CN105666627B - 高强竹集成材空心柱及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是高强竹集成材空心柱及制备方法，结构包括高强竹集成材侧板、高强竹集成材侧板、低密度竹集成材横隔板、钻尾自攻螺钉，其中高强竹集成材侧板与高强竹集成材侧板通过钻尾自攻螺钉4连接围城空心柱，低密度竹集成材横隔板在空心柱内每间隔500mm与高强竹集成材侧板通过钻尾自攻螺钉连接；优点：本发明可大大提高柱抗弯刚度，可增强柱的稳定性与提高柱的抗压弯、拉弯能力，适用于普通建筑及大跨结构；钻尾自攻螺钉连接，工艺简单，连接可靠，质量易控制；竹集成材容重仅为混凝土容重的三分之一左右，空心柱截面比普通实心柱节省材料，因此竹集成材空心柱更能减轻构件自身重量，有利于抗震与节能，能降低制备成本，便于建筑装配式结构。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种可应用于建筑工程结构及大跨结构的高强竹集成材空心柱及制备方法，属于工程技术领域。
背景技术
环境与资源问题已迫在眉睫，寻求合适的生物质可再生结构材料是当代土木工程领域的一个新方向，越来越多的建筑师把目光投向了竹木材料，竹木建筑给人们带来了亲近大自然的温馨感。
当代竹木建筑也不再局限于小面积房屋、普通住宅，越来越多的公共建筑、大跨建筑、桥梁结构倾向于采用竹木材料，而原竹与原木因尺寸不规范及力学性能的多样性，不能直接满足这些需求，必须对原竹、原木进行工业加工，但我国森林资源，尤其是优质树种紧缺，树的生长期也非常长，满足不了如此庞大的需求，而我国是世界上最主要的产竹国，素有“竹子王国”之誉。竹材生长期为3~5年，竹材的短周期、高强、高产，让人们有了“以竹代木”的想法，原竹的薄壁、尖削度大等特点，及市场对竹材的需求、要求日益升高，促进了工业竹的发展。
目前工业竹主要用在装修、装饰材料、生活用品等领域，很多学者都在积极探索如何将工业竹大量用在建筑结构领域，竹集成材是其中的一种工业竹产品，是由原竹经剖篾加工、低温干燥，浸胶、组坯、加压、固化、砂光平整、裁边、指接等多种工艺制成的一种力学性能优异的竹质复合材料，经过近30 年的研究与发展，其生产工艺已经标准化；目前生产的竹集成材纵向（顺纤维方向）抗拉强度和抗压强度分别可达100~120MPa 和50~60MPa，弹性模量可达1000~12000MPa；其力学性能和阻燃性均优于木材，环保指标已达欧洲E1 级标准；因此，竹集成材可以满足现代建筑结构对材料的力学、环保、耐久性等方面的性能要求，研究表明，竹集成材结构在节能环保、工业化生产、装配式施工等方面有着传统材料不可替代的优势，而在建筑结构中使用柱作为承重构件时，柱往往不是承受理想的轴心压力，经常处于偏心受压，即压弯或拉弯状态，因此需要增大柱的抗弯能力，空心柱能满足此要求，抗弯能力大大提高。
然而现阶段我国竹木结构设计理论不完善，设计手段落后，在可持续发展的引领下，日益紧缺劳动力的形势下，发展装配式、工厂标准化生产的竹结构建筑，非常有意义，同时大跨结构也越来越多地涌现，需要各种型式适用于大跨竹结构的构件，因此依据现代结构分析技术与结构设计原理进行装配式、大跨竹结构分析与设计是十分必要的。
目前以混凝土和钢材为主要原料的装配式结构，其缺点有以下几点：（1）自重较大；（2）运输不便；（3）构件尺寸根据设计需要确定，不具有通用性，不利于标准化生产；（4）能耗高、污染大，成本相对较高；本发明能有效改善以上状况。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高强竹集成材空心柱及制备方法，其目的旨在发展绿色、环保、可再生、装配式、工厂标准化生产的高强生物质建筑结构构件，满足越来越多的大跨结构，为克服现有技术所存在的上述缺陷，该柱可以提供足够的强度（即承载力）与刚度（即变形）、稳定性，满足大跨工程设计要求，并且具有自重小、绿色环保、可再生、可降解、低能耗、污染小、可标准化生产等特点。
