CN110258910A - 开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开孔薄钢板‑超高性能混凝土组合结构，所述组合结构包括：多个间隔分布的薄钢板，所有所述薄钢板形成一填充空间，所述填充空间的高度等于位于最外侧两个薄钢板的距离，所述填充空间的投影面等于所有所述薄钢板的正投影面的并集；同时，所述薄钢板上开设有若干位于所述填充空间的小孔；至少三个平行设置的限位件，每个所述限位件均穿设于所有所述薄钢板上，且三个所述限位件在同一薄钢板上的投影不共线；超高性能混凝土，其填充于所述填充空间内。本发明中开孔的薄钢板对超高性能混凝土中杂乱分布的钢纤维的取向约束作用以及阻裂作用，使其开裂强度及延性大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程应用领域，具体涉及一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构及其施工方法。
背景技术
板是建筑工程领域常用的一种结构形式，通常有钢筋混凝土板、压型钢板-混凝土组合板等，广泛应用于民用建筑、商业中心、办公楼、桥面板等。对于现有的钢筋混凝土板和压型钢板-混凝土组合板来说，其板易开裂、耐久性较差、抗震能力较弱，不具备抗爆性能。在防护工程中，常用的钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下会产生碎裂，碎片会造成二次伤害，因此，提高建筑工程领域中板的力学性能是有必要的。
同时，对于建筑工程领域中需要应用于尺寸或重量受限的场合，也要求板的尺寸小或重量轻，这种情况下，在使用相同材质的板时，其力学性能也会受到弱化影响。
因此，需要研发一种板，其在尺寸或重量受限的场合仍可满足承载能力。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构及其施工方法。
为达到以上目的，第一方面，本发明实施例提供一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，所述组合结构包括：
多个间隔分布的薄钢板，所有所述薄钢板形成一填充空间，所述填充空间的高度等于位于最外侧两个薄钢板的距离，所述填充空间的投影面等于所有所述薄钢板的正投影面的并集；同时，所述薄钢板上开设有若干位于所述填充空间的小孔；
至少三个平行设置的限位件，每个所述限位件均穿设于所有所述薄钢板上，且三个所述限位件在同一薄钢板上的投影不共线；
超高性能混凝土，其填充于所述填充空间内。
在上述技术方案的基础上，所述小孔阵列分布在所述薄钢板上。
在上述技术方案的基础上，所有所述薄钢板的正投影面重合。
在上述技术方案的基础上，相邻两个所述小孔的中心距为所述小孔直径的1.5～3倍。
在上述技术方案的基础上，所述超高性能混凝土包含钢纤维，所述小孔为圆孔，且所述圆孔的直径为所述钢纤维长度的1.5～3倍。
在上述技术方案的基础上，相邻两层所述薄钢板的净距为所述钢纤维的长度的1～2倍。
在上述技术方案的基础上，所述限位件包括：
一螺杆，其用于穿设于所有薄钢板上；
若干定位套筒，其依次套设于所述螺杆上，且所述定位套筒设于相邻两层所述薄钢板之间；
两螺母，其分别套设于所述螺杆的两端。
在上述技术方案的基础上，所述螺杆两端均超出所述薄钢板，超出的两部分分别与最外侧两个所述薄钢板形成两个保护填充空间，所述保护填充空间中均填充有超高性能混凝土。
第二方面，本发明实施例还提供一种如上述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的施工方法，所述施工方法包括：
预设一组模板，所有模板围合成一腔体；
将至少三个限位件平行设置，并在所有所述限位件上依次套设多个间隔分布的薄钢板；
将套设有薄钢板的限位件放置于所述腔体内；
向顶层的所述薄钢板浇筑超高性能混凝土，直至所述超高性能混凝土由下自上填充满所述腔体，形成开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构。
在上述技术方案的基础上，所述限位件包括螺杆、套设与所述螺杆的定位套筒、以及套设于螺杆两端的螺母；
