基于TRI Z理论的叠合板接缝模架专利技术研发与实践
2020-06-26徐大为
徐大为
(上海建工五建集团有限公司,上海200063)
1 引言
TRIZ 理论的含义是“发明问题解决理论”,即通过分析问题来申请发明专利的基本方法【1】。建筑施工企业可基于TRIZ理论形成一系列对工程建设质量、进度、安全、环保等具有重大促进作用的发明专利【2】,进而推动行业发展与社会进步。现阶段,装配式结构体系符合建筑工业化发展方向【3】,被国家所大力提倡。装配式混凝土结构施工存在的技术问题中,叠合板整体式接缝处模板漏浆、拆模后板底平整度差已成为质量通病。本文分析现有叠合板整体式接缝模板设计施工技术,并通过TRIZ 理论“思维桥”方法改进后,研发满足拼缝质量要求、系统整体性要求以及承载力要求的新专利技术。
2 叠合板接缝模架问题
2.1 常规做法及问题概述
现阶段叠合板接缝方式主要有密拼接缝和后浇带接缝2 种形式,单向叠合板后浇带接缝宽30~50mm,双向叠合板后浇带接缝宽度≥200mm【4】。对于后浇带接缝宽度为200mm 以上的双向叠合板(见图1),在施工过程中既要考虑楼板施工临时支撑问题,又要考虑拼缝处后浇带混凝土施工质量问题。
图1 双向叠合板后浇带接缝构造图
按照常规做法,楼板模板和排架往往按照现浇混凝土楼板的要求设计,即搭设满堂架后在架顶铺设木楞龙骨与梁板底模。叠合板由下部预制板与上部现浇板叠合而成,预制板具有模板功能而不需要设置底模,只需在排架上设置木楞龙骨进行支撑;但预制板之间后浇带特别是双向叠合板后浇带接缝宽度在20cm 以上,需安装排架木楞龙骨后再安装底模方可施工。因此,后浇带底部模板阻碍木楞龙骨的连续性(见图2),破坏了排架体系的整体性。
图2 因设置后浇带底模产生的问题
2.2 已有专利分析
经专利检索,现有关于解决上述20cm 以上宽度双向叠合板后浇带接缝模架施工问题的专利技术主要思路是下部预制板底部边缘设计企口(见图3),企口深度为模板厚度,使模架施工时木楞龙骨铺设面无高差,木楞通长铺设后可采用顶撑方式【5】或吊模方式【6】固定模板。
图3 预制板设置企口
在构件上设置企口存在的问题主要有:因设置企口而减小钢筋的保护层厚度问题,因企口尺寸固定而限制底部模板厚度、不同厚度的模板不能通用的问题;因企口处尺寸较小而导致叠合板生产时混凝土振捣质量和拆模质量问题;叠合板运输、吊装、施工过程中企口容易被碰坏的成品保护问题;拆除模架后企口后续修补存在的砂浆过厚而导致空鼓、开裂及脱落的问题等。
3 TRI Z理论分析问题
3.1“思维桥”分析方法
TRIZ 理论“思维桥”是由“最终理想解、金鱼法、九屏法、STC 算子和小人法”5 种创新思维方法组成的解决发明问题的程式化过程【7】。对于20cm 以上宽度双向叠合板后浇带接缝模架问题,采用最终理想解、九屏法和STC 算子3 种方法来分析。
3.2 最终理想解分析
最终理想解是使产品处于理想状态的解,分析流程为:
1)设计的最终目的是使叠合板底部木楞龙骨通长铺设以形成整体性强的模架体系;
2)达到理想解的障碍是后浇带底部必须要铺设模板;出现这种障碍的结果是若预制板底也铺设模板则会增加造价,若预制板底不铺设模板则木楞龙骨须在后浇带底部隔断;
3)扫除障碍的条件是在木楞龙骨可以通长铺设的情况下后浇带底部模板按照要求铺设;