本发明的技术解决方案：高强竹集成材空心柱，其结构包括高强竹集成材侧板1、高强竹集成材侧板2、低密度竹集成材横隔板3、钻尾自攻螺钉4，其中高强竹集成材侧板1与高强竹集成材侧板2通过钻尾自攻螺钉4连接围成空心柱，低密度竹集成材横隔板3在空心柱内每间隔500mm与高强竹集成材侧板1、高强竹集成材侧板2通过钻尾自攻螺钉4连接；工作时，高强竹集成材空心柱因其空心截面抗弯刚度很大，同时因低密度竹集成材横隔板3的作用，提高了其稳定性；受到荷载作用时，高强竹集成材空心柱一侧受压，同时受到偏心弯矩，柱发生弯曲，另一侧受拉；同时，低密度竹集成材横隔板3与连接高强竹集成材侧板1、高强竹集成材侧板2的钻尾自攻螺钉4提供抗剪承载力及稳定性，钻尾自攻螺钉4将高强竹集成材的侧板1、高强竹集成材的侧板2与低密度竹集成材横隔板3连接成具有承载能力和稳定性的柱。
高强竹集成材空心柱的制备方法，包括如下步骤：
（1）装配各部件；
（2）制备侧板；
(3) 横隔板的制备；
（4）横隔板与侧板的连接。
本发明的优点：
1）采用高强竹集成材生物质材料制作空心柱，在保证柱承载力、变形能力及稳定性的基础上，充分利用了我国天然竹资源，能耗低、污染小，减轻了建筑生产对环境的负荷；
2）侧板2、侧板1构型根据受力情况进行结构设计、计算确定，柱的长度可根据建筑设计情况确定，因此，这种形式的柱既便于标准化生产，可满足装配式结构，也可满足建筑多样性的需求；
3）侧板2、侧板1与横隔板3采用钻尾自攻螺钉4连接件连接，工艺简单，连接可靠，质量易控制；
4）柱的截面采用空心截面，充分利用了空心柱截面抗弯刚度大、高强竹集成材拉、压强度高的特点，提高了柱承载效率、提高了柱的刚度、稳定性，集成材容重仅为混凝土的三分之一左右，而空心柱比实心柱更加节约材料，也更减轻了构件自身重量，有利于抗震与节能。
附图说明
附图1是高强竹集成材空心柱示意图。
附图2是高强竹集成材空心柱侧板2、侧板1示意图。
附图3是低密度竹集成材空心柱横隔板示意图。
附图4是钻尾自攻螺钉示意图。
附图5是实施例示意图。
附图中的1是高强竹集成材空心柱侧板，2是高强竹集成材空心柱侧板，3是低密度竹集成材横隔板，4是钻尾自攻螺钉。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案：
对照附图1，其结构包括高强竹集成材空心柱侧板1、高强竹集成材空心柱侧板2、低密度竹集成材横隔板3、钻尾自攻螺钉4，高强竹集成材空心柱侧板1与高强竹集成材空心柱侧板2通过钻尾自攻螺钉4连接围成空心柱，低密度竹集成材横隔板3与高强竹集成材空心柱侧板1、高强竹集成材空心柱侧板2通过钻尾自攻螺钉4连接，提高柱的稳定性与整体性。高强竹集成材空心柱侧板1与高强竹集成材空心柱侧板2的厚度与宽度通过受力情况进行计算、设计确定，高强竹集成材空心柱的长度根据建筑设计确定，横隔板3厚度根据工厂定型尺寸确定。
工作时，空心柱因其截面抗弯刚度很大，柱受到荷载作用时，高强竹集成材空心柱的侧板1首先受压，柱发生弯曲，继而侧板2受到拉力作用；同时，横隔板及连接侧板2、侧板1的钻尾自攻螺钉4提供足够的抗剪承载力，将侧板与横隔板连接成具有足够承载能力、变形能力及稳定性的柱。
制备方法，包括如下步骤：
（1）高强竹集成材空心柱所有的部件装配在一起，其柱的尺寸根据需要设计；
（2）高强竹集成材侧板的制备方法，包括如下步骤：
1）采用高强竹集成材材料，即采用竹龄4年左右的原竹，剔除底部太弯或太厚、稍部太细的部分，截成一定长度（符合压机长度），一般为2.55米，然后剖成25mm左右宽度的竹片，剔除竹节、竹青、竹黄，加工成1mm左右厚度的竹篾，经干燥到含水率不超过12%；
2）选用酚醛树脂胶浸胶，沥胶后二次干燥到含水率为10%~12%；
3）组坯、热压，热压温度为130℃~140℃，压力不低于3Mpa；
4）以每毫米2分钟的速度进行固化而制成高强竹集成材，再经过砂光平整、裁边、指接等加工成规定尺寸的构件。其尺寸根据设计、计算确定，参考规范GB 50005-2003。如图2所 示。