所述在所有限位件上依次套设多个间隔分布的薄钢板的具体步骤包括：
在所述螺杆的一端套设一所述螺母；
在所述螺杆的另一端上依次套设多个薄钢板和每相邻两个薄钢板之间的定位套筒；
在所述螺杆的另一端上套设另一所述螺母。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其使用薄钢板和超高性能混凝土，薄钢板与超高性能混凝土的接触面积大，协同效果更好；多层间隔分布的薄钢板增大与超高性能混凝土的作用面积，可进一步抑制微裂纹的产生，提高组合结构的抗裂性能；同时，薄钢板的上下边界影响了两个相邻薄钢板间的超高性能混凝土中的钢纤维的空间取向，相较于超高性能混凝土中杂乱无章的钢纤维而言，使得平行于开孔薄钢板平面的钢纤维数量增多，提高了钢纤维的利用效率，增大了本发明的力学性能，即开孔的薄钢板对超高性能混凝土中杂乱分布的钢纤维的取向约束作用以及阻裂作用，使其开裂强度及延性大幅提高。
(2)经过合理设计的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，在同等承载能力情况下，开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的尺寸比普通钢筋混凝土板或配筋UHPC板更小更为轻盈，能应用于尺寸或重量受限的场合。
附图说明
图1为本发明实施例中开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的主视截面示意图；
图2为本发明实施例的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构在未浇筑超高性能混凝土之前的俯视图；
图3为本发明实施例中限位件的结构示意图；
图中：1、薄钢板；10、小孔；2、超高性能混凝土；3、限位件；31、螺杆；32、螺母；33、定位套筒。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例
参见图1所示，本发明实施例提供一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，所述组合结构包括：多个间隔分布的薄钢板1，所有所述薄钢板1形成一填充空间，所述填充空间的高度等于位于最外侧两个薄钢板1的距离，所述填充空间的投影面等于所有所述薄钢板1的正投影面的并集；同时，所述薄钢板1上开设有若干位于所述填充空间的小孔10；至少三个平行设置的限位件3，每个所述限位件3均穿设于所有所述薄钢板1上，且三个所述限位件3在同一薄钢板1上的投影不共线；在本发明实施例中，所述限位件3的数量为4个；超高性能混凝土2，其填充于所述填充空间内。
本实施例提供的一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，采用超高性能混凝土UHPC和板材，相较于现有技术中钢筋-超高性能混凝土组合板，其接触面积更大，协同效果更好，并且采用限位件3将多层带小孔10的薄钢板1间隔分布设置，可让超高性能混凝土2中的钢纤维流畅地穿过薄钢板1上的小孔，使得钢纤维分布在所有薄钢板1形成的填充空间中；位于多层薄钢板1之间的超高性能混凝土2中的钢纤维对超高性能混凝土中杂乱分布的钢纤维的取向约束作用以及阻裂作用，使其开裂强度及延性大幅提高。
同时，薄钢板1与超高性能混凝土2形成组合结构，可充分发挥钢板抗拉强度高、超高性能混凝土耐久性好且抗压强度高的特点，相比于钢筋-超高性能混凝土组合板的结构而言，钢材与UHPC的结合面积更大，协同作用更好，且经过合理设计的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，在同等承载能力情况下，开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的尺寸比普通钢筋混凝土板或钢筋-超高性能混凝土组合板更小更为轻盈，能应用于尺寸或重量受限的场合。
作为对本实施例的进一步完善与补充，所述小孔10阵列分布在所述薄钢板1上，小孔10分布的一种形式，规则均布，有利于流动的超高性能混凝土均匀地流动，避免填充空间中的超高性能混凝土分布不均。
