蜂窝钢箱混凝土墙板模块及其制作方法以及墙体与流程

本发明涉及一种蜂窝钢箱混凝土墙板模块，以及该蜂窝钢箱混凝土墙板模块的制作方法，另外，还涉及一种由该蜂窝钢箱混凝土墙板模块拼装成的墙体，适用于地下工程中承担水土压力的建筑外墙及其他建筑工程中处于压弯受力状态的板形结构构件。

背景技术：

目前，城市化进程面临绿地减少、交通拥堵、环境污染、内涝频发等严峻挑战，合理开发利用地下空间，是优化城市空间结构与管理格局、缓解城市土地资源紧张的必要措施，对提高城市综合承载能力具有重要意义。在大中型城市，快速增长的轨道交通、地下综合管廊以及众多城市综合体的建设，带动了地下空间开发的迅速铺开，呈现多样化、深度化、复杂化的发展趋势。建设“海绵城市”理念的提出，为地下空间开发提出了新课题。我国正逐步成为世界地下空间开发的大国，工程建设的未来将是地下空间发展的时代。

地下结构处于水土压力、上部建筑的综合作用下，承受荷载大、受力条件复杂，且由于地下工程的隐蔽性特点，要求结构可靠度大，施工质量高、防水性能好。此外，地下工程的施工占地大、周期长，对周围居民的生产生活产生了较大影响。上述问题给地下工程的设计研发提出了更高的要求。采用预制装配式建造方式，实现构标准配件生产的工厂化，现场施工的机械化，可提高劳动生产率，加快建设速度，降低工程成本，提高工程质量。当前，地上建筑的工业化研究开展广泛，成果丰富。与之相比，我国地下空间工业化建造的研究仍局限于隧道管线方向，建筑地下室外墙模块化的研究基本处于空白状态。

建筑地下室外墙模块化研究存在以下难题：

1)如何合理的将地下室外墙分割为可拼装模块，以便于现场水平向和竖向的拼装，且保证构件拼装后受力均匀，具有较大的承载力、刚度、整体性和耐久性；

2)如何设计外墙模块的接缝，使其能够可靠传递剪力、弯矩、压力，具有良好的防水性，且便于施工；

3)如何在墙板厚度的限制下，使地下室墙板承担较大的平面内和平面外荷载；

4)如何采用现有成熟技术制作模块，确保制成的模块质量可靠，且尽可能节省材料、减少工序、降低造价。

5)模块如采用型钢混凝土组合结构，如何确保型钢与混凝土协同受力以充分发挥材料强度。

6)模块如何应对火灾、爆炸等偶然工况。

我国对地上建筑剪力墙结构的研究已非常深入广泛，出现了各类型钢混凝土剪力墙结构。地上剪力墙结构主要承担竖向压力和平面内水平向剪力，墙体平面外不承受荷载，以抵抗抗震工况作用为主。与之不同的，地下室墙板结构除了同地上剪力墙一样承受竖向压力和平面内水平剪力外，还在使用阶段承受较大的平面外水土压力，其结构受力兼具楼板和墙体的特性，相比地上剪力墙受力更为复杂。因此，现有地上剪力墙技术不适用于地下维护墙的设计。目前，地下建筑工程维护墙体模块化的研究资料较少，未详尽说明模块制作、模块拼装、接缝构造、墙体转角处理、防火抗暴等技术措施，其性能可靠度无从论证，还未出现地下建筑工程维护墙体模块化拼装建造的成熟技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种蜂窝钢箱混凝土墙板模块，可承担墙板平面内和平面外荷载，承载能力大；制作与组装简便，适用范围广；接缝受力性能好，结构可靠性高，特别适用于地下室外墙的工业化建造。

