CN110469042B - 一种装配式预制墙板、其制造方法及其模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装配式预制墙板、其制造方法及其模具，该预制墙板又称为竖柱甲虫板，由混凝土外框、竖柱、蜂窝壁和芯秸秆板四部分组成，其中，混凝土外框构成了预制墙板的外围，小柱、蜂窝壁和秸秆板共同组成了竖柱甲虫板的芯层。制备方法是采用双层模具一体化浇注法，采用的模具包括外模、内模、用于固定秸秆板的固定螺栓和用于固定内模的固定螺栓；由于墙板受到竖向力和水平风荷载的作用，本发明将小柱平行于预制墙板板面放置，具有强度高、刚度大、保温性能好的特点，可以满足台风侵袭地区对围护结构力学性能的要求，可以满足夏热冬暖地区自保温墙体热工性能的要求。

Description

一种装配式预制墙板、其制造方法及其模具

技术领域

本发明涉及一种装配式预制墙板，尤其是一种用于台风侵袭或抗震烈度高地区的自承重预制墙板，一种用于夏热冬暖地区的自保温预制墙板。

背景技术

装配式建筑由于其相比于传统现浇结构具有的优越性，极具发展前景，有关装配式构件的研发也变得尤为重要。目前利用秸秆制作的建筑构件，大致可分为混合式和机械式两种，前者将秸秆与混凝土进行拌合，制成秸秆混凝土用于建筑物的一些非主要承载构件中，但是通过这种方式，秸秆掺量低，且会对混凝土的性能产生影响，如果对秸秆进行改性处理，又会增加成本和能耗。对于机械式，现存工艺多采用分步组装，造成构件整体性差。

受台风影响较大的省市是装配式建筑推广的重点区域。因此，极有必要开发一种强度和刚度均较大，适应于台风侵袭地区的预制墙板。

自然界中，甲虫自恐龙时代就已存在。经过漫长的进化过程，其前翅结构应该是非常优秀的生物结构，并拥有一些特殊的生物功能。前翅的三维结构是一种高度进化了的轻质高强、高缓冲性能的生物结构。以独角仙前翅中的小柱-蜂窝结构芯为特征而命名的甲虫板，便是典型的仿生结构之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，发明人提供了新型预制墙板 — 竖柱甲虫板，将小柱平行于板面放置，具有强度高、刚度大、保温性能好的特点。由于墙板受到竖向力和水平风荷载的作用，将小柱垂直放置时墙板有更好的力学性能，可以满足台风侵袭地区对围护结构力学性能的要求。

发明人同时提供一种一体化预制墙板的加工方式和特定模具。

装配式预制墙板（竖柱甲虫板）是一种以小柱、蜂窝壁结构为特征的夹层板。主要由四部分组成，分别是混凝土外框、竖柱、蜂窝壁和芯秸秆板。混凝土外框构成了竖柱甲虫板的外围，竖柱、蜂窝壁和秸秆板共同组成了竖柱甲虫板的芯层。

上述各组成部分结构参数：竖柱数量N、竖柱半径R、蜂窝壁厚度t、混凝土外框厚度T。

发明人利用ABAQUS对上述参数进行了优化设计，研究发现，混凝土边框厚度T对墙板强度和刚度的影响都最大，竖柱数量N对墙板的刚度有较大影响，但对墙板应力状态的影响很小，竖柱半径R和蜂窝壁厚度t对墙板力学性能和保温性能的影响均较小。在此基础上，得到了力学性能满足承载力和正常使用要求，保温性能良好，达到夏热冬暖地区自保温墙体的热工性能要求的新型预制墙板。

优化过程如下：

首先根据预解析结果，结合实际工程中墙板的尺寸，确定竖柱甲虫板的初始模型（秸秆板厚度h=200mm；混凝土外框厚度T=20mm；蜂窝壁厚度t=20mm；竖柱半径R=50mm；小柱数量N=5根）。

然后，在初始模型的基础上，保持竖柱均匀布置的前提下，分别考察T、t、R和N中单一结构参数变化时对甲虫板力学和保温性能的影响规律。为此在初始模型的尺寸上，T、t、R分别

，

，N

根，

根，即各组分别设计五个模型，得到各结构参数对竖柱甲虫板应力、变形、热流量的影响曲线。

最后，根据该影响规律，确定具有更优性能的竖柱甲虫板结构参数取值范围，进一步对比该范围内各参数取值竖柱甲虫板的性能，进而得到了力学性能满足承载力和正常使用要求，保温性能良好，达到夏热冬暖地区自保温墙体的热工性能要求的新型预制墙板。

