保滑塊的固定位置。導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。通過實時監測和記錄試件的響應、位移和變形，可以評估其結構性能、承載能力等。

（2）鋁合金組合模板試驗

同樣對優化前后制備的剪力墻試件開展實驗。根據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。根據建筑相關規定，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范限值范圍內時，加載停止。靜置持荷24 h 后檢測試件的穩定性及變形狀態。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。加載結束后，對試件需要靜置持荷24 h，然后對試件的穩定性和變形狀態進行檢測。

1.4.2 層間側移剛度測試

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

選取優化前后的剪力墻試件，使用應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據，在此基礎上，同樣使用應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 結果與分析

2.1 荷載優化試驗

2.1.1 鋁合金單塊模板荷載

基于結構性能的抗震設計（PBSD 理論），強調結構位移性狀，對抗震性能水平的判斷標準，目前國內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 測點的下沉量數據，通過計算模板的相對位移，得到優化前后試件的平均相對位移數據，測量高層建筑剪力墻結構的抗震性能。根據結果獲得試件所發生的剛度變化結果如圖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系，表明在試驗過程中試件始終處于彈性狀態。未使用優化方法試件的相對位移明顯高于使用優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據可能存在一定誤差，但并未對整體變化趨勢造成過大的影響。相關建筑規范《建筑施工模板荷載及變形值的規定》針對單塊模板的變形要求是不大于1.5 mm 即可[16]，經過本方法優化后的試件相對位移為1.35 mm 左右，符合行業標準要求。

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。未使用優化方法前的試件絕對位移最大超過了6 mm，使用本方法優化后的試件絕對位移最大不超過1.5 mm，明顯更低，說明經過優化后，剪力墻混凝土澆筑過程中沒有出現嚴重的鋼筋移位。

鑒于跨中測點b、測點d、測點e 和測點i 的絕對位移較大，測試優化后試件相對位移變化，結果如圖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。在相關規定中要求剪力墻相對位移不超過5 mm，該試驗結果顯示，經過本方法優化后的剪力墻試件在組合模板工況下，符合相關安全要求。

分析不同持荷時間下優化前后試件的相對位移情況，試驗結果如圖8 所示。

圖8 持荷時間條件下相對位移示意圖

由圖8 可知，經過優化后的試件所有測點在持荷8 h 之后相對位移保持穩定，變化值較小。其中，測點i 相對位移最小，且在5 h 之后呈極穩定狀態，測點d、測點b 和測點e 同樣具有較好的穩定狀態。由此證明經過優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。未優化試件位移變化波動較大，承載力與持荷力不穩定，施工過程中存在安全隱患。

2.2 層間側移剛度測試

對比優化前后試件的水平荷載，試驗結果如圖9 所示。

圖9 水平荷載示意圖

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

抗側剛度是指結構頂部發生單位側移所需施加的力的大小。對于框架結構的剪力墻，主要指彎曲變形引起的側移，抗側剛度的計算方法：抗側剛度= 剪力/ 層間位移。因此，當位移值相等時，承受的水平荷載越小（即剪力越小），則抗側剛度越小。計算結果表明與優化前試件相比，優化后試件的抗側剛度得到有效提升。

2.3 結構變形特性分析

抗震性能是衡量高層建筑結構優劣的重要指標。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，結果顯示優化前后橫、縱2 個方向最大層間位移角都符合限值要求。根據該層間位移角數據，統計高層建筑橫、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，與優化前的剪力墻位移曲線相比，優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位移突變的情況，由此證明經過優化的剪力墻能夠獲得更好的抗震性能。

3 結論

本研究探討了高層建筑剪力墻結構應用的鋁合金模板施工技術優化方法，通過優化前后剪力墻試件性能情況，驗證本鋁合金模板施工技術的優化性能，從實驗結果來看該優化方法具有3 點優勢：

（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）對比優化前后實驗試件的穩定性能，優化后的試件抗側剛度更高。

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