CN88102700A - 复合结构预应力构件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合结构的预应力构件，它包括一个高强度的杆形或钢筋束之类的内部部分(1)，一个例如由高强度混凝土或陶瓷材料制成用于围绕着内部部分(1)并由它施加预压缩的包围部分(2)，和一个用于围绕着包围部分(2)，而其尺寸大小是根据该构件要求的尺寸决定的形状形成结构(4)。按照本发明，该形状形成结构(4)是这样一种弹性材料制成，即它既能承受压缩和拉伸应力又不发生断裂。按照本发明的结构已得到一个强固而又便于制造的构件。

Description

本发涉及一种复合结构的预应力构件。

本发明还涉及用于制造这种预应力构件的方法。

伴随着不同弹性性能以及弹性模量和屈服特性的不同的数值的材料的不断采用，建筑技术方面已经致力于依赖特殊的结构。在采用这些特殊结构中，其中一部分材料是在该构件的芯部处于这样的状态下，即在负荷作用下甚至该结构的最弱的构件也不会发生导致断裂的弯曲或变形。换句话说，其目的是朝着一个具有均匀一致性能的结构努力。结合一定的强度要求和经济核算要求，这些需求导致预应力结构的采用不断地增加。这些构件包括将钢结构埋在混凝土中组成。现有技术中的预应力结构都是利用例如滑模涛灌法将混凝土围绕着预先拉伸钢筋或钢丝制成的板形或条形梁结构。加预应力是通过将处于两个固定点之间的钢筋或钢丝施加拉伸力来实现的。在两个固定点之间的距离一般取50至100米。当该混凝土足够的固化以后，将该构件切断成所要求的长度。如在FI出版物54638号和DE出版物2035385号中所公开的文献中，也介绍了可浇灌在混凝土中的梁类结构的非预应力支承结构。

现有技术的方法中的缺点是其混凝土结构都是在应力作用下连续地变形一直达到一定的界限。在该专业中这种性质被称为蠕变。蠕变过程可以被描述为主要取决于两个不同因素：在一个新鲜的，硬化的混凝土中过多的水的扩散并由结构中去除出去和混凝土的非晶体组分的塑性变形。蠕变量的大小决定于所用的水泥的量和它的水合程度，在混凝土制造中所用水的体积，以及石子填料的数量，质量和形状，在混凝土混合体中裹进的空气的量和孔隙的分布情况，也就是说这些因素在事先以一个系统的和确实的方法进行确定是困难的。与此相比，蠕变过程还涉及到预应力的大小以及结构的跨距和施加于结构上的其它载荷。当预应力结构的目的达到一个预定的曲率或者所要求的直度时，则所加的预应力，蠕变，和其它因素的数值将导致达到所要求的最终条件的状态是一个不确定的状态。例如，现有这样一种结构，即一种空心平板件，需要采用地板调整水平混合物，其厚度在最不利的部位上连通平板上由预应力产生的弯曲甚至可能达到2至5厘米，而在最薄的部位只有几个毫米。在建筑场地上进行硬化的混凝土的水平调整，连同所有非直接的费用如材料，工时，停工时间，加热，有限资本的利润，和其它费用按照一个非常保守的估算，所造成的额处增加费用要超过该平板的原始制造费用的50%。此外，现在这种空心板预应力结构的防火特性是一个极大的关键问题。在目前技术发展现状看，加预拉伸的钢丝可以设计用于有限的部位上，而且其厚度的选择性也是有限的。由于制造方法的原因，所有的在空心平板内的加预拉伸的钢筋束都是平行的，而最终结果到目前为止还没有预应力横向增强构件投入使用。

此外，非预应力支承结构不具有预应力结构的优点，而且在现有技术的结构中主要是向着用于小型建筑物的易于安装和工序间的运输方便方面努力。

本发明的目的是结合现有技术的方法而克服它存在的缺点并获得一个复合结构的全新的预应力构件和用于制造这种构件的方法。

本发明是建立在采用完全不同类型的材料于一个整体平板结构中，其相互间构成方式是这样的，即使其由一种基本为杆形的高拉伸强度的内部元件形成预应力支承结构，该支承结构在其纵向上已经产生应变或者伸长，而围绕着该拉伸过的芯子周围部分是浇灌以高拉伸强度混凝土或陶瓷材料，这样对于该包围的部分就获得一个压缩应力。围绕着预应力支承结构浇灌一种能够承受拉伸应力的弹性形状形成结构，该结构所用材料所具有的弹性模量值等于上述芯部元件的包围部分的韧性材料的弹性模量的0.15至0.3倍是有好处的。

