CN105735104B - 箱型高强竹集成材梁及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是箱型高强竹集成材梁及制备方法，结构包括高强竹集成材顶板、高强竹集成材底板、高强竹集成材腹板、低密度竹集成材抗剪竹销，其中高强竹集成材顶板与高强竹集成材腹板的上部通过A卡槽、A低密度竹集成材抗剪竹销连接，高强竹集成材底板与高强竹集成材腹板的下部通过B卡槽、B低密度竹集成材抗剪竹销连接；优点：适用于大跨竹结构，抗扭刚度很大，低能耗、污染小；梁的高度可根据受力情况通过腹板高度调整，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，采用卡槽及竹销连接，工艺简单，连接可靠，质量易控制；箱型截面，提高了梁承载能力与变形能力、稳定性，省材，自身重量轻，降低制备成本，有利于抗震、节能。

Description

箱型高强竹集成材梁及制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种可应用于大跨建筑工程结构、桥梁结构的箱型高强竹集成材梁及制备方法，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11000~12000MPa；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。

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箱型高强竹集成材梁及制备方法，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，该梁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、低污染、可标准化生产等特点。

本发明的技术解决方案：箱型高强竹集成材梁，其结构包括高强竹集成材顶板、高强竹集成材底板、高强竹集成材腹板、低密度竹集成材抗剪竹销，其中高强竹集成材顶板与高强竹集成材腹板的上部通过A卡槽、A低密度竹集成材抗剪竹销连接，高强竹集成材底板与高强竹集成材腹板的下部通过B卡槽、B低密度竹集成材抗剪竹销连接；工作时，箱型高强竹集成材梁因其闭合薄壁截面抗扭刚度大，受到荷载作用时，箱型高强竹集成材梁顶板首先受压，梁发生弯曲，继而高强竹集成材底板受到拉伸作用；同时，高强竹集成材腹板与连接底板、高强竹集成材顶板的卡槽、低密度竹集成材抗剪竹销提供足以满足所需的抗剪承载力及抗扭能力，卡槽及低密度竹集成材抗剪竹销将高强竹集成材的顶板、底板与高强竹集成材腹板连接成具有足够承载能力和变形能力、稳定性高的梁。

箱型高强竹集成材梁的制备方法，包括如下步骤：

（1）装配各部件；

（2）制作高强竹集成材底板、顶板；

（3）制作高强竹集成材腹板；

（4）制作抗剪竹销；

（5）腹板与顶板、底板连接。

本发明的优点：

1）采用高强竹集成材生物质材料制作箱型梁，在保证梁承载力、变形能力及稳定性的基础上，充分利用了我国天然竹资源，低能耗、污染小，减轻了建筑生产对环境的负荷；

2）底板、顶板构型可采用生产线标准化尺寸，梁的高度可根据受力情况通过腹板高度调整，因此，这种形式的梁既便于标准化生产，可满足装配式生产，也可满足建筑多样性的需求；

3）底板、顶板与腹板采用卡槽及竹销连接件连接，工艺简单，连接可靠，质量易控制；

4）梁的截面采用箱型截面，充分利用了箱型梁闭合薄壁截面抗扭刚度大、高强竹集成材拉、压强度高的特点，提高了梁承载效率、提高了梁的刚度、稳定性，竹集成材容重仅为混凝土容重的三分之一，梁的截面为箱型，比通用矩形实心截面节约材料，因此，箱型竹集成材梁节省了大量材料也减轻了构件自身重量，有利于抗震与节能，并适用于越来越多的大跨结构。