相应地，本发明同时提供该蜂窝钢箱混凝土墙板模块的制作方法，以及一种由该蜂窝钢箱混凝土墙板模块拼装建成的墙体。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：对于蜂窝钢箱混凝土墙板模块，包括槽钢底梁、沿竖直方向叠设的多件蜂窝梁，槽钢底梁两端连接有垂直于槽钢底梁腹板、并在槽钢底梁腹板宽度方向倾斜设置的斜向端板；蜂窝梁两端连接有垂直于蜂窝梁腹板、并在蜂窝梁腹板宽度方向倾斜设置的斜向端板；相邻两件蜂窝梁之间翼缘板竖向焊接、相邻两件蜂窝梁之间同侧斜向端板竖向焊接；最下层一件蜂窝梁的翼缘板与槽钢底梁的翼缘板竖向焊接、最下层一件蜂窝梁的斜向端板与槽钢底梁同一侧的斜向端板竖向焊接，使得斜向端板、槽钢底梁与蜂窝梁组合形成顶面敞开、外部封闭、内部具有蜂窝隔板的钢箱，钢箱内具有灌注满并捣实的混凝土，槽钢底梁腹板外侧中间位置连接有钢板制成的抗剪键，混凝土顶部设有与抗剪键相适配的混凝土凹槽，钢箱两端的斜向端板设有浇筑排气孔。

进一步的是：相邻两件蜂窝梁之间的隔板孔在竖直方向对齐设置，形成竖直设置的浇筑孔；钢箱内部的水平区格内设置有水平向钢筋笼，浇筑孔内设置有竖向钢筋笼。

进一步的是：斜向端板倾斜角度根据结构内力分析计算得到，计算方式为:模块分缝处为刚性连接，分缝点取在墙体水平跨度的弯矩反弯点，分缝点截面压力为N,分缝点截面剪力为V，斜向端板倾斜角度a＝arcsin(V/N)；钢箱整体为直线型或L型。

进一步的是：钢箱内表面具有花纹或焊接有抗剪栓钉。

进一步的是：斜向端板均为花纹钢板，钢箱一端的斜向端板外表面具有凸起花纹、另一端的斜向端板外表面具有凹陷花纹，凸起花纹与凹陷花纹形状规格相适配。

进一步的是：钢箱一端的斜向端板外表面设有横向连接抗剪键，另一端的斜向端板外表面具有与横向连接抗剪键相适配的凹槽。

对于上述蜂窝钢箱混凝土墙板模块的制作方法，步骤为：

步骤一、将带有浇筑排气孔的斜向端板、槽钢底梁、蜂窝梁焊接形成外部封闭、顶面敞开、内部具有蜂窝隔板的钢箱，槽钢底梁腹板外侧中部焊接抗剪键；

步骤二、采用混凝土输送管，从中空蜂窝深入底部浇筑混凝土，并随浇筑进度逐渐提升混凝土输送管，完成混凝土浇筑；浇筑过程中钢箱内气体从两端的浇筑排气孔排出；浇筑过程中混凝土振动捣实，振动捣实通过设置振动台或振捣棒或模板附着震动器实现；

步骤三、混凝土养护，得到成品；混凝土养护过程中，其顶面采用具有凸起的模板封闭，混凝土达到设计强度后拆除模板，形成混凝土凹槽。

进一步的是：蜂窝梁的制作方法为：

制作直线型的蜂窝梁时，将第一H型钢斜向切割得到两块斜腹板H型钢；将第二H型钢沿锯齿状切割线分为上下两个齿状T型钢；两个齿状T型钢的腹板凸起部分对接，切除端部废料，焊接得到直线型的蜂窝梁坯体，蜂窝梁坯体两端焊接斜腹板H型钢和带有浇筑排气孔的斜向端板，得到直线型的蜂窝梁；

制作L型的蜂窝梁时，将直线型的蜂窝梁斜向切割得到一件长臂蜂窝梁和一件短臂蜂窝梁，长臂蜂窝梁和短臂蜂窝梁旋转后在斜向切割面重新对接，焊接得到L型的蜂窝梁。

对于墙体，由多件上述的蜂窝钢箱混凝土墙板模块拼接形成；在水平向拼接时，相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块通过斜向端板对接，然后将相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块的斜向端板的边缘焊接成一整体；在竖向拼接时，相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块通过抗剪键与混凝土凹槽咬合对接，然后将相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板的边缘钢板焊接成一整体。

