一种高耐久性配筋式永久性模板、混凝土结构构件及设计、制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高耐久性配筋式永久性模板、混凝土结构构件及设计、制造方法，属于建筑模板及其设计方法【技术领域】。采用本发明技术方案，可以获得一种具有良好强度、刚度和连接性能的、在浇筑结构构件时无需额外配筋的永久性模板。解决了永久性模板的连接问题，使用时的钢筋布置问题和混凝土振捣阶段的较难正常使用的问题。进一步地，采用本发明所述的设计方法，可以定量化设计永久性模板及其形成构件，使得构件各处的承载力和耐久性均满足使用要求；可以实现材料的最大化利用，从而降低其成本。在此基础上，本发明所述技术方案简化了使用永久性模板的浇筑施工，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种高耐久性配筋式永久性模板、混凝土结构构件及设计、制造方法
【技术领域】
[0001]本发明专利属于建筑模板及混凝土结构构件以及它们的设计、制造【技术领域】，可应用于工业与民用建筑结构、水工结构、港海结构、桥涵隧洞等场合。
【背景技术】
[0002]国内建筑领域中，工业与民用建筑结构、水工结构、港海结构、桥涵隧洞等通常使用木模板、钢模板等模板，存在消耗量大、拆装不便、周转费用高、利用率低等不利因素。传统情况下的结构中普通混凝土表面自然裸露，耐久性较低。为解决上述问题，使用高耐久性材料制作永久性模板代替传统模板来进行建筑结构的建造，已广泛受到工程界的关注。申请号为201210159849.4的专利《一种双向龙骨嵌扣式可拼装防裂防渗永久性模板》、申请号为201210293145.6的专利《一种互扣式可拼装防裂防渗永久性梁模板》等系列专利公开了采用高耐久性材料制作永久性模板的相关技术，提供了永久性模板的新结构形式和使用方法。
[0003]然而，在永久性模板的逐步进入工程应用的过程中，现有技术未能解决的新问题也随之出现，主要包括:1)如何解决永久性模板的连接问题，确保其连接部位强度和耐久性(控裂能力等)不低于其他部位；2)由于永久性模板结构设计与传统模板不同，如何解决使用永久性模板浇筑结构构件时钢筋布置困难以及连接处如何布置钢筋的问题；3)如何解决现有永久性模板强度和刚度偏低，在混凝土振捣阶段的较难正常使用的问题；4)如何定量化设计永久性模板及其形成构件，使得构件各处的承载力和耐久性均满足使用要求；5)由于制作永久性模板的高耐久性材料往往价格偏高，如何在定量化设计永久性模板力学性能和耐久性的基础上实现材料的最大化利用，从而降低其成本。
【发明内容】
[0004]本发明第一个目的是提供一种高耐久性配筋式永久性模板,解决上述永久性模板使用过程中所产生的问题。为此，本发明采用以下技术方案:
[0005]一种高耐久性配筋式永久性模板，其特征是，所述的高耐久性配筋式永久性模板由面板I和连接件2组成；所述面板具有第一连接部位，所述连接件具有第二连接部位，所述的第二连接部位可以与拼合后两块面板的第一连接部位扣合，且所述连接件处在拼合后两块面板的浇筑界面这一侧并与两块面板的第一连接部位相叠，所述面板的浇筑界面设有第一凸起，所述连接件的浇筑界面有第三凸起；面板的第一连接部位设置扣合用的凹槽，连接件的第二连接部位设置扣合用的第二凸起。所述面板和连接件选用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)制作，所述面板和连接件内部有用于代替使用所述永久性模板浇筑的混凝土结构构件中增强筋的增强筋，所述增强筋包括有钢筋。所述面板的第一连接部位有一个或多个；所述面板和连接件直接扣合或再通过粘结剂粘合组成所需尺寸和形状的模板。
[0006]进一步地，所述面板连接部位的凹槽深度和所述连接件的第二凸起高度为所述面板在不与连接件相叠部分中的最小厚度U1)的15%?40% ;所述面板非连接部位的第一凸起和所述连接件的三凸起高度为5?30mm。
[0007]进一步地，所述连接件增强筋中的受力主筋的两端不被超高韧性水泥基复合材料所包裹，其两端外露长度均为50?200mm。
[0008]进一步地，所用的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)，其拉应变能力达到I %以上，极限拉应变下裂缝宽度小于50?150 μ m。
[0009]本发明另一个目的是提供一种上述高耐久性配筋式永久性模板的设计方法，为此，本发明采用以下技术方案:所述的设计方法包括以下步骤:
[0010]I)确定所使用永久性模板的面板和连接件面积、数量和形式，使之与所需浇筑的混凝土结构构件形状主体相适配；
[0011]2)确定所述面板的最小厚度U1)，使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力(M)时，所述面板最大裂缝宽度满足目标宽度(Wmax)；
[0012]所述面板的最小厚度U1)由下式确定:
AlAl + ffXMbtI= —"^—叉 Tjl
■^C11I 3 J
[0013]*
-'W = (.Zy14l + aVHl7iI ) A —古一'^1......................-Xrl4l [ 一冬)
[0014]3)在已确定的所述面板最小厚度U1)的基础上,确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的面板最小配筋(fylAsl)；
[0015]所述最小配筋(fylAsl)由下述两式的任意一个确定:
[0016]Zyl 4 +σ?Η^ι=^!