4)创造此条件的可用资源包括在预制板边缘下部设置企口,使模板底部与预制板底部在同一平面,或者在木楞龙骨上部设置企口,使企口面顶紧模板而木楞龙骨下部在同一平面;
5)最终理想解是既能顶紧后浇带模板又能保证和木楞龙骨下部在同一平面。
3.3 九屏法分析
九屏法是从不同的阶段、层次上提出解决方案。分析思路为:
1)对于双向叠合板后浇带接缝施工问题分析,可以从预制板构件设计生产入手,按工程普遍使用模板较厚的尺寸设计预制板企口;
2)也可以从模板与排架之间用于加强排架整体性的木楞龙骨入手,按工程普遍使用较厚模板的尺寸在木楞龙骨上加工下凹企口;
3)施工时根据企口尺寸配备模板,也可用现有较薄的模板配套垫板来施工,保证模板顶紧而不漏浆。在构件上设置企口存在上文所述的主要问题,因此在木楞龙骨上设置企口的方案更为可行。但无论是在预制板上还是在木楞龙骨上设置企口,都存在模板安装不严密而漏浆以及现有更厚模板不适用的可能。
3.4 SCT算子分析
SCT 算子分析是将尺寸、时间、成本3 个因素分别逐步递增或递减至极值,以找到解决方案。分析流程为:
1)若使尺寸最大即耗材较多,则龙骨周转次数较少,针对特定厚度模板或者特定结构形式使用后即报废;若使尺寸最小即耗材较少,则龙骨周转次数尽可能多,适用于多种厚度模板和多种类型的结构形式;
2)若使制作不受时间限制,则可根据已有模板的厚度、种类制作加工不同尺寸的企口;若使制作时间有限,则可在工厂中提前制作定型化的、适合用于各种模板厚度和结构类型的龙骨作为通用工具,在现场直接使用;
3)为了满足顶紧不同厚度模板而避免漏浆的要求,假设费用较为宽松,龙骨设计可引入液压顶升技术;假设费用有限,龙骨设计可引入高强弹簧。
4 新专利技术研发
通过上述分析,为了既能顶紧后浇带模板又能保证龙骨下部在同一平面,初步设计一种采用高强弹簧、适用于多种模板厚度和多种结构类型、在工厂中制作的定型化通用托梁作为模板龙骨。
4.1 通用托梁设计
4.1.1 材料、尺寸与构造
为了便于工厂制作加工以及提高周转次数,通用托梁采用钢材。因建筑工程中模架体系多采用木方和方钢作为龙骨,而100mm×50mm 方木和100mm×50mm×3.0mm 方钢管最为常用,因此,在预制板范围内托梁的固定部分采用100mm×50mm×3.0mm 方钢管。
对于叠合板后浇带部分,采用调节结构来解决模板顶紧与龙骨底部同平面问题。调节结构包括由2 个角铁对焊形成的钢管、位于该钢管内的高强弹簧和内弹板、位于钢管外的外弹板,以及穿过钢管顶部用于连接内外弹板的支杆。调节结构具有弹性变形能力,受到外力作用时被压缩变小进而产生与外力相反的支撑力。通过调节结构,后浇带模板可被压进托梁内部。采用100mm×50mm×10mm 钢板将调节结构同固定结构焊接连接。通用托梁设计见图4 和图5。
图4 通用托梁纵剖面图
图5 调节结构零件
4.1.2 高强弹簧设计
首先,根据规范【8】取荷载标准值。模板自重荷载取0.04kN/m2。混凝土自重荷载取24kN/m3,叠合板厚度按不利情况取200mm,故混凝土自重荷载标准值取4.8kN/m2。振捣混凝土对水平面模板产生荷载取2kN/m2。考虑到施工人员有直接踩到后浇带的可能,均布活荷载按照75kg 集中荷载作用在0.2m宽后浇带模板情况考虑,托梁间距按不利情况取1m,则均布活荷载为3.675kN/m2。
