外掛混凝土預制墻板的制作精度計算模型探究

李正欽， 完海鷹， 陳安英

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

在裝配式住宅建筑的建造過程中,到場構件的安裝精度對建筑竣工后的安全性以及穩(wěn)定性起著十分重要的作用,預制混凝土外掛墻板也不例外,由于在裝配式建筑體系中,外墻板會在工廠預先制作好,隨后在現場進行拼裝,故墻板的自重、安裝節(jié)點的位置、安裝順序等因素都會在實際安裝過程中產生極大的影響,節(jié)點位置精度控制不好極有可能導致墻板安裝失敗的結果,墻板自重過大對鋼梁造成較大的負擔導致結構局部失穩(wěn)。所以在墻板施工的過程中,如何保證每一步的誤差都在可控范圍內,對建筑施工進度的順利進行起著尤為重要的作用。墻板構件自身的尺寸精度是安裝過程精度控制的第一步,也是精度控制的基礎,只有確保了構件進場時的尺寸精度,才能保證之后的精度控制。

1 外掛混凝土預制墻板的制造誤差來源分析

1.1 模具制作

模具是墻板成形的基礎工具,與墻板的出廠尺寸有著直接的聯系。根據施工工藝可以把分為“平脫法模具”和“翻轉臺法模具”2種,其中“平脫法模具”是指在模具內完成澆筑后水平起吊脫模,適用于水平構件的制作,當需要制作豎向構件時,則需要用翻轉裝置配合將模具翻轉90°后方能繼續(xù)施工,該種模具的特點是模具本身制作簡單,但場地占用較大且需要翻轉裝置配合施工;“翻轉臺法模具”同樣是在模具內完成澆筑后脫模,但是該種模具自身便可以實現翻轉,同時適用水平構件與豎向構件的制作,該種模具的特點是模具本身制作相對復雜,但場地占用小且不需要其他裝置配合施工。另外,在模板組裝時,需要用連接螺栓對模板進行組裝,盡可能的保證接縫嚴密。故可知即使選用精度相同的模具,不同類型的模具模板以及模具制作工藝都對墻板構件的出廠精度造成較大的影響。

1.2 預埋件的埋設

在墻板制作的過程中,預埋件是維持墻體結構穩(wěn)定、保證墻體與主體建筑順利連接的關鍵裝置。在本工程中,預埋件的固定二點固定法,即在墻板的制作過程中,在每塊預埋件以及模板的相應位置處打上孔徑一致的2個孔,然后再通過螺栓將模板與預埋件連接固定。在預埋件的埋設過程中,固定架與預埋件的焊接剛度,預埋件自身的尺寸精度,孔位的大小等均會對出廠時預埋件的位置產生影響。

1.3 保溫層的鋪設

本工程采用的墻板為預制混凝土夾心保溫外掛墻板,保溫層以及內、外葉墻板層的厚度精度以及不同層之間的連接精度便會對墻板的出廠厚度造成影響。

由上述,在墻板的制作過程中,可將外掛混凝土預制墻板制造精度對安裝精度控制的影響歸納如下:① 模具類型的選擇以及模板組裝時的工藝精度所造成的模具尺寸誤差,考慮到模具尺寸對墻板的出廠尺寸的影響,該種誤差應為系統(tǒng)誤差且在數值上等于模具的尺寸誤差;② 由預埋件的自身尺寸與安裝偏差所造成的連接件定位誤差,該種誤差不可控,并不具有規(guī)律性,通常造成的影響較小,故為非系統(tǒng)誤差。

2 外掛混凝土預制墻板外形尺寸數據分析

實際工程取了2批墻板構件,1批10塊墻板,共20塊尺寸一致的墻板構件,對構件的各項出廠尺寸進行了誤差比對分析,該批墻板的設計尺寸為3280mm×2905mm×150mm,開孔尺寸為1840mm×1400mm,由于墻板的掛板作業(yè)的順利進行與墻板的外形總長度與寬度尺寸相關,而墻板施工完畢后的表面平整度與墻板的總厚度尺寸相關,故在本次測量中并未測量每塊墻板的開洞尺寸,而僅測量墻板的總長度尺寸、總寬度尺寸與總厚度尺寸,得出的數據如表1所列。

表1 墻板外形尺寸測量數據表

為得出在該批次被檢測墻板的制作過程中,不同類型的誤差所造成的影響大小或具體誤差數值,將對上述外形尺寸數據進行正態(tài)分布分析。本文采用spss數據分析軟件統(tǒng)計分析結果如圖1所示。由圖1可見,3組數據分布在曲線上基本滿足正態(tài)分布。