^\CU I
[0017]+συΗΜ)?^ —?.....Hi!L - JylAsi mx -?
\ 2 AjJ} JV 2 J
[0018]4)令所述连接件的厚度(t2)与所述面板在不与连接件相叠部分的最小厚度U1)相等，即t2 = h，使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力时，所述连接件最大裂缝宽度同样满足目标宽度(Wniax)；
[0019]5)在已确定的所述连接件厚度(t2)的基础上，确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的连接件最小配筋(fy2As2)；
[0020]所述最小配筋(fy2As2)由下式确定:
/ , , , 、(， u K +avubL) { t \
[0021]M= (JrAi +orUH汾2)(Λ —^ f.■■■■■:■■■-Jyjj^
[0022]以上公式中，ε UH是所述面板所用超高韧性水泥基复合材料直接拉伸情况下稳态开裂阶段达到目标裂缝宽度(Wmax)的最大应变，σ UH是所述超高韧性水泥基复合材料直接拉伸情况下最大应变ε UH所对应的应力，b是所述面板的宽度，h是永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体一同形成的构件的高度，Hi1是所述面板内部受力主筋型心距处于面板浇筑界面对面的那一面的距离，fc是所浇筑的混凝土抗压强度，ε ^是所述混凝土压应力达到f。时所对应的压应变，ε cu是所述混凝土的极限压应变，fyl是所述面板内部受力主筋的屈服应力，Asl是所述面板内部受力主筋的截面积之和；fy2是所述连接件内部受力主筋的屈服应力，Asl是所述连接件内部受力主筋的截面积之和，m2是所述连接件的受力主筋型心距连接件不计第二凸起部分的面向面板的这一面的距离；
[0023]6)选择确定所述面板和连接件表面的第一凸起高度和凹槽深度、所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端外露长度参数。
[0024]本发明的述高耐久性配筋式永久性模板可采用以下方法制造，它包括以下步骤:
[0025]按照上述设计方法确定的面板和连接件的各项参数，配置面板和连接件的增强筋，采用浇筑的方式制造符合上述设计方法确定的各项参数的面板和连接件。
[0026]本发明另一个目的是提供一种运用上述永久性模板的混凝土结构构件。为此，本发明采用以下技术方案:
[0027]它包括使用上述永久性模板浇筑混凝土而成的形状主体，永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体连为一体，形状主体中不含增强筋。
[0028]进一步地，模板中的面板和连接件的各项参数按照上述设计方法确定。
[0029]由于采用本发明技术方案，可以获得一种具有良好强度、刚度和连接性能的、在浇筑结构构件时无需额外配筋的永久性模板。解决了永久性模板的连接问题，使用时的钢筋布置问题和混凝土振捣阶段的较难正常使用的问题。进一步地，采用本发明所述的设计方法，可以定量化设计永久性模板及其形成构件，使得构件各处的承载力和耐久性均满足使用要求；可以实现材料的最大化利用，从而降低其成本。在此基础上，本发明所述技术方案极大简化了使用永久性模板的浇筑施工(无需布置钢筋)，使得混凝土结构构件不仅制造程序更为简单、质量更高、成本更低。本发明的所述的永久性模板可以进行工业化生产，其设计方法也为永久性模板的规模化应用提供了技术支持，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明所述永久性模板结构示意图。
[0031]图2(a)是本发明所述永久性模板的面板⑴结构示意图
[0032]图2(b)是本发明所述永久性模板的面板(I)侧视图
[0033]图3(a)是本发明所述永久性模板的连接件(2)结构示意图
[0034]图3(b)是本发明所述永久性模板的连接件(2)侧视图
[0035]图4 (a)是本发明实施例所述永久性模板结构示意图
[0036]图4(b)是本发明实施例所述永久性模板浇筑完成后的板构件示意图
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明所提供技术方案的【具体实施方式】作进一步说明，本实施实例是对本发明的说明，而不是对本发明作出任何限定。