在本发明的一个具有优点的实施例中，作为增强结构的一部分的韧性包围部分允许其在一个贮藏库中发生蠕变达到其最终形状一直到该包围部分可以作为本发明的平板结构的一个部分使用。

更具体地说，按照本发明的复合结构的预应力构件其特征在于：-形状形成结构（4）的弹性模量与包围部分（2）的弹性模量之比值要在0.15至0.30范围内，由此则使弹性的形状形成结构（4）来承受拉伸和弯曲而不发生断裂甚至在由预拉伸内部部分（1）所造成在包围部分（2）中的预压缩通过拉伸和/或弯曲已经释放之后也不会断裂。

此外，按照本发明的方法其特征在于：

该形状形成结构（4）围绕着预应力增强结构（1，2）的浇灌仅仅是在包围部分（2）已经产生一定量的永久变形之后，即在蠕变/松弛以后进行，该永久变形量要等于或大于由形状形成结构（4）的液体固化反应所产生的线性收缩的值。

本发明提供了各种独特的好处。

通过对一个构件的几个结构部分的功能的区分，对其结构的综合考虑通常是由强度，重量，变形，和其它类似的可以避免的参数进行结合作出的。在现有技术中，关于各种不同自由度的应用方面的一个清晰的观点是缺少的，而且在它们的可用性的条件下，如何利用它们也是缺少的。

在围绕着预应力结构的形状形成材料的应用方面我们已在进行试验，在整个结构中在耐火性能方面出现一个惊人地明显地改善，这种耐火性能的改善可以归因于当形状形成结构的已膨胀的泡沫塑料填充材料熔化时，在材料中产生热绝缘和可透蒸汽的水穴。由于气泡或空穴都不是完全封闭的并释放出绝缘混合剂，例如由重量轻的填充料中释放出来的，这种类型的混凝土就成为非常耐热的，因为内部蒸汽压力不像正常的实体混凝土那样将结构分裂开。因此，这种由低密度混凝土制造的构件是能够保护钢筋和围绕着它周围的压实的混凝土免受高温侵袭能力比那些其底部是由埋有预应力钢筋的压实的混凝土简单方法制造的平板结构要长得多。同样地，按照本发明的方法允许平板的其它部分的浇灌和填充，与此同时通过采用刚刚进行预松弛/预蠕变，预下垂的或预弯曲和预制的钢筋和它包围部分就可以保持它们完全是直的。然后，为了构件的最终要求所需要的磨削和铣削加工包括与例如在建筑工地用常规的方法弯曲空心平板所需要的最后加工处理相比去除极少量的材料。