进一步地，所有所述薄钢板1的正投影面重合。所有所述薄钢板1的正投影重合，在超高性能混凝土2进行浇注时，其浇注更为顺畅，避免超高性能混凝土在填充空腔中分布不均。
优选地，相邻两个所述小孔10的中心距为所述小孔10直径的1.5～3倍。在本实施例中，相邻两个所述小孔10的中心距为所述小孔10直径的2倍，使得超高性能混凝土能够顺畅地穿越小孔10且不至于堵塞小孔10，导致局部未浇密实，降低本发明的力学性能。
优选地，所述超高性能混凝土2包含钢纤维，所述小孔10为圆孔，且所述圆孔的直径为所述钢纤维长度的1.5～3倍。圆孔的设置可使超高性能混凝土与开孔薄钢板结合更紧密，提高其组合作用程度，且圆孔直径和钢纤维长度的关系设置适宜，有利于浇注密实，提高本发明的力学性能。
优选地，相邻两层所述薄钢板1的净距为所述钢纤维的长度的1～2倍。这样的设计便于超高性能混凝土2流入薄钢板1之间的空腔中且不至于间隔较大；由于薄钢板1的上下边界限制，影响了空腔内钢纤维的空间取向，使得平行于开孔薄钢板平面的钢纤维数量增多，提高了钢纤维的利用效率，增大了本发明的力学性能。
具体地，所述薄钢板1的板厚为1～4mm，使用薄钢板1并采用多层密集布置可增大与超高性能混凝土的作用面积，可进一步抑制微裂纹的产生，提高组合结构的抗裂性能。
优选地，所述限位件3设于四个相邻的所述小孔10的中心，且每相邻两个所述限位件3之间间隔5～15个小孔10。本实施例中，限位件的间距为7个孔距，限位件的设置主要起固定开孔薄钢板位置的作用，防止在自重、UHPC堆积、或施工过程中其他外力作用引起显著的变形。
作为发明实施例的一种优选方案，所述限位件3包括：一螺杆31，其用于穿设于所有薄钢板1上；若干定位套筒33，其依次套设于所述螺杆31上，且所述定位套筒33设于相邻两层所述薄钢板1之间；两螺母32，其分别套设于所述螺杆31的两端，用于将所有定位套筒33和薄钢板1固定安装。所述限位件3将五个开孔的薄钢板1相对固定设置并分离，其中，两个相邻薄钢板1之间的净距与它们之间设置的定位套筒的长度相同，使用定位套筒将薄钢板分离开来，还可使得多个间隔分布的薄钢板1之间相互平行，且螺杆的两端通过螺母固定。
优选地，所述螺杆31两端均超出所述薄钢板1，超出的两部分分别与最外侧两个所述薄钢板1形成两个保护填充空间，所述保护填充空间中均填充有超高性能混凝土2。所述超高性能混凝土完全包裹开孔的薄钢板1及限位件3，位于最上层的薄钢板1上方和最下层的薄钢板1下方的超高性能混凝土2形成开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的保护层，起保护的效果，因此，限位件3中的螺杆长度还可有效限制保护层的厚度。
进一步地，所述螺杆31两端超出所述薄钢板1形成的保护层的高度为5～10mm；在多次的试验中，我们发现，若保护层厚度超过10mm，保护填充空间中的超高性能混凝土部分不受开孔的薄钢板1的加强作用易开裂，若低于5mm的保护层厚度，保护层一旦开裂后，内部钢板易受腐蚀性介质侵入，导致耐久性不足。
具体地，在本发明实施例中，所述超高性能混凝土中不含粗骨料且，其坍落度不低于160mm，轴心抗拉强度不低于7MPa，立方体抗压强度不低于120MPa；所述超高性能混凝土施工过程中，具有较大的流动性，并辅以平板振动器进行振捣，使得超高性能混凝土浇注密实且高效。
综上所述，本发明实施例提供的组合结构，其结构简单、组合作用强、延性大、耐久性好，且具有良好的抗震、抗爆及耐久性能，在楼板结构、壳结构、桥面板、防护工程中具有广阔的应用前景。
本发明实施例还提供一种如上述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的施工方法，其所述施工方法包括：
步骤1：预设一组模板，所有模板围合成一腔体；
步骤2：将至少三个限位件3平行设置，并在所有所述限位件3上依次套设多个间隔分布的薄钢板1；在本发明实施例中，将四个限位件平行设置；
步骤3：将套设有薄钢板1的限位件3放置于所述腔体内；
步骤4：向顶层的所述薄钢板1浇筑超高性能混凝土2，直至所述超高性能混凝土2由下自上填充满所述腔体，形成开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构。