圖1 長度、寬度與厚度的直方圖

3 制作累計誤差的計算模型表示

在裝配累積誤差的計算中,通常通過統(tǒng)計平方公差法(Root-Sum-Squares)來表示累積誤差的大小,統(tǒng)計平方根公差是概率統(tǒng)計法中的一種。統(tǒng)計平方公差法在概率統(tǒng)計法的基礎上進一步指出,大多數的零部件在它們的公差范圍內呈正態(tài)概率分布,此時若由它們所構成的系統(tǒng)與各個零部件線性相關,則系統(tǒng)的分布也可以用一個正態(tài)分布或近似正態(tài)的分布來表示。統(tǒng)計平方公差法在計算裝配公差時假定各環(huán)公差服從正態(tài)分布,裝配累計公差與單個環(huán)的公差之間是線性關系。

根據上述的數據分析可得知,在墻板的安裝過程中,對構件尺寸精度造成影響的因素大致分為3種,故共有3個環(huán),而且每一環(huán)中,偶然誤差的出現都符合正態(tài)分布,系統(tǒng)誤差的出現都存在規(guī)律且為定值,3種因素所造成的誤差都直接影響到構件的最終出廠尺寸,單個環(huán)與累計公差之間為線性關系,故可以認為,在現有情況下,外掛墻板的制作尺寸總誤差表示符合統(tǒng)計平方公差法的使用條件。其具體計算過程如下:

(1)確定封閉環(huán)的基本尺寸。在墻板制作中,最終的尺寸表現為墻板的外形尺寸,將墻板的長度設為L,此時考慮到裝配誤差,將累計總誤差設為T0,則墻板的出廠長度尺寸可以表示為

L0=L+T0

(1)

(2)計算封閉環(huán)公差。根據統(tǒng)計平方公差法,此時組成環(huán)與封閉環(huán)的實際偏差均符合正態(tài)分布,此時,封閉環(huán)的公差平方值等于所有組成環(huán)公差平方值之和,將組成環(huán)的誤差值設為Ti(i=1、2、3、…、n,n為組成環(huán)的個數),此方法下,墻板的出廠長度尺寸的封閉環(huán)公差可表示為:

(2)

其中，Ti為第i個組成環(huán)的尺寸公差;T0為封閉環(huán)公差;n為組成環(huán)個數。

由式(2)知,累積誤差的大小與每個環(huán)的公差大小呈正比關系,與環(huán)的個數呈正比關系。故由此可知,在控制外掛預制混凝土墻板安裝精度的過程中,需要盡可能的減少每一環(huán)中的誤差,或者減少環(huán)的數量,才能對累積誤差進行有效控制。

4 墻板制作精度改進對策

針對模具類型的選擇,其中“平脫法模具”需要翻轉機器的配合,考慮到翻轉機器與模具并非一體式,故會存在如模具固定不到位、墻板與機器翻轉角度不一致等不確定的偶然誤差的隱患,因此可以把墻板的脫模與翻轉認為是兩環(huán),而“翻轉臺法模具”是自身便可以實現脫模與翻轉的一體式模具,故在此模具下墻板的脫模與翻轉為一環(huán),根據文中所提到的誤差計算模型,需要盡可能的降低環(huán)的數量,故使用“翻轉臺法模具”可以降低工藝誤差的風險。

針對預埋件的定位,在二點固定法的實施過程中,孔的位置精度以及孔徑的大小精度都會對最終的預埋件位置造成影響,故應在預埋件安裝前,測量檢查預埋件的自身尺寸與孔位精度,檢查合格后方能進行混凝土澆灌,考慮到預埋件需要在安裝時承受墻板的自重,為防止自重所導致的預埋件位置偏移,使用型鋼作為安裝固定架可以更好得滿足負荷與穩(wěn)定性的要求,降低定位偏移的風險。

5 結束語

通過對墻板生產制作工藝的研究,對墻板在制作過程中的誤差成因進行了分析,得到了墻板的制作精度與模具尺寸誤差、預埋件定位誤差、保溫層與結構層的厚度尺寸誤差這3個因素有關的結論,隨后針對現場所測得的墻板外形尺寸數據進行分析,得出了本批墻板構件在外形尺寸上符合正態(tài)分布的結論,后結合統(tǒng)計平方公差法,得出了該制作體系下墻板的外形尺寸累積誤差的一般表達式。最后針對文中提出的問題,提出了提高制作精度的建議。