可拼装模块化木冰组合楼板及其施工和拼装方法

1.本发明涉及组合楼板，尤其涉及可拼装模块化木冰组合楼板及其施工和拼装方法。


背景技术：

2.在南极或北极的科考站中，为了不造成环境污染且为了方便施工，一般在极端环境中并不浇筑混凝土，转而采用型钢结构。
3.钢材在寒冷环境中会出现冷脆现象，材料脆性显著增加。此外钢筋的导热性能极佳，大量使用钢筋会在建筑中会形成冷桥，不利于保温。室内的热空气将通过钢筋大量散发到室外的寒冷环境中，造成室内能源的浪费。
4.钢筋在沿海环境中长期受到海风、海水的作用，对涂层的使用和后期的维护将形成极大的挑战。此外将钢筋从国内运输至南极或北极将耗费极大的成本，大量占据运输船的空间，且钢筋重量较大，不利于极地环境的施工。
5.为了保证预制构件的质量和精度，传统的钢结构预制完成后都需要在工厂预拼装，拼装无误后再拆开装船运输至极地。但是运输和吊装过程很难保证不对构件产生塑性变形，且极地环境与工厂预拼装的环境有显著区别，导致即使工厂可以预拼装，也不能完全保证到了极地环境能顺利拼装。
6.因此，亟待解决上述问题。


技术实现要素：

7.发明目的：本发明的第一目的是提供一种可抵抗水平面内任意方向的冰与木材的粘结滑移的可拼装模块化木冰组合楼板。
8.本发明的第二目的是提供该可拼装模块化木冰组合楼板的施工方法；
9.本发明的第三目的是提供该可拼装模块化木冰组合楼板的拼装方法。
10.技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可拼装模块化木冰组合楼板，包括由上层木板、下层木板和端部木板围成封闭腔体的外壳、填充在外壳腔体内且凝固的冰体以及位于冰体内且放置于下层木板内侧的钢纤维层，上层木材的内侧面上设置有纵横相交的上层凹槽，下层木材的内侧面上设置有纵横相交的下层凹槽，上层凹槽和下层凹槽内均填充有冰体。本发明上层木板和下层木板上开设纵横相交的凹槽能克服木板与冰之间胶结力不足的缺点，增加木板与冰体之间的咬合力；槽与冰相互挤压形成的正应力能确保两种材料共同工作，受弯时保证平截面假定；同时两个正交的正应力可分解为水平面内任意方向的两组正交的正应力，即可抵抗水平面内任意方向的冰与木材的粘结滑移。
11.其中，上层木板与端部木板通过钢钎相连接，钢钎从端部木板外侧依次穿过端部木板和上层木板，且端部木板外部露出部分钢钎。
12.优选的，上层木板内设置有用于抵住钢钎的t型钢，其中钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处。
13.再者，下层木板与端部木板通过钢钎相连接，钢钎从端部木板外侧依次穿过端部木板和下层木板，且端部木板外部露出部分钢钎。
14.进一步，下层木板内设置有用于抵住钢钎的t型钢，其中钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处。
15.优选的，钢纤维层包括依次排列的由若干根钢纤维焊接而成钢纤维体。
16.再者，钢纤维体包括与下层木板相平行且呈米字型的钢纤维面和上下对称垂直设置于钢纤维面中心处的竖直钢纤维。
17.进一步，钢纤维体包括与下层木板相平行且呈米字型的水平钢纤维面以及与下层木板相垂直且呈米字型的竖直钢纤维面。
18.本发明一种可拼装模块化木冰组合楼板的施工方法，包括如下步骤：
19.(1)预制上层木板、下层木板和端部木板，并在上层木板和下层木板的一侧面上开设纵横相交的凹槽，并将上层木板、下层木板和端部木板在工厂预拼装好后拆除；
20.(2)预制t型钢与钢钎，并将t型钢的压入侧面削尖；
21.(3)将若干个成品的单根钢纤维焊接成钢纤维体；
22.(4)根据钢纤维体的尺寸设计小冰块单元模板，小冰块单元模板包括底板、四面侧板、与底板平行设置的隔板以及位于隔板与底板之间的弹簧，隔板可沿着侧板上下移动，初始状态下弹簧处于自由状态；底板和四面侧板上均开设有与钢纤维相适配的小孔；