本发明实施例中，先将薄钢板1的框架搭建好，再向最上层的薄钢板1上浇筑超高性能混凝土2，其施工方式简单易操作，且使用该方法所制成的组合结构，组合作用强、延性大、耐久性好，且具有良好的抗震、抗爆及耐久性能，在楼板结构、壳结构、桥面板、防护工程中具有广阔的应用前景。
具体地，所述限位件3包括螺杆31、套设与所述螺杆31的定位套筒33、以及套设于螺杆31两端的螺母32；所述在所有限位件3上依次套设多个间隔分布的薄钢板1的具体步骤包括：
步骤A：在所述螺杆31的一端套设一所述螺母；
步骤B：在所述螺杆31的另一端上依次套设多个薄钢板1和每相邻两个薄钢板1之间的定位套筒33；
步骤C：在所述螺杆31的另一端上套设另一所述螺母32。
在本发明实施例中，所述限位件3将五个开孔的薄钢板1相对固定设置并分离，其中，两个相邻薄钢板1之间的净距与它们之间设置的定位套筒的长度相同，使用定位套筒将薄钢板分离开来，还可使得多个间隔分布的薄钢板1之间相互平行，且螺杆的两端通过螺母固定。
作为本发明实施例的一种优选方式，所述螺杆31两端均超出所述薄钢板1；所述施工方法还包括：向顶层的薄钢板1浇筑超高性能混凝土2，直至所述超高性能混凝土2由下自上填充直至完全浇没所述螺杆31。所述超高性能混凝土完全包裹开孔的薄钢板1及限位件3，位于最上层的薄钢板1上方和最下层的薄钢板1下方的超高性能混凝土2形成开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的保护层，起保护的效果，因此，限位件3中的螺杆长度还可有效限制保护层的厚度。
本发明实施例中提供的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的施工方法简单，且先将组合结构的内部框架搭建起来在进行浇注，不仅能够保证该组合结构的整体性，还能够一次浇注完工，施工便利快速。
众所周知，超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)是一种新型的水泥基复合材料，基于最紧密堆积理论研制而成，具有超高的力学性能及耐久性能。一般来说，超高性能混凝土中杂乱分布的钢纤维可增大其抗拉强度及韧性，因此，超高性能混凝土在结构抗震设计及防护结构中具有重要的应用。
更为详尽地，为探究开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的力学性能，将本发明实施例提供的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构与普通钢筋混凝土板、配筋超高性能混凝土组合板在力学性能上的差异性，进行了对比试验，研究其在开裂强度、极限抗弯承载力、延性上的提升情况。
本次试验共设计了3类板试件，P1为普通钢筋混凝土板，P2为配筋UHPC板，P3为开孔薄钢板-UHPC组合板，3类板的外边界尺寸相同，长宽高分别为1200mm、208mm、130mm。由于普通混凝土无法流畅地穿过薄钢板上的小孔，因此，本次试验未使用开孔薄钢板-普通混凝土组合板作为比对对象。
3类板的材料及内部构造描述如下：
P1：采用C50混凝土浇筑，实测C50混凝土立方体抗压强度为62.3MPa，抗折强度为7.5MPa，内部布置了两层钢筋网，钢筋网间距为80mm×80mm，采用10mm直径HRB400钢筋，保护层厚度为15mm；
P2：在P1板材料及内部构造的前提下，将C50浇筑改用UHPC120浇筑，实测UHPC120立方体抗压强度为131.7MPa，轴心抗拉强度为9.8MPa；
P3：与P2板的不同的是，将内部钢筋网用5层开孔薄钢板替换，薄钢板的板厚为2mm，选用Q460钢，开孔直径为13mm，开孔中心距为26mm，相邻薄钢板净距为26mm，净保护层厚度为8mm。
试验加载方式如下：
采用四点对称加载，支撑点距离板边缘100mm，两加载点间距300mm，按位移控制匀速加载。
试验的主要结论如下：
| 试件类别 | 开裂强度kN | 延性mm |
| P1 | 8.3 | 15.9 |
| P2 | 32.4 | 25.6 |
| P3 | 50.8 | 48.1 |
配筋UHPC板与普通钢筋混凝土板相比，开裂强度及延性具有较大的提升，分别是普通钢筋混凝土板的6.1倍和3.0倍；开孔薄钢板-UHPC的组合板相比于配筋UHPC板，开裂强度延性进一步提高，分别是其1.6倍和1.9倍。