所述高强竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于100MPa，顺纹抗压强度不低于50MPa，顺纹弹性模量不低于1000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%。
（3）低密度竹集成材横隔板，其制备方法包括如下步骤：
1）采用低密度竹集成材制作，即采用竹龄4年左右的新鲜、不太弯曲的原竹，剔除底部太弯或太厚、稍部太细的部分，截成一定长度（符合压机长度），一般为2.55米，然后剖成25mm左右宽度的竹片，剔除竹节、竹青、竹黄，加工成1mm左右厚度的竹篾，经干燥到含水率不超过12%；
2）选用酚醛树脂胶浸胶，沥胶后二次干燥到含水率为10%~12%；
3）组坯、热压，热压温度为120℃~130℃，压力不低于2Mpa；
4）以每毫米2分钟的速度进行固化而制成高强竹集成材，再经过砂光平整、裁边、指接等加工成规定尺寸的构件。其长度和宽度根据侧板尺寸确定，厚度很据工厂定型尺寸，如图3示意。
所述低密度竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于70MPa，顺纹抗压强度不低于40MPa，顺纹弹性模量不低于9000MPa，顺纹抗剪强度不低于10MPa，含水率不大于12%。
（4）钻尾自攻螺钉，采用带螺纹，增强连接紧密性，参考相关规范，螺钉直径d不低于10mm，螺钉间距不小于5d，也不大于150mm，螺钉宜细而密，不宜粗而疏，如图4示意，参考规范GB 50005-2003。
（5）钻尾自攻螺钉4将高强竹集成材侧板1、将高强竹集成材侧板2连接，
钻尾自攻螺钉将横隔板与侧板进行连接。
设计制备的竹集成材纵向（顺纤维方向）抗拉强度和抗压强度分别可达120 MPa和50 MPa，弹性模量可达12000 MPa，它的结构致密均匀，其力学性能和阻燃性均优于一般木材，环保指标已达欧洲E1级标准。
因此，竹集成材可以满足现代建筑结构对材料的力学、环保及耐久性等方面的性能要求，高强竹集成材柱采用空心截面，因其截面抗弯刚度很大，即采用高强竹集成材制作柱的侧板1、侧板2和低密度竹集成材横隔板3，通过钻尾自攻螺钉4将侧板1、2连接围成空心柱，横隔板在空心柱内间隔500mm通过钻尾自攻螺钉与侧板连接，形成具有足够承载力、变形能力及稳定性的高强竹集成材空心柱。
本发明的高强竹集成材空心柱适用于普通建筑、大跨建筑中的柱、桥结构及大跨度空间结构中的承重柱。
所述柱取材方便，低碳环保，能耗低，污染小，且工艺简单，连接成熟可靠，质量易控制，便于运输，适用于装配式结构，大大降低了空心柱制备的成本。高强竹集成材侧板2、侧板1厚度、宽度根据受力情况进行计算、设计确定其尺寸，柱的长度根据建筑设计确定，横隔板尺寸根据侧板尺寸确定，厚度可根据生产定型尺寸，因而，这种柱便于标准化生产，可满足装配式结构，也可满足建筑多样性的需求。
实施例，如图5所示；
高强竹集成材空心柱，其结构包括高强竹集成材侧板1、高强竹集成材侧板2、低密度竹集成材横隔板3、钻尾自攻螺钉4，其中高强竹集成材侧板1与高强竹集成材侧板2通过钻尾自攻螺钉4连接围成空心柱，低密度竹集成材横隔板3在空心柱内间隔500mm通过钻尾自攻螺钉4与两侧板连接。
所述高强竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于100MPa，顺纹抗压强度不低于50MPa，顺纹弹性模量不低于1000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%；所述低密度竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于70MPa，顺纹抗压强度不低于40MPa，顺纹弹性模量不低于9000MPa，顺纹抗剪强度不低于10MPa，含水率不大于12%。
高强竹集成材侧板1与高强竹集成材侧板2的厚度为100mm，宽度为500mm；低密度竹集成材横隔板3的长度为500mm，宽度为300mm，厚度为80mm，高强竹集成材空心柱的总高度为500mm，宽度为500mm，长度为5000mm。钻尾自攻螺钉4直径为12mm，长度为200mm，螺钉间距为70mm，螺钉距柱端的端距为80mm。