然后,计算荷载效应组合设计值。考虑到弹簧设计的目的是在不压缩变形的前提下弹簧弹力能够抵消施工荷载及材料自重,故按照极限状态进行设计。由可变荷载效应控制的组合:
式中,γG为永久荷载分项系数,取1.2;γQi为第i个可变荷载的分项系数,均取1.4;Gik为永久荷载效应值;Qik为可变荷载效应值。
则S1=1.2×(0.04+4.8)+0.9×1.4×(2+3.675)=12.96kN/m2。
由永久荷载效应控制的组合:
式中,γG为永久荷载分项系数,取1.35;φci为可变荷载组合值系数,取0.7。
则S2=1.35×(0.04+4.8)+0.7×1.4×(2+3.675)=12.10kN/m2<S1,故取荷载效应组合设计值为S1=12.96kN/m2。
最后,按照式(3)进行弹簧弹性系数设计:
式中,γ0为重要性系数,取0.9;R为结构构件抗力的设计值。
可压缩托梁调节结构中的高强弹簧间距为50mm,500mm长调节结构中最多可设置9 根弹簧。弹簧压缩量按照最不利情况取最小值即最小模板厚度,工程中常用的覆面木胶合板和复合木纤维板最小板厚为12mm。则R=9×k×0.012(kN),k为单根弹簧的弹性系数。
可压缩托梁间距按不利情况取1m,后浇带宽度按不利情况取0.45m。则γ0S=0.9×S1×0.45×1=5.25kN。由式(3)可知:5.25≤9×k×0.012,则k≥48.6kN/m,即对于单根弹簧压缩1mm需施加48.6N 的力(等效于4.96kg)。
4.2 通用托梁使用方法
通用托梁在双向叠合板结构中施工步骤为:在地面上弹线定位后浇带→搭设预制板下及后浇带下排架→铺设木方主楞→铺设后浇带下可压缩托梁→铺设预制板下木方次楞→在可压缩通用托梁上铺设后浇带板底模板(模板与预制板接触部位贴双面胶带纸)→预制板吊装→绑扎钢筋→浇筑混凝土(见图6)。
图6 通用托梁在双向叠合板后浇带应用
可压缩托梁专利技术【9】用于支设在预制板和现浇段的底部,对于现浇段处的模板,可压缩托梁通过调节结构的压缩变形而使得模板压进托梁的内部放置,解决了模板引起的高差问题,使得预制板和现浇段可采用统一的支撑体系。可压缩托梁在被压缩后产生支撑力,对模板起到有力的支撑,顶紧模板防止漏浆的同时能够保证足够承载力承受浇捣混凝土荷载。
5 结语
装配式混凝土结构的设计特点决定预制构件之间须设置后浇段,而在现阶段施工水平下装配式结构后浇段存在漏浆、拔台、烂根、梁底及板底不水平等质量问题【10】。针对双向叠合板后浇带接缝漏浆、板底不水平的质量问题,已有的专利技术的主要思路是下部预制板底部边缘设计企口,却存在减小钢筋保护层厚度、模板不通用、企口加工难、容易被破坏、修补砂浆易空鼓脱落等问题。
本文采用TRIZ 理论“思维桥”方法分析该问题,以最终理想解为目标,分别分析对预制构件和木楞龙骨进行加工改造的可行性,并从尺寸、时间、成本3 个方面进行论证,初步设计一种采用高强弹簧、适用于多种模板厚度和多种结构类型、在工厂中制作的定型化通用托梁作为叠合板后浇带模板龙骨。然后根据龙骨的构造特点和受力特点进行设计,使通用托梁可满足双向叠合板后浇带接缝质量要求、排架模板系统整体性要求以及承载力要求。基于TRIZ 理论形成的此专利技术对于建筑施工企业提升装配式建筑施工质量具有促进作用。