因此，本发明进行优化的竖柱甲虫板的尺寸为1米×1米，优化得结构参数为：竖柱数量N=4根；竖柱半径R=40mm；蜂窝壁厚度t=10mm；混凝土外框厚度T=14mm。该墙板建议应用的尺寸范围是0.8米到3米，其他尺寸墙板各参数取值可按比例调整，也可按上述优化方法进行优化。

双层一体化浇注模具，模具由外模、内模和固定螺栓三部分组成；

外模由钢板制成，外模上设有带螺纹的螺栓孔，外模内侧设有凹槽。

内模由钢板制成，上下两面带有与蜂窝壁等厚的肋，并设有供螺栓下部墩头穿过的螺栓孔。

固定螺栓有两种型号，一种是用于固定秸秆板的螺栓，该螺栓带螺纹段的直径为40mm，长度为35mm，上部墩头直径为56mm，高度为10mm，下部墩头直径为56mm，高度为5mm。

另一种是用于固定内模的螺栓，该螺栓带螺纹段的直径为40mm，长度为25mm，上部墩头直径为56mm，高度为10mm，下部墩头直径为56mm，高度为5mm。

当用于固定秸秆板的螺栓和用于固定内模的螺栓，上部墩头贴紧外模，用于固定内模的螺栓的下部墩头将内模固定在设计位置，用于固定秸秆板的螺栓的下部墩头穿过内模板螺栓孔将秸秆板固定在预定位置，此时模板处于对竖柱甲虫板进行芯层部分浇注的状态，记为状态一。当放松两种型号的螺栓至下部墩头卡入外模内侧凹槽，此时外模内表面平整，抽去内模，此时模板处于对剩余混凝土外框进行浇注的状态，记为状态二。

竖柱甲虫板的加工方法，是双层模具一体化浇注法，步骤如下：

（1）将压制好的秸秆板置于内模中，使秸秆板外表面与内模内侧的肋平齐，此时秸秆板底部与外模底部刚好预留混凝土外框厚度的空隙，秸秆板被固定在预定的位置，肋起到给秸秆板定位的作用，秸秆板成为浇注小柱、蜂窝壁的模板。

（2）调节模具至状态一，将内模和秸秆板固定，对小柱、蜂窝壁及芯层以下部分混凝土边框进行浇注。一旦浇注部分混凝土达到脱模要求，放松四周的两种型号的螺栓，将模具调至状态二，将内模抽出；

（3）浇注剩余部分的混凝土，养护、脱模，完成墙板的加工。

本发明具有以下特点：

（1）与现有预制墙板相比，本发明经过参数优化设计的竖柱甲虫板，具有质量轻、强度和刚度高、保温性能好等优点；在满足规范对墙板力学性能要求的前提下，可以承受14级风载的作用，在夏热冬暖地区，可以达到自保温墙体的热工性能要求，适用于我国东部和南部沿海地区。

（2）采用双层一体化浇注模具，生产过程只涉及秸秆板的定位，螺栓的紧松，混凝土的浇注以及脱模，可以适应机械化、流水式的加工生产，使得竖柱甲虫板一体化浇注成为可能，保证了竖柱甲虫板产品的整体性，克服了传统夹层板多次成型带来的整体性差的缺点；而且模具可以多次重复利用，生产成本低。

（3）将秸秆与混凝土进行了机械式的结合，使得它们分工明确地发挥各自的优势，高效合理地对秸秆资源进行了应用。

附图说明

图1是竖柱甲虫板实物模型图；

图2是去除上边框和芯层秸秆板后竖柱甲虫板的内部结构示意图；

图3是芯层秸秆板的结构示意图；

图4是双层一体化浇注模具的结构示意图；

图5是双层一体化浇注模具外模的结构示意图；

图6是双层一体化浇注模具内模的结构示意图；

图7是双层一体化浇注模具两种型号定位螺栓的结构示意图；

图8是双层一体化浇注模具处于状态一时的结构示意图；

图9是双层一体化浇注模具浇注芯层混凝土后的结构示意图；

图10是双层一体化浇注模具处于状态二，浇注剩余边框混凝土后的结构示意图；

图11是本发明实施例1各部分结构参数对其力学性能和保温性能的影响曲线；

图12是本发明实施例1经单一结构参数初步优化后，竖柱甲虫板存在最大拉应力和热流量随混凝土边框厚度的变化曲线。

其中1-混凝土边框，2-竖柱，3-蜂窝壁， 4-芯层秸秆板，5-外模，6-内模，7-螺栓，8-螺栓，9-钢板，10-带螺纹螺栓孔，11-凹槽，12-钢板，13-螺栓孔，14-肋，15-带螺纹段，16-上部墩头，17-下部墩头，18-带螺纹段，19-上部墩头，20-下部墩头。