附图说明

附图1是 箱型高强竹集成材梁结构示意图。

附图中的1是箱型高强竹集成材梁顶板（两端带卡槽4），2是箱型高强竹集成材梁底板（两端带卡槽4），3是高强竹集成材腹板，4是卡槽，5是低密度竹集成材抗剪竹销。

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，箱型高强竹集成材梁，其结构包括高强竹集成材顶板1、高强竹集成材底板2、高强竹集成材腹板3、低密度竹集成材抗剪竹销5，其中高强竹集成材顶板1与高强竹集成材腹板3的上部通过A卡槽4、A低密度竹集成材抗剪竹销5连接，高强竹集成材底板2与高强竹集成材腹板3的下部通过B卡槽4、B低密度竹集成材抗剪竹销5连接；工作时，箱型高强竹集成材梁因其闭合薄壁截面抗扭刚度大，受到荷载作用时，箱型高强竹集成材梁顶板1首先受压，梁发生弯曲，继而高强竹集成材底板受到拉伸作用；同时，高强竹集成材腹板3与连接底板、高强竹集成材顶板1、卡槽4、低密度竹集成材抗剪竹销5提供足以满足所需的抗剪承载力及抗扭能力，卡槽4及低密度竹集成材抗剪竹销5将高强竹集成材的顶板、底板与高强竹集成材腹板连接成具有足够承载能力和变形能力、稳定性高的梁。

所述A低密度竹集成材抗剪竹销5与A卡槽4，B低密度竹集成材抗剪竹销5与B卡槽4是对应设置的，其中A卡槽4设在高强竹集成材顶板1的两端，B卡槽4设在高强竹集成材底板2的两端。

所述高强竹集成材顶板1与高强竹集成材底板2的厚度采用定型尺寸，箱型高强竹集成材梁的高度可根据受力情况通过高强竹集成材腹板3的高度调整。

箱型高强竹集成材梁的制备方法，包括如下步骤：

（1）两端带A卡槽4的高强竹集成材顶板、两端带B卡槽4的高强竹集成材底板和高强竹集成材腹板3分别通过A、B卡槽4，A、B低密度竹集成材抗剪竹销5装配在一起，其中，箱型高强竹集成材梁的长度、宽度由设计要求确定，箱型高强竹集成材梁的高度可根据受力情况通过腹板高度调整；

（2）箱型高强竹集成材梁中的高强竹集成材底板、顶板的制作，包括如下步骤：

1）采用高强竹集成材，即采用竹龄4年左右的原竹，截成2.55米长度，以符合压机长度，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、指接加工成规定尺寸的构件，底板、顶板的长度、宽度根据设计要求确定，厚度采用定型尺寸且不小于梁高度的1/10；

（3）箱型高强竹集成材梁中的高强竹集成材腹板的制作，采用底板、顶板材料相同，腹板的长度、厚度根据设计要求确定，高度根据受力情况确定；

上述步骤（2）、（3）中的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11000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%；

（4）箱型高强竹集成材梁中的抗剪竹销的制作，包括如下步骤：

1）采用低密度竹集成材制作竹销，即采用竹龄4年左右的原竹，截成2.55米长度，以符合压机长度，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%，然后组坯、热压，热压温度为120℃~130℃，压力不低于2MPa；

3）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）抗剪竹销5直径d不低于12mm，销钉间距不小于螺钉直径d的5倍，也不宜大于150mm，竹销布置宜细而密，不宜粗而疏；

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%；

5）箱型高强竹集成材梁中腹板与高强竹集成材顶板、底板通过卡槽及抗剪竹销连接。

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、环保等方面的性能要求。

高强竹集成材梁采用箱型截面，因其闭合薄壁截面抗扭刚度很大，即采用高强竹集成材制作梁的顶板、底板和高强竹集成材腹板，在梁顶板、底板的两端处沿着高强竹集成材顺纹方向开2个纵向凹槽导轨简称卡槽（导轨距边缘不小于60mm），将高强竹集成材腹板嵌入凹槽导轨并用抗剪竹销固定形成具有足够承载力、变形能力及稳定性的箱型高强竹集成材梁。

本发明的箱型高强竹集成材梁适用于公共建筑中的大跨梁、桥梁及大跨度空间结构中的大跨受弯承重梁。

所述梁取材方便，低碳环保，且工艺简单，连接成熟可靠，质量易控制，便于运输，大大降低了箱型梁制备的成本。由于高强竹集成材底板、顶板厚度采用定型尺寸，梁的高度根据受力情况仅通过腹板高度调整，因而，这种梁便于标准化生产，可满足装配式结构，也可满足建筑多样性的需求。