与一个带有可比较的钢增强的常规结构相比通过加载荷所产生的伸长要显著地降低了。这可以解释为当施加载荷时，按照本发明的方法制造的预应力增强结构按照虎克定律达到一个较小的延伸率△1（＝F＊1/E＊A），因为在该公式中的分母中的弹性模量乘以面积的乘积（E＊A）明显地增加了。该乘积这一项是在低的附加费用的条件下降低的，因为在面积A内的预拉伸钢的比率可以通过采用现有的超高强度的混凝土标号所制造的包围部分的帮助使其保持在低的数字上。当按照本发明的方法将预制的，加预应力的和预松弛的构件是当在现场施工或把混凝土构件装入结构的制造时，具有比先有方法较小的有害的性质的变形问题。浇灌构件从模子中最后释放出来可以在一个与常规的预拉伸产品相比在一个相当早的强度发展阶段进行，因为为了模子释放的唯一的先决条件就是要达到一个构件强度值，该强度值可以承受该构件的本身重量以及对它的搬运。同样地，这种类型的结构提供对上述增强钢筋用于不同部位和方向的设计方面以充分的自由度，以便当对平板进行钻孔，制缺口或其它加工时，位于结构内部的预拉伸钢筋束都不会遭受如在常规的方法例如空心平板技术那样的切断和切割加工。当带有预拉伸的或非预应力的钢增强的常规混凝土平板与这种新型的带有预制的，预拉伸的钢筋的增强的构件相比，该常规的平板的特征是一个具有均质的浇灌混凝土的结构。这种混凝土的质量，强度，致密性和其它因素必须在最关键的参数基础上进行选择。作为一个举例，我们可以假设其最关键的因素是钢加强筋的腐蚀保护问题。但是，按照本发明的方法只需要在钢筋的包围部分的制造按照该关键参数设定的限制条件下进行。而构件的其它部分则几乎可以在一定的限制条件范围内选用任何类型的材料。关于对强度和密度的选择方面的这些限制条件，与现有技术的方法相比按照本发明的方法可以使设计者允许自己在预应力增强结构的使用方面对不同混凝土的密度，强度，填充剂，和其它因素的选择方面可以在一个非常宽的范围内进行。预制的，加预应力的和预松弛的钢筋的采用对其周围的形状形成结构材料的重量减轻已达到具有重要意义的程度。此外，周围材料的强度也可以降低，而且改进的填充剂可以这样的方式来使按照新的方法所制造的精密尺寸构件的磨削，调整水平和制造易于进行，与此相比，以硬石子材料增强的常规混凝土结构在经济上是不可行的。另外，平板的长度通过减小下垂量也可以得到增加。由带有高的热绝缘能力的轻质混凝土制造的平板用于包围着预应力增强结构的形状成形结构与常规方法相比具有超级热缘缘性和耐火性能;由此得到在现有技术中所制造的平板结构所难以达到的好处。对于按照本发明的预应力增强结构的采用，预应力构件的生产可以得到加快，而且所达到的强度的脱模限制，作为一个生产限制因素可以忽略不计。

下面将结合附图借助以下各实施例对本发明进行更具体地描述。

图1是显示按照本发明的一个构件的预应力增强结构的部分截面立体视图;

图2是显示一个应用图1所示的纵向增强结构的按照本发明的一个构件的侧视图;

图3是显示一个采用纵向和横向同时增强的结构按照本发明的另一个构件实施例的侧视图;

图4是显示图3所示的构件的一个俯视图;

图5是显示用于制造该预应力增强结构的一个设备的侧视图。

按照本发明，该结构一方面是建立在采用预应力和预制的增强结构的基础上，而另一方面对于包围着形状形成部分所用的材料的弹性模量要等于用作预应力结构的韧性材料的弹性模量的0.3至0.15倍。这样使形状形成结构的最终基底强度约等于该结构的试验压缩强度的2.5至3.5倍。这一性能的达到是通过：

a）采用当量等级的膨胀泡沫塑料或橡胶或类似的填充料以代替常规混凝土中所采用的一部分石子填充料和/或者

b）借助于常规的方法，使结构中产生一种比上面所提到的在低密度的填充料中所产生的孔隙更小一些的气泡之类的孔隙。

通过结构设计以便满足上面所显示的强度的最低要求的材料使用要求，一种带有下述特性的具有优越性的结构可以形成：

1）一种可以由金属，塑料聚合物或非晶体的或晶体无机材料的预拉伸杆。

2）一种牢固地包围着该预拉伸杆而且能够接受所有全部预应力的韧性混凝土或陶瓷材料的包围结构、与此同时要在一个预应力状态下并具有一个其值在70至250千巴之间的有益的压缩强度和一个其值在10，000至42，000千巴的弹性模量值。

3）一种通过围绕着包围结构而且要能够承受压缩和拉伸应力而不断裂，并且有弹性模量值等于该包围结构材料的0.15至0.3倍的施加于平板产生最后形状的较弱的材料。如在第2项所述，这种材料不含有粗的石子填料;而如果使用时，石子填料的最大尺寸的直径基本上等于用于加工该构件的这种结构的尺寸公差。

上面所提到的在结构中的低值弹性模量对于这种材料能够承受足够量的拉伸应力值而不断裂来言是一个必要的先决条件，这种断裂点是在加预应力的钢筋的外部包围部分上的预应力在弯曲状态下已经释放和释放以后发生。

