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预应力混凝土外墙挂板应用及分析

2018-07-10 15:16  来源:中国幕墙网   编辑:王会晶  点击:次   [我要评论]

  一:慨述:
 
  预应力混凝土挂板以其特有的高强稳定特性在欧美建筑中广泛应用,并且以其特有的古朴,稳重,自然的特性,慢慢广受建筑师的青睐,并把它作为一种“纯粹”的建筑语言,应用在建筑室内外装饰中,并因此成就了一批国际建筑大师。
 
  传统做法一是采用模板技术,与主体结构统一施工,模板成本及施工工艺要求很高,而且施工效率很低,需要精工细作,不适合广泛应用。二是采用传统预制构件,但受制于普通混凝土耐久性的影响,为达到必要的耐久性,厚度较大,造成二次装饰荷载不能得以控制,使用也受到限制。
 
  二:预应力混凝土的特性:
 
  随着世界混凝土的技术的发展,高性能混凝土(Highperformanceconcrete,简称HPC)是在高强混凝土(Highstrengthconcrete,简称HSC)的基础上发展而起来的,代表着目前世界混凝土发展的方向。不仅已广泛应用在特种结构中,而且在装饰工程中,利用其高精细化,高耐久性的特性,得以实现25-30mm的厚度的稳定构件,制作出与一般外幕墙材料同样厚度的薄板,在保证安全的前提下,方便地把混凝土作为装饰的要素用于建筑幕墙中。
 
  高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术,选用优质原材料,除水泥、水、集料外,必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土”。高强度、高工作性、高耐久性这三项指标,构成了“高性能混凝土”。普通混凝土以抗压强度作为最基本的特征,即强度是普通混凝土配合比设计和生产需要的唯一指标;而高性能混凝土则以耐久性作为主要指标,同时还有强度、工作性和体积稳定性等。高性能混凝土通过大量增加化学外加剂和矿物掺合料,使其性能得到质的变化,改变混凝土微观孔结构,提高混凝土的抗渗透、抗冻融和抗碳化的性能;防止温度裂缝产生和混凝土本身的收缩;抑制碱—集料反应,提高混凝土抗化学侵蚀的能力。外加剂已不是单一的品种,而是向着复掺、复合型的方向发展。
 
  混凝土是一种具有不同孔隙的多孔体。毛细孔和凝胶体数量是决定混凝土强
 
  度和耐久性的重要因素。毛细孔越少,混凝土越密实,耐久性越好,反之越差;而凝胶体数量越多,混凝土的强度越高,反之越低。相比普通混凝土,外加剂、矿物掺合料等辅助配料使混凝土的水胶比突破理论水胶比的愿望成为现实。采用低水胶比的HPC,硬化后毛细孔数量显著减少,提高了混凝土水化反应前后的体积稳定性,;而超细掺合料改善粉体集料的级配,也大幅度减少毛细孔数量,使HPC形成高度致密的微观结构。此外,超细掺合料的活性大,火山灰反应强烈,消耗掉大量的Ca(OH)2,产生较多的凝胶体量,使得强度得到提高同时,Ca(OH)2的减少,也提高了HPC的抗腐蚀性能。
 
  高性能混凝土(HPC)采用品质优良的硅灰或经过再加工的工业副产品为掺合料。因细度小,活性极高,其主要作用有:可以代替一定比例的水泥,改善混凝土的体积稳定性;改善混凝土的级配,增加密实度;能与水泥水化产物中的薄弱结晶Ca(OH)2发生火山灰反应,形成对强度和耐久性有益的水化硅酸钙凝胶,有抑制有害化学反应的作用。相比普通混凝土,HPC具有高强度、高耐久性及高工作性等宏观性能。HPC的高耐久性比高强度更有优势,因毛细孔的减少和粉料的合理级配使其微观结构达到相当致密的状态,外界有害介质很难侵入。有研究表明,即使对遭受海水腐蚀的海上钻井平台和跨海大桥也能达到很高的耐久性,高性能混凝土在海洋环境中能达到100年以上的耐久性,其耐久性之高是普通混凝土难以达到的。
 
  三:预应力混凝土的可选择性:
 
  双向预应力混凝土创意板,利用其特有的高性能混凝土技术,添加工艺及硅胶模板工艺,不仅可以制作厚度25-30mm的薄板,而且使混凝土的表面的表现力大大提高。作为一种高度工业化的产品,在工艺,尺寸高度标准化的基础上,色彩选择及表面机理又给建筑师留出较大的二次创造空间。该产品具有工业标准化及个性化完美结合的特性。
 
  板材的色彩采用无机矿物颜料通体着色,解决了色赛紫外线照射下的稳定性问题,而且在室内应用中,不存在有机颜料的挥发污染的问题。表面效果通过特制的硅胶模板,实现精细化的表现,并可通过表面艺术化擦色,创作出更多富有艺术效果的作品。以下为欧泽塔提供的产品样板图片及标准尺寸:

   标准尺寸为3000x2200x25-30mm,室内可采用最薄25mm,室外采用30mm。内置双向直径3mm间距100mm的刻痕预应力冷拔钢丝。此部分钢丝不应作为受力钢筋,而是提高板材整体性,降低并改善裂隙发生及发展,特别是在板材运输及施工中,以防止裂隙的发生。

 
  板材可以二次裁切,并可以像石材一样进行不同的精细加工,如磨边,倒角等,以适应不同项目的个性要求。板材裁切要考虑损耗对成本的影响。以下是较为经济的裁切方案

  四:预应力混凝土的性能:
 

  混凝土板的物理力学性能根据ETA及DAU认证测试结果如下表示:

性质

宣布的数值

参考标准

长度 mm

标准尺寸

2996±3

EN 12467

裁切后

±0.5%

宽度 mm

标准尺寸

2196±3

裁切后

±0.5%

厚度 mm

标准尺寸

30 ±5

螺帽位置误差 mm

±1

---

干密度(6)密度 kg/m3(不含钢筋)

2050±3%

EN 12467

干密度(7)密度 kg/m3(包含钢筋)

2085±3%

含水率 %

<8%

标准规格板材3.00×2.20的重量含钢筋(8 kg

485.5±10%

---

每平米重量

73.8 kg/m2± 10%

 

抗弯强度

≥4.0 MPa

EN 12467

板材的弹性N/mm2

7000 - 12000 MPa

EN 12467

硬化后抗压强度(不含钢筋) N/mm2

>30 MPa

EN 1015-11

板材的线性热扩张系数

-2040℃之间

<16μm/m

EN 14617-1&EN 1170-7

060℃之间

<19μm/m

EN14617-11&EN1170-7

全部浸入后吸水量

g/cm3

<0.32

EN 1170-6

%

<16%

潮湿造成的尺寸变化

- 收缩mm/m

- 膨胀mm/m

 

<1,50mm/m

<0,25mm/m

EN 1170-7

  其他物理性能指标:

毛细作用吸水 g / m2·s

<0.5

EN 1015-18

板材耐弯曲的平均能力 N/mm2

>7.5

EN 12467

遇火反应分级

A1

UNE EN 13501-1

热传导系数 λ(W/mk

25

UNE EN 12524

遇水蒸气扩散系数 μ

80 - 130

  表格2.1:预制混凝土板材特性的一些宣布的值
 
  (6)硬化混凝土的密度,不考虑预应力骨架
 
  (7)包括嵌入的螺帽和预应力钢筋的密度。在自然环境中密度可能会增加15%
 
  (8)处于自然环境中,不考虑Ω组件的重量
 
  板材的抗弯强度按照EN12467(水泥纤维板)标准试验方法确定,测试数据如下:

测试样板

第一道裂缝发生时的弯曲强度值(MPa

破坏时的弯曲强度值(MPa)

Rm,1

Rc,1

Rm,u

Rc,u

纵向

5.9

5.1

10.0

7.4

横向

5.8

5.3

9.9

6.5

Rm=平均值;Rc=75%的执行度标准值,如采用95%置信度,标准值会提高。

  上表中4MPa的抗弯强度是在考虑耐久性能后的标准强度。
 
  板材的抗风压测试,参照ETAG034part1,5.4.1章节的测试方法,对其临界状态进行测试如图示,其中Z型横龙骨间距1500mm,测试Ω挂件挂点中间最大弯曲状况,结果如下表。(测试的安装体系及测试结果由欧泽塔提供)

测试结果(1)

根据机械性能计算的结果(pa

测试

最大荷载Q(Pa)

最大荷载作用下的变形(mm)变形后1分钟恢复

Z型龙骨最大变形下的计算荷载(4)

根据板材抗弯强度计算的荷载(5)

负风压

3600(2)

7,8 (3)

0.7mm

2000

2100

正风压

3600(2)

6,2 (3)

0.7mm

(1)测试样品:四块板块,540x1996x30,使用四个背栓及连接的Ω挂件,两道横龙骨,间距1500mm。挂点最大间距800mm

(2)最大荷载作用下无破坏。

(3)变形测量位置在板块中央位置。

(4)测试样块的计算荷载,是在考虑Z型龙骨发生不可恢复的1mm变形状态下的,按单跨梁计算的最小睡【水平荷载特征值。

(5)测试样块的计算荷载,是按照上表中板块最小抗弯强度4MPa计算的结果。

  测试样板图示:
 
  对板材在水平荷载作用下的抗弯及挠度设计计算,建议优先采用有限元计算,或近似按照多跨连续杆件计算,但需要进行双向符合,取最大值予以设计控制。
 
  板材如作为外幕墙应用,板材背面在生产线上,统一预置有48个M10的大头螺栓,通过此螺栓,可以方便地链接各种吊挂件,与横龙骨或结构实现连接。预置锚栓的最小锚固深度保证不小于15mm,以保证其一定的承载性能。背栓计算不仅要考虑正常使用状态下的受力,如在安装过程中作为吊装点,也要进行施工阶段的受力计算或通过测试确定。
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