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赤鱼追波

建筑日记

 
 
 

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预制混凝土用蒸汽管钢混组合底模开发研究  

2015-12-22 00:17:58|  分类: 建筑 |  标签: |举报 |字号 订阅

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尹衍樑;张求武;詹耀裕; 蔣明;李奇峰; 黄绸辉;赖宜政

前言

装配式混凝土房屋结构由预制混凝土构件(简称预制构件)来实现,而预制构件的质量与精度,对于装配式建筑的功能及外观有着直接的影响;预制构件的模具在生产循环中扮演了重要的角色,决定了产品的质量及生产效率。本文针对预制混凝土用新型蒸汽管钢混组合底模的开发做了研究,从设计制作考量到试验模拟分析,说明了本项开发得到良好的改善及效益。

1、钢制底模的考量及设计

模具精度是保证预制构件质量的关键,所以生产制作的场地及设施应符合下列规定:

(1)预制构件的制造应在工厂或符合生产条件的现场进行。

(2)制作预制构件的场地应平整坚实,并有排水措施。可采用钢制底模(钢台座)或混凝土台座,台座表面应平整。

预制构件一般采用钢材作为模具(即钢模),为满足钢模的机械组装及形式的变换,生产台座多使用钢制底模,并且还具有可搬运的优点。钢制底模应符合下列规定

(1)应满足承载力、刚度、精度和整体稳定性的要求。

(2)能可靠抵抗浇筑混凝土时的冲击力、振动力以及蒸汽养护所产生的膨胀及收缩而不变形。

(3)表面平整度(靠尺和塞尺量测)在2m长度范围高差不应大于2mm。

一般钢底模的长宽大小设定,依厂房配置、运输考虑及生产构件种类不同,各有不同的设计;以24m跨车间为例,采固定钢制台模生产方式,常用底模4m*12m为较适合的规格,生产多种类型的构件均适用;但若考虑厂房运用之机动及弹性,或者是游牧式预制的生产方式,则可使用4m*6m的机动底模。

2、预制构件采用蒸汽管钢底模的养护方式

一般预制混凝土浇筑完毕后,会采取有效的养护措施,根据需要可选择自然养护、热模养护、覆盖养护或蒸汽养护等方式,以确保混凝土在预定的时间内可以达到需求的强度;其中一种采用蒸汽管钢底模的方式,即热模养护中常见的作法,通常在预制构件的上方再覆盖养生用帆布,以保持混凝土的环境温度及湿度。

蒸汽管钢底模即钢底模与蒸汽管相结合,将蒸汽管置于钢底模的下方,利用蒸汽管通高温蒸汽后产生的热能,传热于钢底模表面使其升温,间接提高混凝土构件养生的环境温度。

蒸汽管座以无缝钢管制作,以U型环绕方式确保传热分布均匀。蒸汽管座与钢底模可分开制作再组装,亦可于大底模制作时一并装设,实际制作成形如图1。

1 蒸汽管钢底模底部情形

3、新型蒸汽管钢混组合底模开发构想

依以往预制生产经验,大底模常因生产过程的震捣、上方模具的拆组、长期反复的混凝土荷载、预制构件脱膜时的吸附力等等,造成钢底模面板的变形,产品质量下降,最终使得钢底模无法达到我们希望的使用寿命,因而发此构想开发新型方案。

3.1 新型蒸汽管钢混组合底模的设计

新型蒸汽管钢混组合底模的开发构想,就是在原先蒸汽管钢底模的钢面板下方浇置一定厚度的钢筋混凝土,并且于钢面板底及四周加焊剪力钉,藉此以提高底座表面的刚性及整体稳定性,可减少自重及外力作用下的变形;另外,为确保蒸汽热能不被混凝土阻隔而降低养生效果, 我们将蒸汽管埋设于混凝土层当中,以利于对钢面板进行热传导。以一座4m x 6m的新型蒸汽管钢混组合底模为例,其设计加工图的3D效果如图2。

图2 新型蒸汽管钢混组合底模效果图

3.2 底模设计的结构验算

我们设定了各种工况条件,进行混凝土剪力钉的计算,计算结果显示(如图3及图4),剪切承载力及抗拉拨承载力皆能满足脱模吸附力。

图3 钢模背板结构计算(一)