23.(5)将预制好的上层木板、下层木板、端部木板、t型钢、钢钎、钢纤维体以及小冰块单元模板运输至极地环境；
24.(6)用外力将t型钢削尖侧压入上层木板和下层木板；
25.(7)将三侧的端部木板通过钢钎与上层木板与下层木板连接形成模板，且钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处，钢钎尾部裸露在端部木板的外部；
26.(8)将钢纤维体穿入小冰块单元模板的小孔，且钢纤维体高出侧板上表面；
27.(9)在极地环境中取用干净的冰，加热成液态水，将水倒入小冰块单元模板内；
28.(10)待水凝固后形成带钢纤维体的小冰块单元，且钢纤维体凸出小冰块的上表面和侧面，拆模取出，并将小冰块单元的六个表面凿毛；
29.(11)将小冰块单元依次排列放置于模板内的下层木板的内侧面；
30.(12)在极地环境中取用干净的冰，加热成液态水，将适量的水倒入模板腔体内，等水凝固成冰；
31.(13)将最后一侧的端部木板通过钢钎与上层木板和下层木板相连，且钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处，钢钎尾部裸露在端部木板的外部；形成木冰组合楼板标准单元。
32.本发明一种可拼装模块化木冰组合楼板的拼装方法，包括如下步骤：
33.(1)取下一个木冰组合楼板标准单元的钢钎，保留钢钎拔去后留下的孔；
34.(2)将另一个木冰组合楼板标准单元的钢钎刺入步骤(1)中钢钎拔去后留下的孔；
35.(3)重复步骤(1)和步骤(2)，继续拼装木冰组合楼板标准单元；
36.(4)割去端部木冰组合楼板标准单元凸出的钢钎。
37.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
38.(1)本发明上层木板和下层木板上开设纵横相交的凹槽能克服木板与冰之间胶结
力不足的缺点，增加木板与冰体之间的咬合力；槽与冰相互挤压形成的正应力能确保两种材料共同工作，受弯时保证平截面假定；同时两个正交的正应力可分解为水平面内任意方向的两组正交的正应力，即可抵抗水平面内任意方向的冰与木材的粘结滑移；
39.(2)本发明当组合楼板发生破损、需要改造或需要搬迁时，木冰组合楼板可迅速实现原材料的回收再利用，木材几乎可以实现100％的循环；同时木材属于环保材料，不会对极地环境造成环境污染，还有木材能避免冰直接遭受日晒，能在一定程度上防止在极昼环境时冰融化；
40.(3)本发明施工方法极大地简化现场施工，就地取材，不需要从材料原产地运输大量沉重的钢材到南极或北极，仅需运输轻质的木材和少量的钢材；
41.(4)本发明拼装方法简单，同时钢钎能简单且有效连接相邻楼板，且钢钎与木材变形后会产生正应力，能有效传递弯矩和剪力；
42.(5)本发明设置t型钢抵住钢钎，保证钢钎能顺利刺入另一个楼板标准单元中，完成拼接，有效避免因各块木材之间在强度、泊松比、线膨胀系数等参数上存在很不可控的差异性，且极地环境会出现各种材料的胀缩问题，而出现的钢钎只能刺入一个标准楼板单元，而不能刺入另一个钢钎留孔等问题；
43.(6)本发明中设置钢纤维层，使得本发明相比于纯冰的板，可避免出现冰因裂缝开展而引起的脆性破坏，由于钢纤维的存在，可以限制裂缝的开展，实现用钢纤维代替钢筋；
44.(7)本发明施工方法中小冰块单元的六个表面凿毛可以防止新旧冰面因粘结力不足而形成薄弱面；凸出小冰块的竖向钢纤维进一步极大地增强了新旧冰面的机械咬合力；
45.(8)当楼板支座较难达到固接或接近固接效果时，楼板在受力时接近于四边简支的受力状态；在此受力状态下，楼板下部全部处于受拉状态，而冰属于脆性材料，一旦受拉及产生脆性破坏的裂缝，切破坏时没有征兆，变形很小；因而将含有钢纤维的小冰块单元置于下层木板上，当裂缝经过钢纤维时，钢纤维可以有效限制裂缝开展，防止楼板产生脆性破坏；
