CN103195204A - 木材-混凝土复合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种木材-混凝土复合结构，包括位于底层的木材层和位于上层的混凝土层，通过穿孔钢板将底层的木材层和上层的混凝土层有效的连接。本发明的木材-混凝土复合结构能够充分发挥木材抗弯和混凝土板抗压的优点，从而得到具有高刚性和高强度的组合结构。和普通的纯木楼盖相比，它能够有效减少楼盖的变形和振动。与传统钢筋混凝土楼板相比，组合楼板的恒荷载更低，所以作用在基础的荷载和地震中受到的地震作用都更小。本发明的木材-混凝土复合结构可以用于地板、楼板或者桥梁结构。

Description

木材-混凝土复合结构

技术领域

本发明涉及建筑材料的技术领域，更具体的说本发明涉及一种木材-混凝土复合结构。

背景技术

在欧洲，由于一战和二战后钢筋混凝土制造中钢材的短缺，促使了木材混凝土结构(TCC)的发展。1922年德国的米勒申请了一项专利，涉及钉子和钢支撑连接木板和混凝土的技术，成为第一个获得木材-混凝土结构专利的人。

在美国，1933年詹姆斯·F·塞勒首先提出使用木材-混凝土横梁的设想。而塞勒和美国木材保护者协会分别在1932年和1935年间开创了在桥梁施工中使用木材-混凝土复合板的先例。1935年木材保护协会的“木材和混凝土复合结构”专利成为美国建造此类结构的基础。

然而由于没有有效的解决木材和混凝土之间的剪切应力和连接问题，TCC技术的发展陷入了长期停滞的境地。

木地板具有轻便、舒适和环保的特点，目前房屋装修使用的地板通常均为实木地板或实木复合地板；但实木地板在使用过程中容易出现翘曲和变形，另外实木地板的隔音效果不佳，阻尼系数不高，整体抗震性能不佳。

另外，对于高架桥或者桥梁使用的桥梁结构，如果纯粹使用钢筋混凝土结构将必然导致桥墩的承受力大大增加；而且单纯的钢筋混凝土结构抗弯曲性能和刚性较差，在发生地震或者瞬时大风等情况下，抗震和抗振动性能较差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的发明人通过对现有的TCC技术进行改性，提出了木材-混凝土复合结构，能够成功应用于地板、地面楼板和桥梁结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种木材-混凝土复合结构，包括位于底层的木材层和位于上层的混凝土层，其特征在于所述木材层和混凝土层之间嵌有穿孔钢板。

其中，所述的木材层和穿孔钢板之间通过胶粘剂结合。

其中，所述的木材层和混凝土层之间设置有胶合板或刚性隔声板。

其中，所述的混凝土层为普通钢筋混凝土或纤维增强混凝土。

本发明的另一方面，还涉及一种地板，其由上述木材-混凝土复合结构构成，并且所述的木材层为木板。

本发明的另一方面，还涉及一种桥梁结构，其由上述木材-混凝土复合结构构成，并且所述的木材层为木质横梁。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的术材-混凝土复合结构能够充分发挥木材抗弯和混凝土板抗压的优点，从而得到具有高刚性和高强度的组合结构，能够有效减少复合结构的振动。与传统的钢筋混凝土结构相比，组合结构的恒载荷更低，因而作用在基础的荷载和地震中受到的作用都更小，并且由于其中木材具有较大的面内刚性，有利于维护整个建筑的儿何形状，增强了建筑的整体抗震力。与传统的纯木结构相比，复合结构的承载力和抗弯刚度可以提高3-5倍；而且提高了体系的隔音效果和阻尼效应，可以降低结构的振动。本发明的木材混凝土复合结构特别适用于地板、楼板或者桥梁结构。

附图说明

图1为实施例1所述木材-混凝土复合地板的结构示意图。

图2为实施例2所述木材-混凝土桥梁结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的木材-混凝土复合地板(TCC地板)，包括位于底层的木板200和位于上层的混凝土层100，木板200和穿孔钢板300之间通过胶粘剂粘结。所述的混凝土层为纤维增强混凝土材料。使用高强度的混凝土和充足的纤维增强物有助于显著增强混凝土和穿孔钢板的连接性能。

理论上，TCC的固接程度或复合工作程度可以由剪切连接的效率来衡量，计算公式如下所示：

其中，D_C是TCCS完全复合工作时的理论挠度(由换算截面估算)，D_N是没有复合工作时的理论挠度(以一个分层横梁估算，不考虑层间剪力传递)，D_I是TCC横梁的实际测量挠度。本实施例所述的TCC地板理论效率约为95-100％，这也意味着木材和混凝土之间有很好的复合作用。除了应用于地板以外，本实施例所述的TCC结构实际上也可以用作多层建筑的楼板。