图4 钢模背板结构计算(二)

4、新型蒸气管钢混组合底模制作

根据前述设计图面,我们制作了一套4m×6m的新型蒸汽管钢混组合底模,新型底模未浇筑混凝土前,底部情形如图5,浇筑混凝土后如图6。

图5 新型钢底模未灌浆前底部情形

图6 新型钢底模灌浆完成情形

5、新旧方案模温对比试验

我们在新旧方案(如图7)的的钢底模上方各试生产一片预制叠合版(简称KT板),在KT板的上方及钢底模面板的表面各置放温度计量测,各测点布置如图8所示。

图7 新旧方案断面示意图

图8 新旧方案温度计测点布置

混凝土浇灌静置4个小时后,KT板上覆盖养生帆布,启动蒸汽锅炉到设定的工作压力,高温蒸汽充满蒸汽管后,热传导对底模表面加温,此时开始记录每一量测点的温度,如图9;每半小时做一次温度记录,蒸汽开满6小时后关闭,继续记录降温情形,最后将试验温度量测记录绘制比较曲线如图10。

图9 KT板覆盖养生及温度记录情形

图10 温度量测记录比较曲线

5.1 模温试验结果分析

(1)新型研发模前段升温速率较慢,但由于混凝土具有"蓄热效应",加热4小时后,温度反超过原底模。

(2)蒸气关闭后,新型研发模蓄热,降温缓慢。

(3)新型研发模上KT板的温度亦高于原底模 。

(4)底模需求最高温度约60℃,从温度曲线可见,当未来采用新研发模时,蒸汽可提早2小时关闭,利用蓄热持温,可节约蒸汽的能耗,这就如同岩烧牛排效果,在没有明火的情况下,可将生牛排煮熟,如图11。

图11 岩烧牛排(摘自网路照片)

5.2 新旧方案变形分析

我们设定了工况条件,进行新旧方案的钢模变形计算,如图12及图13。

图12 钢底模变形分析(一)

图13 钢底模变形分析(二)

新旧方案的钢模变形分析的结果,说明如下:

(1)考虑动力效应脱模吸附力作用,钢板变形向上;两方案的变形、应力均很小,但原方案是新方案应力的4倍,位移是29倍。

(2)在自重及混凝土构件作用下,钢板变形向下;两方案变形应力均很小,但原方案是新方案的2.8倍,位移是21倍。

(3)钢模30年应力循环次数约为10000次,小于50000次,按规范GB510017,可不考虑疲劳应力影响,但考虑表面平整度要求,新方案变形应力均比原方案好。

5.3 新旧方案平整度量测

(1)KT版底面-凹凸值量测

我们将新旧方案试生产的KT版底面进行平整度凹凸值量测,以2米水平靠尺量测板面最大间隙,量测结果显示,新研发模的平整度,整体优于原钢底模,如图14。

图14 KT版底面凹凸值量测

(2)KT版底面-翘曲量测

我们再将新旧方案KT版底面进行翘曲值量测,量测结果显示,原钢底模的翘曲量2mm,新研发模的翘曲量仅1mm,新研发模优于原钢底模,如图15。

图15 KT版底面翘曲量测

6、综合效益与结论

我们针对新旧方案做了综合效益比较如图16,模具的使用年限、平整度的变形控制及蒸汽燃料费的支出,皆有明显的改善。

图16 综合效益比较

经过了我们的设计分析及试验研究发现,新型蒸汽管钢混组合底模的开发,改善了原来钢底模的整体劲度,增加了使用寿命,相对降低了设备摊提的固定成本,同时也提升生产构件的质量。另外,我们在模温比对试验中发现,新型底模的混凝土层通蒸汽后,由於蓄热效应,提供了良好的保温能力,可以减少蒸汽的使用量,属於相对节能的生产方式,正符合现行政府大力推广绿色生产及绿色施工的宗旨。

本研究工艺已申请专利挂件,实用新型专利受理号201420445551.3,发明专利受理号201410387754.7。

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