进一步的是：相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块在拼接部的凹槽和凹纹内填充结构胶，通过结构胶粘接后再焊接；在竖向拼接时，相邻两层的蜂窝钢箱混凝土墙板模块错缝拼接。

本发明的有益效果是：本发明是建立在建筑工业化拼装结构、蜂窝梁、型钢混凝土组合结构、花纹钢板等成熟技术的基础之上，技术可靠，施工简便、工法完整精细、适用范围广。

本发明模块可同时承担平面内和平面外荷载，相比地上剪力墙结构和楼板结构仅承担平面内或平面外荷载相比，承担复杂荷载的能力更强，特别适用于地下室外墙的建造。

本发明实现了地下室墙板的模块化建造，模块可根据不同建造条件、要求进行设计拼装。模块工厂化生产，质量高，对施工现场周围环境的影响小。

本发明模块可自由组合为不同尺寸的墙体，可建造具有刚性转角的墙体，适用条件更广。

本发明实现了墙板模块的刚性连接，接缝简便可靠，可传递剪力、弯矩、压力，防水性能好。

模块采用型钢切割拼装制作而成，工艺流畅、简便易行、质量可靠、材料利用率高。在钢箱内浇筑混凝土，相比钢筋混凝土构件省去了钢筋下料、绑扎、模板组装、拆解工序，施工简便快速。