具体实施方式

实施例1

图1是竖柱甲虫板实物模型图；图2是去除上边框和芯层秸秆板后竖柱甲虫板的内部结构示意图；图3是芯层秸秆板的结构示意图。

参照图1-3所示，竖柱甲虫板是一种以竖柱、蜂窝壁结构为特征的夹层板。主要由四部分组成，分别是混凝土外框1、竖柱2、蜂窝壁3和芯层秸秆板4。混凝土外框构1成了竖柱甲虫板的外围，竖柱2、蜂窝壁3和芯层秸秆板4共同组成了竖柱甲虫板的芯层。

上述各组成部分结构参数分别是：柱数量：N；竖柱半径：R；蜂窝壁厚度：t；混凝土外框厚度：T；倒角半径：r。

发明人利用ABAQUS进行了优化设计，得到优化参数如下：

竖柱甲虫板的一般尺寸为0.8米到3米，对于1米×1米竖柱甲虫板，较优结构参数为：竖柱数量N=4根；竖柱半径R=40mm；蜂窝壁厚度t=10mm；混凝土外框厚度T=14mm。其他尺寸可以1米×1米墙板的结构参数为基础按比例调整，也可以根据工程具体情况进行参数取值优化设计。

装配式预制墙板的加工方法，有两种方法：

第一种是先浇注混凝土外框的两次浇筑成型法：先使用模具对竖柱甲虫板的混凝土外框进行一次浇注，待混凝土外框初凝，将压制好的芯层秸秆板放入混凝土外框，再对芯层竖柱和蜂窝壁进行二次浇注。

另一种是先浇注芯层的两次浇筑成型法：先将压制好的秸秆板放入可拆开的框架模具中，对竖柱甲虫板的底板和中间芯层进行一次浇注，待芯层大致成型后，拆开框架模具，用芯层放入合适的外框架模具中，对混凝土外框进行二次浇注。

但是，为实现竖柱甲虫板产业化推广，兼顾工业化加工和流水线生产要求，同时保证产品有良好的整体性，下面具体介绍本申请采用的双层模具一次成型的生产加工方式：

首先介绍双层一体化浇注模具，该模具由外模5、内模6和固定螺栓7,8三部分组成（参见图4）。外模5由厚度为10mm的厚的钢板9制成，外模5上设有带螺纹的螺栓孔10，外模5内侧设有凹槽11（参见图5）。内模6由厚度为5mm的钢板12制成，上下两面带有与蜂窝壁等厚的肋14，并设有供螺栓7下部墩头17穿过的螺栓孔13（参见图6）。固定螺栓有两种型号，分别编号为螺栓7和螺栓8，螺栓7带螺纹段15的直径为40mm，长度为35mm，螺栓7上部墩头16直径为56mm，高度为10mm，螺栓7下部墩头17直径为56mm，高度为5mm；螺栓8带螺纹段18的直径为40mm，长度为25mm，螺栓8上部墩头19直径为56mm，高度为10mm，螺栓9下部墩头20直径为56mm，高度为5mm（参见图7）。图5中虚线框部分采用螺栓7，用于固定秸秆板4，其余部分采用螺栓8，用于固定内模6。当螺栓7，螺栓8上部墩头16，19贴紧外模5，螺栓8下部墩头20将内模6固定在设计位置，螺栓7下部墩头17穿过内模板螺栓孔13将秸秆板4固定在预定位置，此时模板处于对竖柱甲虫板进行芯层部分浇注的状态，记为状态一。当放松螺栓7，8至下部墩头17，20卡入外模5内侧凹槽11，此时外模5内表面平整，抽去内模6，此时模板处于对剩余混凝土外框进行浇注的状态，记为状态二。

墙板的具体加工制造过程如下：首先将压制好的秸秆板4放置于内模6中，使秸秆板4外表面与内模6内侧的肋14平齐，此时秸秆板4底部与外模5底部刚好预留混凝土外框1厚度的空隙，秸秆板4刚好被固定在预定的位置，故肋14起到给秸秆板4定位的作用，秸秆板4成为浇注竖柱2、蜂窝壁3的模板。调节模具至状态一，将内模6和秸秆板4固定（参见图8），对竖柱2、蜂窝壁3及芯层以下部分混凝土边框1进行浇注（参见图9）。一旦浇注部分混凝土达到脱模要求，放松四周螺栓7，8将模具调至状态二，将内模6抽出，浇注剩余部分的混凝土（参见图10），养护、脱模，完成墙板的加工。

