CN108999289B - 数字生形混凝土板壳制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字生形混凝土板壳制造工艺，包括以下步骤：1）对所述板壳的模板支架建模，利用数字生形技术制造并安装板壳的模板支架，最终成形的模板支架由若干支架单元相互连接构成；2）在模板支架的上方或下方铺设织物模板，所述织物模板与模板支架固定；3）在模板支架上方铺设碳纤维网格栅做筋；4）向模板支架喷射混凝土生成混凝土板壳。本发明的工艺方法不但制造简单、成本低，且尤其适用于大跨度空间的异形混凝土板壳。

Description

数字生形混凝土板壳制造工艺
技术领域
本发明涉及一种数字生形混凝土板壳制造工艺，属于混凝土结构技术领域。
背景技术
现有的混凝土板壳构件具有重量大、体积大、防裂抗渗功能差等缺点，从而造成在制作、运输、安装、维护、安全等成本的增加且费工费力。另外，大跨度空间的异形混凝土板壳（如蛇形展览馆的屋顶壳体等）难以制造，通过使用外部挂接建筑蒙皮的方法制成，不能用作承力件。
另外，现有的混凝土板壳多为钢筋混凝土结构，但在长期不利的自然环境和使用条件下，施工、使用和环境等造成结构裂缝，混凝土对内部的钢筋逐渐失去保护，当有害腐蚀性气体进入结构内部，与水结合形成的酸性物质将钢筋腐蚀，造成钢筋力学性能退化、混凝土截面性能损伤、钢筋和混凝土之间的粘结性能下降等后果，从而降低构件的承载能力，直接影响构件使用安全。同时，混凝土暴露在外会受到空气中二氧化碳对混凝土的碳化作用，混凝土对其内部钢材的保护作用也会逐渐丧失，当钢筋周围的混凝土完全碳化后，钢筋会逐渐锈蚀、膨胀，同样会破坏结构的安全性，其抗拉伸性能和抗弯折性能都会大打折扣。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种制造简单、成本低尤其适用于大跨度空间的异形混凝土板壳的制造工艺。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种数字生形混凝土板壳制造工艺，包括以下步骤：
1）对所述板壳的模板支架建模，利用数字生形技术制造并安装板壳的模板支架，最终成形的模板支架由若干支架单元相互连接构成；
2）在模板支架的上方或下方铺设织物模板，所述织物模板与模板支架固定；
3）在模板支架上方铺设碳纤维网格栅做筋；
4）向模板支架喷射混凝土生成混凝土板壳。
需要说明的是，数字生形为现有技术，可参考《数字化结构性能生形研究》（作者：袁烽，《西部人居环境学刊》，2014 (6):6-12）。数字生形技术可基于板壳的结构性能将板壳作为结构原型，很容易地生成流动、连续的大跨度空间。有限元法为结构性能生形工具的开发提供了有力支持，20世纪90年代出现的渐进结构优化算法能够实现基于结构性能的受力，逐步去除结构体中低应力生成最优结构形态。
本发明中“上方”、“下方”仅仅为了描述方便，并不是对本发明的限定，比如根据需要可以选择“内侧”或“外侧”，等等。
本发明带来的有益效果是：1）本发明利用数字生形技术制作板壳的模板支架，把模板支架分解成若干连续的支架单元，支架单元制造相对简单，可采用机器人木构、金属加工等技术手段生成，实现了空间上的任意异形结构，尺寸精准，结构合理，且施工简便，成本较低，解决了大尺寸板壳支架整体制造困难的问题，而且生成的模板支架整体承受压力，去除了模板支架中的低应力生成，实现了参数化设计的仿生混凝土结构。本发明实现了空间上的任意异形结构，施工简便，成本低，当制得的板壳用作屋顶等时可直接作为受力结构，与现有技术相比，简化了施工工艺。
2）碳纤维网格栅为柔性结构，可以铺设在任意异形的模板支架表面，从而使用碳纤维网格栅替代钢筋作为筋，碳纤维网格栅具有超强抗拉性能，即使混凝土破裂，也不会降低碳纤维筋的抗拉性能，而且用碳纤维网格栅代替钢筋，不像钢筋一样需要碱性的钝化膜保护层，能消除因钢筋锈蚀导致板壳承载力降低的问题，因此可以减少水泥的用量，减轻了板壳的自重，促进了配套的混凝土向超高性能领域发展，保护了生态环境。
3）织物模板可以将喷射后的混凝土内的水分滤出，从而提高了混凝土强度。
4）织物模板铺设在模板支架的下方时，模板支架作为板壳的骨架，并与碳纤维网格栅成为混凝土板壳的加筋结构，提高了混凝土板壳的强度。此时，模板支架最好采用钢或混凝土制成。