对于一种具有低强度和低弹性模量有优越性的牌号的组成已经得到，例如可通过下列公式得到：

密度1500公斤/立方米，压缩强度K20（兆巴）

快固化水泥    360公斤

砂子0至3毫米的    1，000公斤

微细硅石    40公斤

磺化木质素    6公斤

聚苯乙烯（膨胀的）    9公斤（亲水性表面处理）

水    126公斤

用于高强度水泥的生产公式举例如下：

快固化水泥    400公斤/立方米

砂子    2000公斤/立方米强度100至150兆巴

氧化硅    40公斤/立方米

磺化木质素    8公斤/立方米

水    140公斤/立方米

如图1所示，按照本发明的增强结构3包括两部分：一个内部部分1它是一个加预拉伸的钢丝的一束或一个杆和一个由混凝土或陶瓷材料制成且有圆形截面的包围部分2，该部分将内部部分同轴地包围着。增强结构3其标准的外径值是50毫米而内径值是15毫米。当采用超高强度混凝土时，内部部分1的直径对外部直径的比值可以是1/3。

如图2所示，将长度较短的加预应力的增强结构5放置在并浇灌在构件中心的一个形状形成结构4内。直的预应力增强结构7是用于封闭在构件的底部，与此同时预弯曲增强结构6用于在短的增强结构5与直的增强结构之间安置着。

用于形状形成结构4材料的强度尺寸确定值Kn一般是在10至50兆牛顿/平方米范围内变化。

如图3和图4所示，一个带支架9的构件是经增强的，除了加预应力的增强结构7是纵向放置的而且是紧埃着形状形成结构4的内部的构件的底部表面浇灌出来的之外，通过横向预应力增强结构8用于对支架9进行增强。

图5所显示的预应力增强构件的制造方法如下：一个增强钢筋束1在支撑11，12和16之间伸出，和一个包围结构2围绕着钢筋束1以混凝土或陶瓷混合物浇灌而成。该钢筋束1由卷筒10输送出来经过支承11和12达到一个浇灌底板上，混凝土混合浆通过一个螺旋送进器14由一个混合装置13在压力推进作用下进入该浇灌底板。该混凝土混合浆围绕着该钢筋束1进行挤压。该混合浆是一种快速固化材料，如在美国专利4，306，912号所介绍的F-混凝土或在FI专利申请书871164号中所介绍的胶化混凝土。这些混合物的强度设计值Kn在组装状态下可以达到上限值为200兆牛顿/平方米。该增强的构件组件通过推进压力向前移动，而且有一个传送带18在一个弯曲线15上，该线的长度一般为60米。该弯曲线15可以配置以加热装置。在弯曲线15上，该混合达到这样的强度值即通过一个拉伸装置16能经过增强构件组件3的表面施加于钢筋束1上一个要求的预拉伸应力值，但是，不能发生钢筋束1相对于包围部分2的滑动。在经过拉伸装置16以后，预应力增强构件3就通过一个切割装置17切成所要求的长度。可浇灌的材料可以是超高强度的和/或非常密实的混凝土。此外，以分别混合的防腐蚀的混凝土也可以采用，以及打算为了增强钢的防火的特殊混凝土标号也可以制取因为实际上包围部分材料的需用量相对于平板的其它材料的体积是很少的。所制造的结构要存放一个足够的时间以便使该包围结构进行足够完全的蠕变。只有在这种存放阶段之后，钢筋才用于混凝土结构的增强或者作为增强的一部分。

图3和图4显示使增强构件伸出到结构外面的可行的方法，这种方法用于为了形成一个支架所采用的一个合理的或者现场浇灌结构，这种支架可作为用于安装阳台，凸窗和其它结构的支撑。预应力增强结构不需要必须与平板结构相平行，而是可以构成扇形，十字形或横向垂直的这样所形成的网状结构和任何其它类型的结构，这些结构都是在例如空心平板所不可能达到的。在用于承受超高载荷的部位上，上述增强结构可以设计成非常具有优越性的结构，在平板内部大量的采用甚至如同紧密的填充物那样密度。

在一个按照本发明带有预应力增强结构的减重混凝土平板上，在一个房间载荷下的下垂量约为2毫米。对于以轻的预拉伸钢筋增强的相对应的气体膨胀混凝土平板，在同样载荷作用下的下垂量一般为19毫米。