参照图11，通过对竖柱甲虫板结构参数对其性能影响进行研究发现，混凝土边框厚度T对竖柱甲虫板应力状态和挠曲变形影响均很大，说明在给定荷载作用下，混凝土边框是竖柱甲虫板的主要受力构件。竖柱数量变化对墙板的应力状态影响小，但对墙板的挠曲变形影响大，其原因是相比于混凝土边框，竖柱应力较小，但其数量变化对芯层刚度影响较大。除竖柱半径R以外，各结构参数对竖柱甲虫板保温性能影响都较大，其主要原因是各结构参数变化会影响产生热桥部分的面积，而竖柱位于秸秆板内部，四周有秸秆隔热，说明热桥效应是影响竖柱甲虫板保温性能的主要原因。具体影响关系参见图11，可作为对竖柱甲虫板进行特殊化设计时的参考依据。

本实施例所得竖柱甲虫板（参见图12，虚线圆框），等效密度为661

。利用ABAQUS分析得到，竖柱甲虫板最大可承受水平风荷载为2.75

，相当于14级风的作用；导热系数为

，在夏热冬暖地区，其热工性能可以满足自保温墙体的要求。结构参数与上述竖柱甲虫板相近的墙板，其存在最大拉应力和热流量值参见图12，可根据实际工程要求，为墙板选取合适的结构参数。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.装配式预制墙板的模具，所述的装配式预制墙板由混凝土外框、竖柱、蜂窝壁和秸秆板四部分组成，其中，混凝土外框构成了预制墙板的外围，竖柱、蜂窝壁和秸秆板共同组成了预制墙板的芯层；墙板尺寸范围0.8米到3米，对于尺寸为1米×1米的墙板，力学性能和保温性能兼优的结构参数为：竖柱数量N=4根；竖柱半径R=40mm；蜂窝壁厚度t=10mm；混凝土外框厚度T=14mm；

其特征在于，该模具为双层一体化浇注模具，该模具包括外模（5）、内模（6）和固定螺栓；其中，用于固定秸秆板（4）的固定螺栓（7）带螺纹段的长度，大于用于固定内模（6）的固定螺栓（8）带螺纹段的长度；

外模（5）材质是钢板，外模（5）上设有带螺纹的螺栓孔（10），外模（5）内侧设有凹槽（11）；

内模（6）材质是钢板，上下两面带有与蜂窝壁等厚的肋（14），并设有供固定螺栓（7）下部墩头（17）穿过的螺栓孔（13）；

当用于固定秸秆板（4）的固定螺栓（7）、用于固定内模（6）的固定螺栓（8）上部墩头贴紧外模（5），用于固定内模（6）固定螺栓（8）下部墩头（20）将内模（6）固定在设计位置，用于固定秸秆板（4）的固定螺栓（7）下部墩头（17）穿过内模板螺栓孔（13）将秸秆板（4）固定在预定位置，此时模具处于对预制墙板进行芯层部分及下部分混凝土外框进行浇注的状态，记为状态一；

当放松用于固定秸秆板（4）的固定螺栓（7）、用于固定内模（6）的固定螺栓（8）至下部墩头卡入外模（5）内侧凹槽（11），此时外模（5）内表面平整，抽去内模（6），此时模具处于对剩余混凝土外框进行浇注的状态，记为状态二。

2.基于权利要求1所述的用于制备装配式预制墙板的模具的装配式预制墙板的加工方法，其特征在于，是双层模具一体化浇注法，步骤如下：

（1）将压制好的秸秆板（4）放置于内模（6）中，使秸秆板外表面与内模内侧的肋（14）平齐，此时秸秆板底部与外模（5）底部刚好预留混凝土外框（1）厚度的空隙，秸秆板（4）被固定在预定的位置，肋起到给秸秆板定位的作用，秸秆板（4）成为浇注小柱（2）、蜂窝壁（3）的模板；

（2）调节模具至状态一，将内模（6）和秸秆板（4）固定，对小柱（2）、蜂窝壁（3）及芯层以下部分混凝土外框（1）进行浇注；

（3）浇注部分混凝土达到脱模要求后，放松用于固定秸秆板（4）的固定螺栓（7）、用于固定内模（6）的固定螺栓（8），将模具调至状态二，将内模（6）抽出；

（4）浇注剩余部分的混凝土，养护、脱模，完成墙板的加工。

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