上述技术方案的进一步改进是：所述碳纤维网格栅由碳纤维束编织制成，所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和/或纬向碳纤维束中设有SMA形状记忆合金丝；所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和纬向碳纤维束之间的交叉点通过扎丝捆扎固定从而使碳纤维网格栅形成三维点阵结构。因为SMA形状记忆合金丝具有超弹性、耗能、自恢复的效果，能够快速消耗地震带来的巨大能量，达到抗震的效果。另外，经向碳纤维束和纬向碳纤维束之间的交叉点通过扎丝捆扎固定从而使碳纤维网格栅形成三维点阵结构，使整个编织结构具有耗能可恢复的效果。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是碳纤维网格栅的结构示意图。
图3是图2中A部的放大图。
图4是一种异形模板支架的示意图。
附图标记：织布模板1，模板支架2，碳纤维网格栅3，混凝土4，碳纤维束5，扎丝6。
具体实施方式
实施例
本实施例的数字生形混凝土板壳制造工艺，用于生成图1所示的拱形板壳结构，包括以下步骤：
1）对所述板壳的模板支架2建模，利用数字生形技术制造并安装板壳的模板支架2，最终成形的模板支架2由若干支架单元相互连接构成。
已知板壳的设计形状后，可以很容易地通过现有技术获取模板支架的形状，例如可根据板壳的下表面向下向内延伸预定厚度等得到。
通过数字生形技术可以生成几乎任意形状的模板支架，比如图4所示的异形形状。支架单元优选采用Y形单元，支架单元之间通过三个节点相互连接。
2）在模板支架2的上方或下方铺设织物模板1，所述织物模板1与模板支架2固定。图1中所示，织物模板1铺设在模板支架2的下方，此时模板支架2最好采用钢或混凝土制成，当模板支架2由混凝土制成时，可在混凝土内掺杂有钢纤维段或PP纤维段以提高强度。
当然织物模板1也可以在模板支架2的上方，此时模板支架2不再作为加筋结构，可选择多种现有材料，不仅限于钢和混凝土。
织物模板1可以采用无纺布等材料，织物模板1与模板支架2通过针线或者夹具等固定在一起。
3）在模板支架2上方铺设碳纤维网格栅3做筋。碳纤维网格栅3具有柔性，可以铺设在任意形状的模板支架2上。如图2和图3所示，碳纤维网格栅3由碳纤维束5编织制成，所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和/或纬向碳纤维束中设有SMA形状记忆合金丝。所述碳纤维束5可由20K-60K根碳纤维丝组成。
如图3所示，所述碳纤维网格栅3的经向碳纤维束和纬向碳纤维束之间的交叉点通过扎丝6捆扎固定从而使碳纤维网格栅形成三维点阵结构。扎丝6优选为锦纶丝或涤纶丝。
4）向模板支架2喷射混凝土生成混凝土板壳。
本实施例还可以作以下改进：碳纤维网格栅3由碳纤维束编织制成，所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和/或纬向碳纤维束中设有SMA形状记忆合金丝；所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和纬向碳纤维束之间的交叉点通过扎丝捆扎固定从而使碳纤维网格栅形成三维点阵结构。一般情况下，可在一束碳纤维束中间设置一根SMA形状记忆合金丝。
本发明不局限于上述实施例的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字生形混凝土板壳制造工艺，包括以下步骤：
1）对所述板壳的模板支架建模，利用数字生形技术制造并安装板壳的模板支架，最终成形的模板支架由若干支架单元相互连接构成；
2）在模板支架的下方铺设织物模板，所述织物模板与模板支架固定；
3）在模板支架上方铺设碳纤维网格栅做筋；
4）向模板支架喷射混凝土生成混凝土板壳，模板支架作为混凝土板壳的骨架，并与碳纤维网格栅成为混凝土板壳的加筋结构。
2.根据权利要求1所述的数字生形混凝土板壳制造工艺，其特征在于：所述碳纤维网格栅由碳纤维束编织制成，所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和/或纬向碳纤维束中设有SMA形状记忆合金丝；所述碳纤维网格栅的经向碳纤维束和纬向碳纤维束之间的交叉点通过扎丝捆扎固定从而使碳纤维网格栅形成三维点阵结构。
3.根据权利要求2所述的数字生形混凝土板壳制造工艺，其特征在于：所述扎丝为锦纶丝或涤纶丝。
4.根据权利要求2或3所述的数字生形混凝土板壳制造工艺，其特征在于：所述碳纤维束由20K-60K根碳纤维丝组成。
5.根据权利要求2所述的数字生形混凝土板壳制造工艺，其特征在于：所述SMA形状记忆合金丝位于碳纤维束中间。
6.根据权利要求1-3之任一项所述的数字生形混凝土板壳制造工艺，其特征在于：所述模板支架由混凝土制成，所述混凝土内掺杂有钢纤维段或PP纤维段。
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