46.(9)本发明施工方法中在小冰块模板内设置可上下移动的隔板，并将隔板放置于弹簧上，是为了防止水凝固膨胀时将钢纤维顶起变形，在弹簧和可移动的隔板作用下，水凝固膨胀时可以往上下两个方向同时膨胀，避免单侧膨胀变形。
附图说明
47.图1为本发明的结构示意图；
48.图2为本发明中上层木板的俯视图；
49.图3为本发明中上层木板的剖视图；
50.图4为本发明中钢钎的结构示意图；
51.图5为本发明中t型钢的结构示意图；
52.图6为本发明中t型钢压入侧面削尖状态下的结构示意图；
53.图7为本发明中钢钎与t型钢相抵状态下的示意图；
54.图8为本发明中组合楼板的拼装示意图；
55.图9为本发明中钢纤维体的结构示意图；
56.图10(a)为本发明中小冰块单元模板的俯视图；
57.图10(b)为本发明中小冰块单元模板的剖视图；
58.图11(a)为本发明中t型钢压入上层木板的结构示意图；
59.图11(b)为本发明中t型钢压入下层木板的结构示意图；
60.图12为本发明中模板的结构示意图；
61.图13(a)为本发明中钢纤维体放入小冰块单元模板的俯视图；
62.图13(b)为本发明中钢纤维体放入小冰块单元模板的剖视图；
63.图14为本发明中小冰块单元模板内水凝固形成冰体的示意图；
64.图15(a)为本发明中带钢纤维体的小冰块的侧视图；
65.图15(b)为本发明中带钢纤维体的小冰块的俯视图；
66.图16为本发明中模板内放置带钢纤维体的小冰块的结构示意图。
具体实施方式
67.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
68.如图1所示，本发明一种可拼装模块化木冰组合楼板包括上层木板1、下层木板2、端部木板3、冰体4、钢钎5、t型钢6和钢纤维体7，其中上层木板1、下层木板2和端部木板3围成具有封闭腔体的外壳，上层木材1的内侧面上设置有纵横相交的上层凹槽101，下层木材2的内侧面上设置有纵横相交的下层凹槽201，冰体4填充在外壳腔体以及上层凹槽101和下层凹槽201内，如图2和图3所示。本发明上层木板和下层木板上开设纵横相交的凹槽能克服木板与冰之间胶结力不足的缺点，增加木板与冰体之间的咬合力；槽与冰相互挤压形成的正应力能确保两种材料共同工作，受弯时保证平截面假定；同时两个正交的正应力可分解为水平面内任意方向的两组正交的正应力，即可抵抗水平面内任意方向的冰与木材的粘结滑移。
69.如图4、图5和图7所示，上层木板1内设置有用于抵住钢钎的t型钢6，上层木板1与端部木板3通过钢钎5相连接，钢钎5的端部从端部木板3外侧依次穿过端部木板3和上层木板1，且钢钎5的端部抵在t型钢6翼缘与腹板交接位置处，钢钎5的尾部裸露在端部木板的外部，即端部木板3外部露出部分钢钎，便于相邻组合楼板完成拼接。下层木板2内设置有用于抵住钢钎的t型钢6，下层木板2与端部木板3通过钢钎5相连接，钢钎5的端部从端部木板3外侧依次穿过端部木板3和下层木板2，且钢钎5的端部抵在t型钢6翼缘与腹板交接位置处，钢钎5的尾部裸露在端部木板的外部，即端部木板3外部露出部分钢钎，便于相邻组合楼板完成拼接。即使是同种木材，且钢钎拔出后会留孔，但各块木材之间在强度、泊松比、线膨胀系数等参数上存在很不可控的差异性，且极地环境会出现各种材料的胀缩问题，故有可能会出现钢钎只能刺入一个标准楼板单元，而不能刺入另一个钢钎留孔的情况；本发明设置t型钢抵住钢钎，保证钢钎能顺利刺入另一个楼板标准单元中，顺利完成拼接。