[0038]参照附图，本发明所提供的一种高耐久性配筋式永久性模板由面板I和连接件2组成；为了确保连接部位扣合处的抗弯、抗剪能力和尽可能增加接缝长度(延缓侵蚀质进入结构)，结合所使用超高韧性水泥基复合材料的自身特性，所述面板I具有第一连接部位，所述连接件2具有第二连接部位，所述的第二连接部位可以与拼合后两块面板的第一连接部位扣合，且所述连接件2处在拼合后两块面板的浇筑界面这一侧并与两块面板I的第一连接部位相叠，面板I的第一连接部位设置扣合用的凹槽12，连接件2的第二连接部位设置扣合用的第二凸起22。
[0039]面板第一连接部位的凹槽深度和所述连接件的第二凸起高度为所述面板在不与连接件相叠部分中的最小厚度U1)的15%?40%。为了确保面板和连接件与混凝土粘结界面的抗剪能力和协同变形能力，所述面板I的浇筑界面设有第一凸起13，所述连接件的浇筑界面有第三凸起23，高度为5?30mm。
[0040]所述永久性模板的面板的连接部位可以有若干个，并根据需要进行增加或减少；所述面板和连接件可以直接拼接或拼接的同时还通过粘结剂粘合组成所需尺寸和形状的模板。
[0041]所述永久性模板的面板和连接件内部均配置有增强筋(11和12)，这些增强筋替代了被浇筑主体内的增强筋。使得面板和连接件强度和刚度都极大地改善，通过调整配筋量可以使得连接件具有与面板相同甚至更高的性能，从而使得模板整体可以承担浇筑振捣过程中产生的各类荷载和振动。在配置增强筋的情况下，所述永久性模板可以具有足够的强度使得待浇筑构件(本发明混凝土结构构件的形状主体)不配置其他钢筋也能满足承载力和耐久性(裂缝控制等)的要求，从而避免了现有永久性模板浇筑结构构件(特别是连接处)钢筋布置困难的问题。与此同时，为了保证连接件侧面与混凝土的截面粘结，使得构件服役过程中裂缝不在此处首先开展，所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端不被超高韧性水泥基复合材料所包裹，其两端外露长度均为50?200mm。
[0042]以下以实例对本发明作进一步描述。本实施例的目标为使用所述高耐久性配筋式永久性模板及其设计方法完成某一板构件的模板设计，所述板构件为长方体，其长度a =3000mm,宽度b = 1000mm,高度h = 120mm,设计要求的极限抗弯承载力M = 24kN.m,裂缝控制目标为达到最大承载力前的最大裂缝宽度在Wmax = 0.15mm以内(GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中环境作用等级“E非常严重”、“F极端严重”下的裂缝宽度控制要求)。
[0043]本实施例中，所使用的烧筑用混凝土抗压强度fc = 24.0MPa,所述混凝土压应力达到f。时所对应的压应变ε ^ = 0.002，所述混凝土的极限压应变ε = 0.0033 ;所使用的超高韧性水泥基复合材料直接拉伸情况下稳态开裂阶段达到目标裂缝宽度=
0.15mm)的最大应变ε = 0.03，直接拉伸情况下应变ε m所对应的应力σ UH = 3.0MPa0
[0044]为了定量化的设计永久性模板及其形成构件，使得构件各处的承载力和耐久性均满足使用要求，并在此基础上实现材料的最大化利用，从而降低使用成本，永久性模板可采用以下方法涉及，包括下述步骤:
[0045]I)根据所述板构件为长度a = 3000mm、宽度b = 1000mm的长方体,本实施例所设计的模板包括长度为1000mm、宽度为100mm的面板(I)三块和长度为300mm、宽度为100mm的连接件(2)两块，两块连接件将三块面板，Hi1是所述面板内部主要受力钢筋型心距处于面板浇筑界面对面的那一面的距离，m2是所述连接件的受力主筋型心距连接件不计第二凸起部分的面向面板的这一面的距离，取Hi1 =m2 = 6mm,所述面板和连接件结构如图4(a)所示。
[0046]2)确定所述面板的最小厚度U1)，使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力(M = 24kN.m)时,所述面板最大裂缝宽度在Wmax = 0.15mm以内；
[0047]所述面板的最小厚度U1)由下式确定:
-ε( Is')
Λι4) + aVHblI =--—~ f<ph 1-^1
-%,+^UH I 3 sJ
[0048]*
M=( Jyi4l + ffVtM) Λ-^21...........jy11..............Lj — fy'Asl (OT1 — JI
[0049]上式中，fy2是所述面板内部主要受力钢筋的屈服应力，Asl是所述面板内部主要受力钢筋的截面积之和。
[0050]将各参数指标带入上式后得h = 19.8mm,取h = 20mm。
[0051]3)在已确定的所述面板最小厚度U1 = 20mm)的基础上,将各参数指标带入下式:
/ ξ J 4- CF r \f、
[0052]Μ=(/ν1Α^+συαΒιΛ\—-........- -ZvlAl