实施例2

如图2所示，本实施例所述的木材-混凝土桥梁结构(TCC桥梁结构)，包括位于底层的木质横梁20和位于上层的混凝土层10，木质横梁20和穿孔钢板30之间用胶粘剂粘合。所述的混凝土层为纤维增强混凝土材料；使用高强度的混凝土和充足的纤维增强物有助于显著增强混凝土和穿孔钢板的连接性能。作为上述TCC桥梁结构系统，利用弹性复合作用原理，通过换算截面法可以很容易的根据设计需求进行结构计算；所述的计算方法可以总结如下：

有效抗弯刚度

当计算弯矩产生的挠度时，应首先确定有效复合弯曲刚度(EI)_eff。(EI)_eff的计算公式如下：

${\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}=E_c{I}_c+{\mathrm{\γ}}_1{E}_c{A}_c{a}_1^2+E_t{I}_t+{\mathrm{\γ}}_2{E}_t{A}_t{a}_2^2---\left(2\right)$

其中，

I_c，I_t＝混凝土地板和木梁的惯性矩

E_c，E_t＝混凝土地板和木梁的杨氏弹性模量

A_c，A_t＝混凝土地板和木梁的面积

a₁＝混凝土地板质心和有效TCC质心之间的距离

a₂＝木梁质心和有效TCC质心之间的距离

γ_i＝剪切连结系数(当没有复合作用时，γ_i＝0)，当完全复合作用时，γ_i＝1)剪切连结系数的计算公式如下：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_1=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\π}}^2{E}_C{A}_{C}s}{K{L}^2}}& {\mathrm{\γ}}_2=1---\left(3\right)\end{array}$

其中，s＝连接件之间的间距；K＝连接件的刚度(滑移模量)；L＝TCC的跨度木梁质心和有效TCC质心之间的距离计算公式如下：

$a_2=\frac{{\mathrm{\γ}}_1{E}_c{A}_c(h_c+h_t)}{2({\mathrm{\γ}}_1{E}_c{A}_c+E_t{A}_t)}---\left(4\right)$

其中，h_c＝混凝土地板的厚度，h_t＝木梁的厚度

正应力的计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{c,C}={\mathrm{\σ}}_c+{\mathrm{\σ}}_{b,C}=\frac{M_{\max }}{{\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\γ}}_1{E}_c{a}_1+\frac{0.5M_{\max }}{{\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}}{h}_c{E}_c---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_{w,T}={\mathrm{\σ}}_T+{\mathrm{\σ}}_{b,T}=\frac{M_{\max }}{{\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}}{E}_t{a}_2+\frac{0.5M_{\max }}{{\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}}{h}_t{E}_t---\left(6\right)$

其中，σ_c，C＝混凝土的正应力，σ_c＝混凝土的压应力，σ_b，C＝混凝土弯曲应力，σ_w，T＝木材的正应力，σ_T＝木材的拉应力，σ_b，T＝木材的弯曲应力，M_max＝梁内最大弯矩，

连接件荷载

作用在连接件上的荷载计算公式如下：

$F=\frac{{\mathrm{\γ}}_1{E}_c{A}_c{a}_{1}s}{{\left(\mathrm{EI}\right)}_{\mathrm{eff}}}{V}_{\max }---\left(7\right)$

其中，F＝作用在连接件上的荷载，V_max＝梁内最大剪切力。

虽然具体实施方式部分已经通过实施例对本发明的技术方案进行了详细的阐述，但本发明的保护范围并不限于上述实施例，只要没有脱离发明实质的实施方式，均应理解为落在了本发明要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种木材-混凝土复合结构，包括位于底层的木材层和位于上层的混凝土层，其特征在于：所述木材层和混凝土层之间嵌有穿孔钢板。

2.根据权利要求1所述的木材-混凝土复合结构，其特征在于：所述木材层和穿孔钢板通过胶粘剂结合。

3.根据权利要求1所述的木材-混凝土复合结构，其特征在于：所述的混凝土层为普通钢筋混凝土或纤维增强混凝土。

4.根据权利要求1-3任一项所述的木材-混凝土复合结构，其特征在于：所述的木材层和混凝土层之间设置有胶合板或刚性隔声板。

5.一种地板，其特征在于：由权利要求1-4任一项所述的木材-混凝土复合结构构成，并且所述的木材层为木板。

6.一种桥梁结构，其特征在于：由权利要求1-4任一项所述的木材-混凝土复合结构构成，并且所述的木材层为木质横梁。

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