实施例

箱型高强竹集成材梁，其结构包括高强竹集成材顶板1（两端带A卡槽4）、高强竹集成材底板2（两端带B卡槽4）、高强竹集成材腹板3、低密度竹集成材抗剪竹销5，其中高强竹集成材顶板1与高强竹集成材腹板3的上部通过A卡槽4、A低密度竹集成材抗剪竹销5连接，高强竹集成材底板2与高强竹集成材腹板3的下部通过B卡槽4、B低密度竹集成材抗剪竹销5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11000MPa，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%。高强竹集成材顶板1与高强竹集成材底板2的厚度为120mm，宽度为500mm，并在底板、顶板两端开设卡槽，槽口宽度为122mm，深度为60mm，卡槽距底板、顶板端边的端距为60mm；高强竹集成材腹板3的高度为260mm，厚度为120mm，箱型高强竹集成材梁的总高度为500mm，长度为6000mm，宽度为500mm；低密度竹集成材抗剪竹销5直径为14mm，长度为80mm，销钉间距为80mm，销钉距梁端的端距为75mm，销钉伸入腹板60mm，伸入顶板、底板20mm，在顶板、底板上预钻孔直径16mm。

Claims (1)

1.箱型高强竹集成材梁，其特征是包括高强竹集成材顶板、高强竹集成材底板、高强竹集成材腹板、低密度竹集成材抗剪竹销，其中高强竹集成材顶板与高强竹集成材腹板的上部通过A卡槽、A低密度竹集成材抗剪竹销连接，高强竹集成材底板与高强竹集成材腹板的下部通过B卡槽、B低密度竹集成材抗剪竹销连接；工作时，箱型高强竹集成材梁因其闭合薄壁截面抗扭刚度大，受到荷载作用时，箱型高强竹集成材梁顶板首先受压，梁发生弯曲，继而高强竹集成材底板受到拉伸作用；同时，高强竹集成材腹板与连接底板、高强竹集成材顶板的卡槽、低密度竹集成材抗剪竹销提供足以满足所需的抗剪承载力及抗扭能力，卡槽及低密度竹集成材抗剪竹销将高强竹集成材的顶板、底板与高强竹集成材腹板连接成具有足够承载能力和变形能力、稳定性高的梁；

所述的A低密度竹集成材抗剪竹销与A卡槽，B低密度竹集成材抗剪竹销与B卡槽是对应设置的，其中A卡槽设在高强竹集成材顶板的两端，B卡槽设在高强竹集成材底板的两端；

所述的高强竹集成材顶板与高强竹集成材底板的厚度采用定型尺寸，箱型高强竹集成材梁的高度可根据受力情况通过高强竹集成材腹板的高度调整；

箱型高强竹集成材梁的制备方法，其特征是包括如下步骤：

（1）装配各部件：高强竹集成材顶板与高强竹集成材腹板的上部通过A卡槽、A低密度竹集成材抗剪竹销连接，高强竹集成材底板与高强竹集成材腹板的下部通过B卡槽、B低密度竹集成材抗剪竹销装配在一起，其中，箱型高强竹集成材梁的长度、宽度由设计要求确定，箱型高强竹集成材梁的高度可根据受力情况通过腹板高度调整；

（2）制作高强竹集成材底板、顶板：包括如下步骤：

1）采用高强竹集成材，即采用竹龄4年左右的原竹，截成2.55米长度，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%~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、指接加工成规定尺寸的构件，底板、顶板的长度、宽度根据设计要求确定，厚度采用定型尺寸且不小于梁高度的1/10；

（3）制作高强竹集成材腹板，其制备方法类同制作高强竹集成材底板、顶板，采用与底板、顶板材料相同，腹板的长度、厚度根据设计要求基本规律 确定，高度根据受力情况确定；

所述的步骤（2）、（3）中的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11000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%；

（4）制作抗剪竹销，包括如下步骤：

1）采用低密度竹集成材制作竹销，即采用竹龄4年左右的原竹，截成2.55米长度，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%~12%，然后组坯、热压，热压温度为120℃~130℃，压力不低于2MPa；

3）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）抗剪竹销直径d不低于12mm，销钉间距不小于螺钉直径d的5倍；

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%；

（5）腹板与顶板、底板连接：高强竹集成材腹板与高强竹集成材顶板、底板通过卡槽及抗剪竹销连接。