本发明为新型型钢混凝土组合结构，刚度大、承载力高，不受钢筋混凝土构件配筋率及轴压比的限制，可用于承受重型荷载的构件。

钢箱内表面设置花纹，混凝土与钢板形成咬合力，钢板与混凝土之间的抗剪强度大幅增加，钢箱混凝土模块平面外弯曲时可充分发挥钢板强度。

钢箱内置钢筋笼，形成二道防线，可应对火灾爆炸等偶然工况。

附图说明

图1是钢箱平面焊接图；

图2是钢箱竖向焊接图；

图3是蜂窝钢箱混凝土墙板模块的平面图；

图4是蜂窝钢箱混凝土墙板模块的立面图；

图5是钢箱平面配筋图；

图6是钢箱竖向配筋图；

图7是模块平面拼装施工图；

图8是模块竖向拼装施工图；

图9是模块拼装后墙体立面图；

图10是第一H型钢切割线示意图；

图11是第一H型钢切割后示意图；

图12是第二H型钢切割线示意图；

图13是第二H型钢切割后示意图；

图中标记：1-槽钢底梁、2-蜂窝梁、3-斜向端板、4-钢箱、5-混凝土、6-抗剪键、7-混凝土凹槽、8-浇筑孔、9-混凝土输送管、10-振动台、11-模板、12-第一H型钢、13-斜腹板H型钢、14-第二H型钢、15-齿状T型钢、16-长臂蜂窝梁、17-长臂蜂窝梁、18-切割线A、19-切割线B、20-废料、21-构件A、22-构件B、23-构件C、24-构件D、25-竖向纵筋、26-竖向分布箍筋、27-水平纵筋、28-水平分布箍筋、29-地下岩土、30-水平构件接缝、31-竖向构件接缝、32-焊缝、33-结构胶、34-蜂窝钢箱混凝土墙板模块A、35-蜂窝钢箱混凝土墙板模块B、36-蜂窝钢箱混凝土墙板模块C、37-上层蜂窝钢箱混凝土墙板模块、38-下层蜂窝钢箱混凝土墙板模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1～图4所示，对于蜂窝钢箱混凝土墙板模块，包括槽钢底梁1、沿竖直方向叠设的多件蜂窝梁2，槽钢底梁1两端连接有垂直于槽钢底梁1腹板、并在槽钢底梁1腹板宽度方向倾斜设置的斜向端板3，蜂窝梁2两端连接有垂直于蜂窝梁2腹板、并在蜂窝梁2腹板宽度方向倾斜设置的斜向端板3，相邻两件蜂窝梁2之间翼缘板竖向焊接、相邻两件蜂窝梁2之间同侧斜向端板3竖向焊接、最下层的一件蜂窝梁2的翼缘板与槽钢底梁1的翼板竖向焊接、最下层的一件蜂窝梁2的斜向端板3与槽钢底梁1同一侧的斜向端板3竖向焊接，使得斜向端板3、槽钢底梁1与蜂窝梁2组合形成顶面敞开、外部封闭、内部具有蜂窝隔板的钢箱4，钢箱4内具有灌注满并捣实的混凝土5，槽钢底梁1腹板外侧中间位置连接有钢板制成的抗剪键6，混凝土5顶部设有与抗剪键6相适配的混凝土凹槽7，钢箱4两端的斜向端板3设有浇筑排气孔。其中，槽钢底梁1与蜂窝梁2可以直接采用下料后的钢板焊接而成，但会增加焊缝的数量，从而降低结构可靠性，增加工序；因而，蜂窝梁优选采用H型钢切割焊接制作，而槽钢底梁1直接采用槽钢。斜向端板3倾斜角度根据结构内力分析计算得到，以使模块水平接缝主要承受压力，减小接缝剪力，其计算方式为:模块分缝处为刚性连接，分缝点取在墙体水平跨度的弯矩反弯点，分缝点截面压力为N,分缝点截面剪力为V，斜向端板3倾斜角度a＝arcsin(V/N)。

该蜂窝钢箱混凝土墙板模块的制作步骤为：

步骤一、将带有浇筑排气孔的斜向端板3、槽钢底梁1、蜂窝梁2焊接形成外部封闭、顶面敞开、内部具有蜂窝隔板的钢箱4，槽钢底梁1腹板外侧中部焊接钢板制成的抗剪键6；

步骤二、采用混凝土输送管9，从中空蜂窝深入底部浇筑混凝土5，并随浇筑进度逐渐提升混凝土输送管9，完成混凝土5浇筑；浇筑过程中钢箱4内气体从两端的浇筑排气孔排出；浇筑过程中混凝土5振动捣实，振动捣实通过设置振动台10或振捣棒或模板附着震动器实现；

步骤三、混凝土5养护，得到成品；混凝土5养护过程中，其顶面采用具有凸起的模板11封闭，混凝土5达到设计强度后拆除模板11，形成混凝土凹槽7。

本发明的钢箱4内蜂窝状结构腹板有效连接钢箱4表面钢板，形成格构结构，可有效抵抗平面外荷载。钢箱4内灌注混凝土后，蜂窝腹板限制了钢箱4表面钢板与钢箱4内混凝土之间的相对滑移，使两者协同受力以充分发挥钢材和混凝土的材料强度，材料利用率得到提高。

为使模块可自由组合为不同尺寸的墙体，同时可拼装带刚性转角的墙体，钢箱4整体为直线型或L型，可根据需要选择直线型和L型的模块进行自由组合。如图1、图10～图13所示，本发明中蜂窝梁2优选采用的制作方法为：

制作直线型的蜂窝梁2时，将第一H型钢12斜向切割得到两块斜腹板H型钢13；将第二H型钢14沿锯齿状切割线分为上下两个齿状T型钢15；两个齿状T型钢15的腹板凸起部分对接，切除端部废料20，焊接得到直线型的蜂窝梁坯体，蜂窝梁坯体两端焊接斜腹板H型钢13和带有浇筑排气孔的斜向端板3，得到直线型的蜂窝梁2；

制作L型的蜂窝梁2时，将直线型的蜂窝梁2斜向切割得到一件长臂蜂窝梁16和一件短臂蜂窝梁17，长臂蜂窝梁16和短臂蜂窝梁17旋转后在斜向切割面重新对接，焊接得到L型的蜂窝梁2。