综上所述，由于开孔薄钢板对UHPC层中钢纤维的取向约束作用以及阻裂作用，使其开裂强度及延性大幅提高，为普通钢筋混凝土板的6.1倍和3.0倍。从试验结论可知，将开孔薄钢板应用于对表面裂缝控制严格的构件以及抗震、抗爆等防护结构中，将具有优异的力学性能。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所述组合结构包括：
多个间隔分布的薄钢板(1)，所有所述薄钢板(1)形成一填充空间，所述填充空间的高度等于位于最外侧两个薄钢板(1)的距离，所述填充空间的投影面等于所有所述薄钢板(1)的正投影面的并集；同时，所述薄钢板(1)上开设有若干位于所述填充空间的小孔(10)；
至少三个平行设置的限位件(3)，每个所述限位件(3)均穿设于所有所述薄钢板(1)上，且三个所述限位件(3)在同一薄钢板(1)上的投影不共线；
超高性能混凝土(2)，其填充于所述填充空间内。
2.如权利要求1所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所述小孔(10)阵列分布在所述薄钢板(1)上。
3.如权利要求1所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所有所述薄钢板(1)的正投影面重合。
4.如权利要求2所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，相邻两个所述小孔(10)的中心距为所述小孔(10)直径的1.5～3倍。
5.如权利要求1或2所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所述超高性能混凝土(2)包含钢纤维，所述小孔(10)为圆孔，且所述圆孔的直径为所述钢纤维长度的1.5～3倍。
6.如权利要求5所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，相邻两层所述薄钢板(1)的净距为所述钢纤维的长度的1～2倍。
7.如权利要求1所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所述限位件(3)包括：
一螺杆(31)，其用于穿设于所有薄钢板(1)上；
若干定位套筒(33)，其依次套设于所述螺杆(31)上，且所述定位套筒(33)设于相邻两层所述薄钢板(1)之间；
两螺母(32)，其分别套设于所述螺杆(31)的两端。
8.如权利要求7所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构，其特征在于，所述螺杆(31)两端均超出所述薄钢板(1)，超出的两部分分别与最外侧两个所述薄钢板(1)形成两个保护填充空间，所述保护填充空间中均填充有超高性能混凝土(2)。
9.一种如权利要求1至8任意一项所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括：
预设一组模板，所有模板围合成一腔体；
将至少三个限位件(3)平行设置，并在所有所述限位件(3)上依次套设多个间隔分布的薄钢板(1)；
将套设有薄钢板(1)的限位件(3)放置于所述腔体内；
向顶层的所述薄钢板(1)浇筑超高性能混凝土(2)，直至所述超高性能混凝土(2)由下自上填充满所述腔体，形成开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构。
10.如权利要求9所述的开孔薄钢板-超高性能混凝土组合结构的施工方法，其特征在于，所述限位件(3)包括螺杆(31)、套设与所述螺杆(31)的定位套筒(33)、以及套设于螺杆(31)两端的螺母(32)；
所述在所有限位件(3)上依次套设多个间隔分布的薄钢板(1)的具体步骤包括：
在所述螺杆(31)的一端套设一所述螺母；
在所述螺杆(31)的另一端上依次套设多个薄钢板(1)和每相邻两个薄钢板(1)之间的定位套筒(33)；
在所述螺杆(31)的另一端上套设另一所述螺母(32)。
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