预应力增强结构3的实施例，如图1所示，也可以通过对该增强结构3的截面的选择来实现例如椭圆的或矩形结构。预拉伸的内部部分1也可以设置成偏心的以得到一个弯曲的结构。

当钢筋的采用是用于增强这种平板结构时，其中气体或空气泡，聚苯乙烯小球，或者其它具有高绝热能力的轻质结构材料构件都能被采用，当平板浇灌时可以将该钢筋连接至低电流的电路中，由此在钢筋中得到一个应变值。然后，当温度均等了而且已停止加热时，该钢筋的结构就抵消了平板由重力作用产生的下垂，这样就意味着该平板就在其正常载荷作用下在其最终安装部位上得到一个完全水平的结构。这种类型的平板是由泡沫的或气体膨胀的混凝土构成并与采用聚苯乙烯小球和其它非硬质填充材料的减重混凝土结合在一起，配合以一个在进入其终调整水平形状情况下具有以用低成本的工具对其表面进行磨削和铣削的装置。这种类型的结构提供了避免采用大量的中间调整水平的混合物或者用于地板表面的最终加工的铺表面材料，屋顶的精整加工以及避免其它采用常规方法习惯使用的最终光整加工等方面的好处。

预应力增强结构3甚至可以在任何地方对该结构进行预制，加预应力，预蠕变以及适当地预下垂或者预弯曲。而且为了达到最终下垂量的大部分和相关的变形都可以在浇灌之前施加变形或使其发生变形。

现已发现使增强结构3下垂或使其向下产生预弯曲是非常有好处的。这是基于下述经验得到的，即一个加预应力的，预松弛的，预制的和预弯曲的直的结构的内部得到最终形状的特别优异的直结构。

此外，按照本发明的平板可以通过附设在钢筋上的焊接接头连接成一个连续的区域或者通过横向交叉的防护钢筋布满这些区域以便得到一个连续的网格形区域在该网格区域中所有金属钢筋加预应力而且其复盖着钢筋的包围结构如有需要都可以采用预蠕变的，在最终浇灌阶段采用预弯曲是有益的。

Claims (5)

1、一种复合结构的预应力构件，它包括：

一个高强度的预拉伸杆或钢筋之类的内部部分(1)，该部分的材料是金属的，聚合物的，或者非晶体的或晶体的无机材料，

一种以高压缩强度材料例如高强度混凝土或陶瓷材料并设置在该内部部分(1)的周围而且由该内部部分施加给预应力的包围部分(2)，由此该包围部分(2)就将该内部部分(1)对称地和牢固地有效地包围着，由此使该包围部分(2)处于适当的预压缩状态，以便使各个力基本上以下述方式抵消了，即其预压缩足以能够经受预应力的全部载荷，和

一个设置在该包围部分(2)的周围其尺寸大小根据构件所要求的尺寸所确定的形状形成结构(4)，而该形状形成结构所用的材料的压缩强度要比包围部分(2)的材料低一些，其特征在于：

形状形成结构(4)的弹性模量与包围部分(2)的弹性模量之比值要在0.15至0.30范围内，由此则使弹性的形状形成结构(4)来承受拉伸和弯曲而不发生断裂甚至在由预拉伸内部部分(1)所造成在包围部分(2)中的预压缩通过拉伸和/或弯曲已经释放之后也不会断裂。

2、如权利要求1所述构件，其特征在于：该形状形成结构（4）的材料是采用在其中加入经亲水性表面处理的聚苯乙烯的减重混凝土。

3、如上述两项权利要求中任何一项所述构件，其特征在于：该形状形成结构（4）的材料具有充满气体的孔隙。

4、如权利要求2或3所述任何一项要求的构件，其特征在于：该形状形成结构（4）的材料是具有下列重量百分比的减重混凝土：

快速固化水泥  约18～28%

砂子（0至3毫米）  约60～70%

微细硅石  约2～3%

磺化木质素  约0.2～0.6%

聚苯乙烯  约0.3～0.9%

水  约6～10%

5、一种复合结构的预应力构件的制造方法，该方法包括：

一个预拉伸内部部分（1）和一个包围部分（2）结合在一起，和

一个形状形成结构（4）围绕着预应力增强结构（1，2）浇灌出来，其特征在于：

该形状形成结构（4）围绕着预应力增强结构（1，2）的浇灌仅仅是在包围部分（2）已经产生一定量的永久变形之后，即在蠕变/松弛以后进行，该永久变形量要等于或大于由形状形成结构（4）的液体固化反应所产生的线性收缩的值。

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