70.下层木板2内侧面上方放置于有钢纤维层，钢纤维层位于冰体4内部。钢纤维层包括依次排列的由若干根钢纤维焊接而成钢纤维体7。钢纤维体7包括与下层木板相平行且呈米字型的钢纤维面和上下对称垂直设置于钢纤维面中心处的竖直钢纤维；或者钢纤维体7包括与下层木板相平行且呈米字型的水平钢纤维面以及与下层木板相垂直且呈米字型的竖直钢纤维面。
71.本发明一种可拼装模块化木冰组合楼板的施工方法，包括如下步骤：
72.(1)预制上层木板、下层木板和端部木板，并在上层木板和下层木板的一侧面上开设纵横相交的凹槽，并将上层木板、下层木板和端部木板在工厂预拼装好后拆除；
73.(2)预制t型钢与钢钎，并将t型钢的压入侧面削尖，如图6所示；
74.(3)将若干个成品的单根钢纤维焊接成钢纤维体，如图9所示；
75.(4)根据钢纤维体的尺寸设计小冰块单元模板，小冰块单元模板包括底板8、四面侧板9、与底板平行设置的隔板10以及位于隔板与底板之间的弹簧11，隔板10可沿着侧板9上下移动，初始状态下弹簧11处于自由状态；底板8和四面侧板9上均开设有与钢纤维相适配的小孔12，如图10(a)和图10(b)所示；
76.(5)将预制好的上层木板、下层木板、端部木板、t型钢、钢钎、钢纤维体以及小冰块单元模板运输至极地环境；
77.(6)用外力将t型钢削尖侧压入上层木板和下层木板，如图11(a)和图11(b)所示；
78.(7)将三侧的端部木板通过钢钎与上层木板与下层木板连接形成模板，且钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处，钢钎尾部裸露在端部木板的外部，如图12所示；
79.(8)将钢纤维体穿入小冰块单元模板的小孔，且钢纤维体高出侧板上表面，如图13(a)和图13(b)所示；
80.(9)在极地环境中取用干净的冰，加热成液态水，将水倒入小冰块单元模板内，如图14所示；
81.(10)待水凝固后形成带钢纤维体的小冰块单元，且钢纤维体凸出小冰块的上表面和侧面，拆模取出，并将小冰块单元的六个表面凿毛，如图15(a)和图15(b)所示；
82.(11)将小冰块单元依次排列放置于模板内的下层木板的内侧面，如图16所示；
83.(12)在极地环境中取用干净的冰，加热成液态水，将适量的水倒入模板腔体内，等水凝固成冰；
84.(13)将最后一侧的端部木板通过钢钎与上层木板和下层木板相连，且钢钎端部抵在t型钢翼缘与腹板交接位置处，钢钎尾部裸露在端部木板的外部；形成木冰组合楼板标准单元，如图1所示。
85.由于冰与混凝土一样，属于脆性材料，因而本发明相比于纯冰的板，本发明中设置钢纤维层可避免出现冰因裂缝开展而引起的脆性破坏；小冰块单元的六个表面凿毛可以防止新旧冰面因粘结力不足而形成薄弱面；凸出小冰块的竖向钢纤维进一步极大地增强了新旧冰面的机械咬合力；由于钢纤维的存在，可以限制裂缝的开展，实现用钢纤维代替钢筋。当楼板支座较难达到固接或接近固接效果时，楼板在受力时接近于四边简支的受力状态；在此受力状态下，楼板下部全部处于受拉状态，而冰属于脆性材料，一旦受拉及产生脆性破坏的裂缝，切破坏时没有征兆，变形很小；因而将含有钢纤维的小冰块单元置于下层木板上，当裂缝经过钢纤维时，钢纤维可以有效限制裂缝开展，防止楼板产生脆性破坏。
86.本发明施工方法中在小冰块模板内设置可上下移动的隔板，并将隔板放置于弹簧上，是为了防止水凝固膨胀时将钢纤维顶起变形，在弹簧和可移动的隔板作用下，水凝固膨胀时可以往上下两个方向同时膨胀，避免单侧膨胀变形。
87.如图8所示，本发明一种可拼装模块化木冰组合楼板的拼装方法，包括如下步骤：
88.(1)取下一个木冰组合楼板标准单元的钢钎，保留钢钎拔去后留下的孔；
89.(2)将另一个木冰组合楼板标准单元的钢钎刺入步骤(1)中钢钎拔去后留下的孔；
90.(3)重复步骤(1)和步骤(2)，继续拼装木冰组合楼板标准单元；
91.(4)割去端部木冰组合楼板标准单元凸出的钢钎。