CN201785961U - 一种纤维增强混凝土挂板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种纤维增强混凝土挂板，属于建筑装饰材料领域。本实用新型的挂板包括三个部分，分别为纤维增强混凝土面板、用型钢焊接或者铆接而成的单层框架以及在特定二维方向上将前述两者连接起来的连接件，三者组成桁架力学结构，共同承受弯矩载荷。由于将纤维增强混凝土面板的力学性能引入到结构体系中，相比传统的完全靠钢架独立承担弯矩载的纤维混凝土挂板，具有用钢量少、重量轻和造价低的优点。

Description

一种纤维增强混凝土挂板

技术领域

本实用新型属于建筑装饰材料领域，具体涉及一种具有装饰和(或)围护功能的纤维增强混凝土(FRC-Fiber Reinforced Cement)挂板。

背景技术

现代中高档建筑的外墙干挂装饰板在选材时主要有四种，即天然石材板、金属板、钢筋混凝土板和纤维增强混凝土挂板。其中纤维增强混凝土挂板由于其易于制作复杂造型，表面质感丰富多彩，面密度相对较小，板幅可以做得很大等优势，得到了越来越多的关注和应用。但是在最常用的较大幅面板(长度2-4米)的结构设计时，传统的做法是采用钢架独立承载，装饰面板仅作为附着物与钢架连接，存在着材料综合强度利用不合理，钢材耗用量大，结构占用空间大，重量大，成本高等诸多缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种纤维增强混凝土挂板，在不降低结构力学性能的前提下，比传统挂板降低用钢量、减小结构空间，降低重量，降低造价。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种纤维增强混凝土挂板，包括纤维增强混凝土面板、钢架和将所述纤维增强混凝土面板和所述钢架固定连接起来的连接件，其特征在于，所述纤维增强混凝土面板、钢架和连接件组成桁架力学结构，其中纤维增强混凝土面板作为桁架力学结构的一个弦，钢架作为另一个弦，连接件作为两弦间的拉撑机构。

所述钢架是用角钢、槽钢或钢管等杆状型钢焊接或者铆接而成的平面四边形单层框架，其与所述纤维增强混凝土面板的幅面大小及形状一致；所述钢架包括数根梁，分别为一根或两根主梁以及数根次梁，所述主梁构成四边形单层框架的长边；次梁均与主梁垂直，并在主梁的两端之间均布；对于宽度尺寸小于200毫米的挂板，可只使用一根主梁。所述单层框架也称平面框架，是区别于箱型、笼型、三角型等立体空间框架。不论何种框架，每个边只有一根型钢梁或立柱。关于钢架和面板的大小及形状一致需要说明的是，如果面板是圆形或其他形状，钢架形状与之一致是理想状况，但根据工艺要求，可以用短直线线段折成近似形状，近似的程度根据具体要求具体设计。

所述连接件的一端通过焊接或螺栓固定连接在钢架的梁上，另一端带钩，所述钩预埋在纤维增强混凝土面板中或与纤维增强混凝土面板中的预埋件固定连接。具体来说，与预埋件的固定连接方式很多，如预埋件是外露焊板，可将连接件焊接在焊板上。

具体来说，所述连接件为八字形钢筋；所述八字形钢筋的八字张开的方向与所述钢架的梁的长度方向一致；八字形钢筋沿钢架的梁的长度方向均匀布置；所述八字形钢筋的两腿构成的平面垂直于所述纤维增强混凝土面板；八字形钢筋的折角端固定连接在所述钢架的梁上，两腿与所述纤维增强混凝土面板固定连接。所述八字张开角度为90度左右，相邻两个八字形钢筋的间距一般为所述纤维增强混凝土面板厚度的10-30倍。

所述连接件也可以为倒八字形钢筋、小字形钢筋或者钢板。所述连接件为钢筋时，钢筋的直径一般为4-8毫米，长径比一般在10-20之间。

另外，所述纤维增强混凝土面板的背面与钢架的内平面之间的距离为净距离，也即平行的面板与钢架之间的绝对间距，所述净距离不小于20mm；所述纤维增强混凝土面板的截面形心与钢架的梁的截面形心之间的距离为有效高度，所述有效高度为50-200mm，根据抗弯设计要求以及安装空间来选取，尽量取大值。结构计算时，当长径比或长厚比比较大时，通常用截面形心所在位置的点或平面代表整个截面位置。对于矩形截面的面板，型心面是平行于面板面的对称中面。对于角钢截面，型心是个点可查手册得到。