V 2lJcb J ' V 2/
[0053]确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的面板最小配筋(fylAsl=168kN)，因此使用间距为10mm的直径为8mm的HRB335钢筋，即(Φ 80100)。
[0054]4)令所述连接件的厚度(t2)与所述面板不与连接件相叠部分的最小厚度U1)相等，即1^ = 1^ = 20mm,使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力时,所述连接件最大裂缝宽度在Wmax = 0.15mm以内。
[0055]5)在已确定的所述连接件厚度(t2)的基础上，将各参数指标带入下式:
ff f~ ^ Hh/j.\
[0056]M-(Zy2As2 + σνΜΜ2) h — ?-■■.....沒:,^.—J — Zy2^2(M2 — fJ
[0057]上式中，fy2是所述连接件内部主要受力钢筋的屈服应力，Asl是所述连接件内部主要受力钢筋的截面积之和。
[0058]确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的面板最小配筋(fy2As2=225.54kN)，因此使用间距为70mm的直径为8mm的HRB335钢筋，即(Φ 8_。
[0059]6)选择确定所述面板和连接件表面的凸起高度和凹槽深度、所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端外露长度等其他参数。所述面板浇筑界面的连接部位的凹槽深度和所述连接件的面向面板的这一面的第二凸起高度均5_，所述所述面板的第一凸起和所述连接件的第三凸起高度为15mm，所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端外露长度均为150mmo
[0060]根据设计所得模板参数制作完成模板后，如图4(b)所示，将所述面板和连接件直接拼接组成所需模板并进行混凝土(3)浇筑，最后形成的混凝土结构钢结构构件(所述板构件)包括使用上述永久性模板浇筑混凝土而成的形状主体3，永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体连为一体，形状主体3中不含增强筋。
[0061]相对照地，在所述板构件设计过程中不采用本发明所述永久性模板及其设计方法，直接采用现有钢筋混凝土结构并根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》计算设计，在与面板(I)相同配筋条件下，即采用Φ8@100作为受拉区钢筋，所述受拉区钢筋型心到所述板构件受拉区边缘的距离m = 20mm，所设计得到的板构件极限抗弯承载力仅为16.2kN.m，最大裂缝宽度为Wmax = 0.28mm，仅满足GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中环境作用等级“B轻度”下的裂缝宽度控制要求。
[0062]因此，本实施例采用本发明所述高耐久性配筋式永久性模板及其设计方法可以提升所述板构件承载力(提升幅度在50%左右)，节省了钢筋用量，并可以将所述板构件服役过程中裂缝宽度控制在0.15mm以内，极大地提升了结构的耐久性和使用寿命。与此同时，浇筑所述板构件过程中无需其他配筋，在模板上直接浇筑混凝土即可完成施工，极大地简化了施工过程。
【权利要求】
1.一种高耐久性配筋式永久性模板，其特征是，所述的高耐久性配筋式永久性模板由面板(I)和连接件(2)组成；所述面板具有第一连接部位，所述连接件具有第二连接部位，所述的第二连接部位可以与拼合后两块面板的第一连接部位扣合，且所述连接件处在拼合后两块面板的浇筑界面这一侧并与两块面板的第一连接部位相叠，所述面板的浇筑界面设有第一凸起，所述连接件的浇筑界面有第三凸起；所述面板和连接件选用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)制作，所述面板和连接件内部有用于代替使用所述永久性模板浇筑的混凝土结构构件中增强筋的增强筋，所述增强筋包括有钢筋。
2.根据权利要求1所述的一种高耐久性配筋式永久性模板,其特征是,面板的第一连接部位设置扣合用的凹槽，连接件的第二连接部位设置扣合用的第二凸起。
3.根据权利要求2所述的一种高耐久性配筋式永久性模板，其特征是,面板第一连接部位的凹槽深度和所述连接件的第二凸起高度为所述面板在不与连接件相叠部分中的最小厚度U1)的15%?40% ;所述面板的第一凸起和所述连接件的第三凸起高度为5?30mmo