在蜂窝梁2的制作过程中，还可将各构件全部切割完成后再进行统一焊接。以L型的蜂窝梁2制作为例，如图10、图11所示，沿切割线A18将第一H型钢12切割得到两块斜腹板H型钢13；如图12、图13所示，沿切割线B19将第二H型钢14切割得到构件A21、构件B22、构件C23、构件D24以及两件废料20；如图1所示，构件A21和构件B22组成长臂蜂窝梁16，构件C23、构件D24组成短臂蜂窝梁17，最后将上述构件及斜向端板3焊接，得到L型的蜂窝梁2。

采用本发明中的蜂窝梁2制作方法，制作简便、节省材料，只有两块较小的废料20产生。

为方便在钢箱4内浇筑混凝土5，相邻两件蜂窝梁2之间的隔板孔在竖直方向对齐设置，形成竖直设置的浇筑孔8。另外，如图5、图6所示，钢箱4内部的水平区格内设置有水平向钢筋笼，浇筑孔8内设置有竖向钢筋笼，可提高模块刚度和承载力，并形成多道防线应对火灾爆炸等偶然工况。竖向钢筋笼由竖向纵筋25和竖向分布箍筋26组成；水平向钢筋笼由水平纵筋27和水平分布箍筋28组成。

钢箱4内表面具有花纹或焊接有抗剪栓钉，混凝土5与钢箱4内壁凸出结构咬合，以加强钢板与混凝土5之间的抗剪能力，形成变形协调的整体。

如图7～图9所示，对于墙体，由多件上述的蜂窝钢箱混凝土墙板模块拼接形成；在水平向拼接时，相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块通过斜向端板3对接，然后将相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块的斜向端板3的边缘焊接成一整体；在竖向拼接时，相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块通过抗剪键6与混凝土凹槽7咬合对接，然后将相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块的边缘钢板焊接成一整体。模块接缝位置根据受力条件确定，水平向拼接时，采用斜接缝主要承担压力，减小了接缝界面的剪力；模块竖向接缝采用抗剪键和内外表面钢板焊接的方式，可有效传递内力。另外，相邻两件蜂窝钢箱混凝土墙板模块在拼接部通过结构胶33填充凹槽和凹纹后再焊接；为提高墙体的整体性，在竖向拼接时，相邻两层的蜂窝钢箱混凝土墙板模块错缝拼接。墙体拼装完毕后可通过涂刷防火涂料或外挂防火防爆板的方式对墙体内侧进行防护，墙体外侧通过预留钢板锈蚀厚度的方式确保使用周期中的结构可靠度。

实施时，模块水平向拼接成墙后，再逐层进行竖向拼接。首先在本层顶部的混凝土凹槽7内灌注结构胶33，将上层模块底部的抗剪键6插入本层混凝土凹槽7内。将上下层模块的内外表面钢板对焊连接，从而完成模块的竖向拼接。

在水平向拼接时，斜向端板3优选设置有抗剪结构，模块水平接缝采用抗剪结构和内外表面钢板焊接的方式，有效传递内力，可提高墙体整体强度。

抗剪结构可以为以下两种实施方式：

第一种实施方式为：斜向端板3均为花纹钢板，钢箱4一端的斜向端板3外表面具有凸起花纹、另一端的斜向端板3外表面具有凹陷花纹，凸起花纹与凹陷花纹形状规格相适配。实施时，首先在接缝处花纹钢板凹陷花纹内涂抹结构胶33，然后将两个模块端部对接，以使花纹钢板界面凹凸部分互相咬合，再将模块内外表面的相邻钢板进行对焊连接，从而完成模块的水平向拼接。

第二种实施方式为：钢箱4一端的斜向端板3外表面设有横向连接抗剪键，另一端的斜向端板3具有与横向连接抗剪键相适配的凹槽。实施时，首先在接缝处斜向端板3的凹槽内灌注结构胶33，然后将两个模块端部对接，使横向连接抗剪键插入该凹槽内，再将模块内外表面的相邻钢板进行对焊连接，从而完成模块的水平向拼接。