此实用新型中的有效高度要大于净距离。净距离有两个意义，一是保证有一个基本的有效高度，因为有效高度与桁架的抗弯能力成正比。二是保证连接件有一个较大的净长度，这样可以减小连接件对平行于挂板面且垂直于八字筋张开方向的，面板和钢架之间位移的约束，因为该约束有害，因为当面板与钢架不等量变形时，钢筋对面板约束过大可使面板开裂。

另外，所述纤维增强混凝土面板是一种用钢纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维或其它有机、无机纤维的一种或几种，对混凝土进行复合增强构成的面板，所述面板的厚度一般为8-20毫米。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：在不降低结构力学性能的前提下，比传统挂板降低了用钢量、减小了结构空间，降低了重量以及降低了造价。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

图1-1是传统挂板的外形和组成结构图。

图1-2是本实用新型的外形和组成结构图。

图2是本实用新型实施例的结构示意图。

图3是本实用新型中连接件为八字形钢筋的技术要求和安装要求示意图。

图4-1是本实用新型中连接件为小字形钢筋的结构示意图。

图4-2是本实用新型中连接件为倒八字形钢筋的结构示意图。

图4-3是本实用新型中连接件为厚度3mm左右的钢板的结构示意图，其与钢架③连接采用焊接、铆接和螺栓连接等形式。

图4-4是本实用新型中连接件没有直接预埋在面板中，而是与面板中的预埋件的伸出端焊接连接示意图。

图4-5是本实用新型中连接件为方形钢板的结构示意图。

图5-1是本实用新型实施例中按要求设计的传统挂板的结构示意图。

图5-2是本实用新型实施例中按与图5-1中同样要求设计的本实用新型的挂板的结构示意图。

具体实施方式

因为目前玻璃纤维增强混凝土(GRC-Glassfibre Reinforced Cement)挂板是纤维增强混凝土(FRC)挂板应用中最成熟且广泛的品种，所以为了便于更清楚、具体地叙述，以下用GRC挂板代表FRC挂板对本实用新型进行说明。

本实用新型采用在长度和宽度上具有一定抗拉和抗压强度的GRC制作面板，用角钢或槽钢等型钢焊接成与面板外形和外尺寸大致相同或略小于的单层框架(以下简称钢架)，用均匀、分散布置的八字形钢筋(以下简称八字筋)将面板和钢架主梁连接起来。面板作为一个弦，钢架主梁作为另一个弦(钢架中只有梁能表现为弦，梁也只能在其长度方向上表现为弦。根据荷载弯矩和结构抗力的具体情况，主梁肯定是弦，而次梁方向通常由于次梁数量较多，且荷载弯矩较小，不必采用桁架结构，也就不能称其为弦)，八字筋作为两弦间的斜向拉撑杆，三者组成了一个桁架力学结构，共同承载弯矩载荷。八字筋的张开方向与被连接杆件(即钢架中的主梁和次梁)的长度方向相同，且八字筋两腿构成的平面(以下简称八字面)垂直于面板面。因为八字筋的两条腿倾斜于面板面和钢架面(钢架的主梁和次梁构成的平面)，在分力作用下，八字筋能够提供面板面和钢架面之间的抗力，具体包括平行于面板面且与被连接杆件的长度方向上的剪切抗力和垂直于两个面的拉压抗力。当挂板采用上下端安装方式时，即一端绞支，另一端简支的安装方式时，在受到垂直于挂板面的压(或拉)均布荷载而使挂板结构产生弯矩时，面板作为桁架的一弦，提供抗弯所需的压(或拉)抗力，同时钢架主梁作为桁架的另一弦提供主梁长度方向上，与面板应力相反的抗弯所需的拉(或压)抗力。挂板的结构抗弯能力W来自于面板和钢架杆件抗拉(压)力f与两者型心的垂直距离(即有效高度)h之积，即W＝f×h。本实用新型的结构中不但GRC的强度价值被充分利用，提供抗弯能力的另一重要来源——结构内部空间h也是几乎无需制造成本的。

而通常挂板虽然也是由面板、钢架和连接钢筋三者组成，但相对均匀、分散布置的连接钢筋呈一字型(除少数几根斜拉重力承载钢筋不是一字型外)，与面板面和钢架面垂直，因而不能约束面板与钢架在平行于面板面方向上的位移，因此该结构的抗弯能力理论上来自两者之和，而实际上由于两者弹性模量和强度性能的巨大差别，GRC面板的贡献一般达不到总要求的10％，因此，结构设计时全部抗力完全由钢架提供，GRC的强度价值被忽略、放弃，浪费是在所难免的。