4.根据权利要求1所述的一种高耐久性配筋式永久性模板,其特征是,所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端不被超高韧性水泥基复合材料所包裹，其两端外露长度均为50 ?200mm。
5.根据权利要求1所述的一种高耐久性配筋式永久性模板，其特征是，所用的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)，其拉应变能力达到I %以上，极限拉应变下裂缝宽度小于50?150 μ m0
6.根据权利要求1所述的一种高耐久性配筋式永久性模板,其特征是,所述面板的第一连接部位有一个或多个；所述面板和连接件直接扣合或再通过粘结剂粘合组成所需尺寸和形状的模板。
7.—种混凝土结构构件，其特征在于它包括使用权利要求1所述永久性模板浇筑混凝土而成的形状主体，永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体连为一体，形状主体中不含增强筋。
8.权利要求1所述高耐久性配筋式永久性模板的设计方法，其特征是，面板的第一连接部位设置扣合用的凹槽，连接件的第二连接部位设置扣合用的第二凸起； 所述的设计方法包括以下步骤: 1)确定所使用永久性模板的面板和连接件面积、数量和形式，使之与所需浇筑的混凝土结构构件形状主体相适配； 2)确定所述面板在不与连接件相叠部分的最小厚度U1),使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力(M)时，所述面板最大裂缝宽度满足目标宽度(Wmax)； 所述面板的最小厚度U1)由下式确定:rI
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?I 3)在已确定的所述面板最小厚度U1)的基础上，确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的面板最小配筋(fylAsl)； 所述最小配筋(fylAsl)由下述两式的任意一个确定:
O( /yi4i +^mbtl=^f^fcM l---1- M=(fnAi +gUH蛘)〔A—i_ /yl4y^#1 j-/yt4,〔唧 4)令所述连接件的厚度(t2)与所述面板不与连接件相叠部分的最小厚度U1)相等，即t2 = ，使得使用所述模板的结构达到抗弯极限承载力时，所述连接件最大裂缝宽度同样满足目标宽度(Wniax); 5)在已确定的所述连接件厚度(t2)的基础上，确定使用所述模板的结构满足目标抗弯极限承载力所需的连接件最小配筋(fy2As2)； 所述最小配筋(fy2As2)由下式确定: M=Ifj2^2 +.........1l — Jjf2Ai2 M2-
Sk Zc J\ I).以上公式中，ε 是所述面板所用超高韧性水泥基复合材料直接拉伸情况下稳态开裂阶段达到目标裂缝宽度(《_)的最大应变，συΗ是所述超高韧性水泥基复合材料直接拉伸情况下最大应变ε UH所对应的应力，b是所述面板的宽度，h是永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体一同形成的构件的高度，Hi1是所述面板的增强筋中的受力主筋型心距处于面板浇筑界面对面的那一面的距离，fc是所浇筑的混凝土抗压强度，ε ^是所述混凝土压应力达到f。时所对应的压应变，ε CU是所述混凝土的极限压应变，fyl是所述面板的受力主筋的屈服应力，Asl是所述面板的受力主筋的截面积之和；fy2是所述连接件的受力主筋的屈服应力，As2是所述连接件的受力主筋的截面积之和，m2是所述连接件的受力主筋型心距连接件不计第二凸起部分的面向面板的这一面的距离； 6)选择确定所述面板和连接件表面的第一凸起高度和凹槽深度、所述连接件的增强筋中的受力主筋的两端外露长度参数。
9.权利要求1所述高耐久性配筋式永久性模板的制造方法，其特征在于它包括以下步骤: 按照权利要求7所述设计方法确定的面板和连接件的各项参数，配置面板和连接件的增强筋，采用浇筑的方式制造符合权利要求8所述设计方法确定的各项参数的面板和连接件。
10.一种混凝土结构构件，其特征在于它包括使用权利要求1所述永久性模板浇筑混凝土而成的形状主体，永久性模板在形状主体的混凝土浇筑凝结后与形状主体连为一体，形状主体中不含增强筋；模板中的面板和连接件的各项参数按照权利要求8所述设计方法确定。
【文档编号】G06F19/00GK104179351SQ201410410102
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】徐世烺, 黄博滔, 李庆华 申请人:杭州固华复合材料科技有限公司, 浙江大学