所述低密度竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于70MPa，顺纹抗压强度不低于40MPa，顺纹弹性模量不低于9000MPa，顺纹抗剪强度不低于10MPa，含水率不大于12%。
Claims (1)
1.高强竹集成材空心柱，其特征是包括高强竹集成材侧板、高强竹集成材侧板、低密度竹集成材横隔板、钻尾自攻螺钉，其中高强竹集成材侧板与高强竹集成材侧板通过钻尾自攻螺钉连接围成空心柱，低密度竹集成材横隔板在空心柱内间隔500mm通过钻尾自攻螺钉与两侧板连接；
所述高强竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于100MPa，顺纹抗压强度不低于50MPa，顺纹弹性模量不低于1000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%；
所述低密度竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于70MPa，顺纹抗压强度不低于40MPa，顺纹弹性模量不低于9000MPa，顺纹抗剪强度不低于10MPa，含水率不大于12%；
所述高强竹集成材侧板与高强竹集成材侧板的厚度为100mm，宽度为500mm；低密度竹集成材横隔板的长度为500mm，宽度为300mm，厚度为80mm，高强竹集成材空心柱的总高度为500mm，宽度为500mm，长度为5000mm；
钻尾自攻螺钉直径为12mm，长度为200mm，螺钉间距为70mm，螺钉距柱端的端距为80mm；
所述低密度竹集成材是指顺纹抗拉强度不低于70MPa，顺纹抗压强度不低于40MPa，顺纹弹性模量不低于9000MPa，顺纹抗剪强度不低于10MPa，含水率不大于12%；
高强竹集成材空心柱的制备方法，包括如下步骤：
（1）装配各部件： A高强竹集成材侧板、B高强竹集成材侧板和低密度竹集成材横隔板通过钻尾自攻螺钉装配在一起，高强竹集成材空心柱的长度由设计要求确定，高强竹集成材空心柱截面高度与宽度需根据受力情况进行设计、计算确定；
（2）制备侧板，包括，
1）采用高强竹集成材，即采用竹龄4年的原竹，截成长度为2.55米，以符合压机长度，然后剖成25mm宽度的竹片，剔除竹节、竹青、竹黄，加工成1mm厚度的竹篾，经干燥到含水率不超过12%；
2）选用酚醛树脂胶浸胶，沥胶后，二次干燥到含水率为10%；
3）组坯、热压，热压温度为130℃，压力不低于3MPa；
4）以每毫米2分钟的速度进行固化而制成高强竹集成材，再经过砂光平整、裁边、指接加工成规定尺寸的构件，高强竹集成材侧板的长度、宽度根据设计要求确定；
（3）横隔板的制备：低密度竹集成材横隔板的厚度根据工厂规定尺寸，横隔板的制备方法，包括，
1）采用低密度竹集成材，即采用竹龄4年左右的的原竹，截成长度为2.55米，以符合压机长度，然后剖成25mm宽度的竹片，剔除竹节、竹青、竹黄，加工成1mm厚度的竹篾，经干燥到含水率不超过12%；
2）选用酚醛树脂胶浸胶，沥胶后，二次干燥到含水率为10%；
3）组坯、热压，热压温度为120℃，压力不低于2Mpa；
4）以每毫米2分钟的速度进行固化而制成高强竹集成材，再经过砂光平整、裁边、指接加工成规定尺寸的构件；
（4）横隔板与侧板的连接：低密度竹集成材横隔板与高强竹集成材侧板通过钻尾自攻螺钉连接，钻尾自攻螺钉直径d为8~16mm，钉间距不小于5d，不大于100mm，螺钉长度不小于80mm。
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| Publication number | Publication date |
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