本实用新型的挂板不是一般意义上的有确定规格、尺寸和性能的定型“材料”产品，不是必须通过切、磨、粘、钉等二次加工才能完成外形尺寸的建筑装饰材料，而是必须按照设计荷载、设计风格以及安装要求，通过专用模具制作的定制尺寸和形状，无须再加工即可定位安装的构件产品。面板厚度、钢架型钢种类和规格、节点形式和位置等均按专门的荷载(如各个项目所在地理位置不同，建筑等级不同，荷载取值都会不同)和安装要求设计制作。本说明书仅以常用中大型尺度范围内，经规整成一个便于计算的规格示例来介绍本实用新型挂板的结构。另外，由于最常采用的以玻璃纤维为增强材料的纤维增强混凝土GRC的挂板制作要求已有许多现行标准可以参照，因此本说明书对非本实用新型技术要点的通用技术不再说明和介绍。

图1显示了传统挂板与本实用新型挂板在结构方面的相同与不同之处，图1-1为传统挂板，图1-2为本实用新型的挂板。两者的相同之处是均由面板1、连接钢筋2和钢架3三部分组成，且具有相同的外尺寸。不同点主要是：传统挂板的面板1较薄，连接钢筋2大多为一字形以及钢架3的主梁选用较大规格的矩形截面钢管；而本实用新型挂板的面板1比传统挂板的面板厚，连接钢筋主要为八字形钢筋以及钢架3的主梁选用小规格角钢，所谓小规格是指本实用新型的用材规格比传统挂板用材规格要小，还有通常次梁规格也小于主梁。

图2是本实用新型的一个实施例的结构图，其中，较短的7根横梁是次梁，较长的2根竖梁是主梁。其中，挂板高H＝4.0m、挂板宽B＝1.5m、挂板厚T＝110mm。设计均布荷载S＝2kN/m²，方向为垂直于面板面向外。挂板上下共4点安装，符号标注为

数字标注为4，上端2点为绞支，下端2点为简支，安装节点间距、结构形式取决于安装要求。挂板各结构尺寸简要计算方法和过程如下：

1、受力分析：处于挂板较长跨距中心的X轴荷载弯矩最大，Wx＝S×B×H²/8＝6kNm。设荷载方向为垂直于面板面向外，则面板1截面受拉，钢架3(主梁)截面受压，所述的面板的截面是指垂直于面板长方向的横断面；钢架的截面是指主梁的横断面；

2，首先试取值面板1的厚度t＝12(面板1的厚度是指完全由GRC组成的，均质层厚度，不包括可能在面板内外表面复合的石艺漆、贴片、装饰混凝土、防水、保温等非GRC材料的厚度)；然后试选钢架3主梁型号L40×3，则有效高度h＝T-t/2-X₀＝110-6-11＝93，式中X₀为L40×3的形心高度。

3，最大载荷弯矩Wx作用下，面板GRC在X轴截面上的最大拉力F_GRC＝钢架3主梁截面最大压力F_st＝Wx÷h＝64.5kN；

4，面板GRC最大设计拉力F′_GRC＝f_GRC×B×t＝4×1500×12＝72kN＞F_GRC＝64.5kN，式中f_GRC为GRC抗拉强度设计值，根据美国PCI规范，取值4MPa，因此t＝12验算成立。

5，钢架3主梁截面最大设计压力F′_st＝f_st×2×a＝215×236×2＝101.5kN＞F_st＝64.5kN，式中f_st为角钢抗拉强度设计值，根据建筑规范中Q235钢材设计强度取值为215Mpa；2表示2根主梁；a为L40×3截面面积，取值236mm²。钢架3主梁型号选择验算成立，且裕量较大；

6，钢架3次梁荷载比主梁小很多，选用L30×3，间距650mm，共7根。次梁与面板1用一字形筋连接；次梁上是否使用八字筋因具体情况而异，可仿照主梁方向荷载-抗力计算方法计算以确定是否全部使用1字筋或部分使用八字筋，一般情况下不必全部使用八字筋。本实施例中未对次梁连接筋进行研究和计算；

7，八字筋2采用Ф5钢筋折成90°，折角端对称(此处的对称是指八字筋的对称中心线垂直于梁的长度方向，以使八字两条腿与梁的夹角对称相等。但根据实际情况也可以不对称)焊接在钢架3角钢腹板面上，另一端的两脚带钩预埋在面板中。八字筋两脚张开方向与梁的长度方向相同，也就是说八字筋两脚的连线与主梁的长度方向平行，八字面B垂直于面板面A。八字筋等距、对称(此处的对称是指八字筋在两根主梁上对称，但根据实际情况也可以不对称)排列，在主梁3上间距320mm。在次梁上布置间距400mm的一字筋(此处的两个间距只是给出一个实施例，对本实用新型没有限制作用)。

图3给出了典型的八字筋2制作、连接和布置的示意图。钢筋直径选择范围d＝4～8mm，折角90°左右，八字腿长10d～20d，两个脚向垂直于八字面方向折钩(向主梁腹板外或内均可，但为操作方便通常向外)，根据经验，钩长5d～10d。折角顶端焊接在钢架3角钢梁腹板靠近翼板处，八字筋张开方向与梁的长方向相同，八字面垂直于面板面，两个折钩预埋在面板GRC中。根据经验，八字筋在梁上的排列间距即两八字筋中心间距为10t～30t，其中t为面板厚度。

图4给出了几种与八字筋等效的连接件及连接形式，其中图4-1为小字形连接筋，底角30°左右；图4-2为倒置八字筋；图4-3为用厚度3mm左右的钢板制作的连接件，与钢架3的连接采用焊接、铆接或螺栓连接等形式；图4-4为连接件没有直接预埋在面板中，而是与面板中预埋件的伸出端焊接连接；图4-5为方形连接件。

图5给出了按照上述挂板规格(即4.0m高×1.5m宽×0.11m厚)和抗弯性能(均布荷载2kN/m²)要求设计的传统挂板与本实用新型挂板的抗弯截面结构对比，图5-1为传统挂板，图5-2为本实用新型的挂板。两者的直接材料及基本加工成本经简要计算对比结果如表1，其中GRC成本按3元/kg计算，包括基本成型加工费；钢结构按15元/kg计算，包括焊接和热镀锌的费用。从表1可以看出，本实用新型的挂板与通常挂板相比，除面板GRC成本增加20％外，其他项目均有大幅下降。

表1

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种纤维增强混凝土挂板，包括纤维增强混凝土面板、钢架和将所述纤维增强混凝土面板和所述钢架固定连接起来的连接件，其特征在于，所述纤维增强混凝土面板、钢架和连接件组成桁架力学结构，其中纤维增强混凝土面板作为桁架力学结构的一个弦，钢架作为另一个弦，连接件作为两弦间的拉撑机构。

2.根据权利要求1所述的纤维增强混凝土挂板，其特征在于，所述钢架是用角钢、槽钢或钢管等杆状型钢焊接或者铆接而成的平面四边形单层框架，其与所述纤维增强混凝土面板的幅面大小及形状一致；所述钢架包括数根梁，分别为两根主梁以及数根次梁，所述主梁构成四边形单层框架的长边；次梁均与主梁垂直，并在主梁的两端之间均布；对于宽度尺寸小于200的挂板，可只使用一根主梁。

3.根据权利要求2所述的纤维增强混凝土挂板，其特征在于，所述连接件的一端通过焊接或螺栓固定连接在钢架的梁上，另一端带钩，所述钩预埋在纤维增强混凝土面板中或与纤维增强混凝土面板中的预埋件固定连接。

4.根据权利要求3所述的纤维增强混凝土挂板，其特征在于，所述连接件为八字形钢筋；所述八字形钢筋的八字张开的方向与所述钢架的梁的长度方向一致；八字形钢筋沿钢架的梁的长度方向均匀布置；所述八字形钢筋的两腿构成的平面垂直于所述纤维增强混凝土面板；八字形钢筋的折角端固定连接在所述钢架的梁上，两腿与所述纤维增强混凝土面板固定连接。

5.根据权利要求3所述的纤维增强混凝土挂板，其特征在于，所述连接件为倒八字形钢筋、小字形钢筋或者钢板。

6.根据权利要求4或5所述的纤维增强混凝土挂板，其特征在于，所述纤维增强混凝土面板的背面与钢架的内平面之间的距离为净距离，也即平行的面板与钢架之间的绝对间距，所述净距离不小于20mm；所述纤维增强混凝土面板的截面形心与钢架的梁的截面形心之间的距离为有效高度，所述有效高度为50-200mm。

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