CN108360742A - 一种体内预应力竹工字梁 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种体内预应力竹工字梁，它主要包括上翼缘(1)、下翼缘(2)、预应力筋(3)、腹板(4)、加劲肋(5)和防腐剂(6)。其中，上翼缘(1)和下翼缘(2)采用竹集成材，预应力筋(3)采用螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线，腹板(4)采用定向刨花板，加劲肋(5)采用速生杨木、云杉或樟子松方木。上翼缘(1)、下翼缘(2)和腹板(3)之间通过胶粘剂连接。本发明的体内预应力竹工字梁具有轻质高强、刚度大、耐久性好和延性性能好等特点，可替代传统重竹梁、木工字梁和实木梁应用于木结构、竹结构和组合结构领域中的受弯构件，也是利用竹材、转化竹资源的有效途径，社会效益和生态效益十分显著。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑结构领域，具体涉及一种现代竹结构房屋、木结构房屋和竹木结构房屋使用的体内预应力竹工字梁构件。
背景技术
我国的环境污染问题非常突出，随着公众环保意识的增强，绿色、生态、低碳的新型建筑材料必将是土木工程发展的趋势。建筑业的发展在很大程度上是以能源、资源的过度消耗和环境污染为代价实现的。为了减少对粘土粘、钢材和水泥的依赖，节能环保、可再生的绿色建材日益受到人们的青睐。竹子具有强度高、生长快及韧性好等优点，可取代普通阔叶木材和针叶材，有着广泛的应用前景。将竹材作为主要建材应用于工程领域利国利民，实现“以竹代木”有利于降低对钢材、水泥和粘土砖等传统建筑材料的依赖，同时也符合《中国制造2025》所确定的开发利用农林生物质资源的主题。
竹结构建筑具有抗震性能好以及对环境的负荷小的特点，其应用范围得到不断拓展。原竹梁和重竹梁是竹结构建筑中最常用的基本构件之一，在其使用过程中存在以下问题：(1)原竹梁和重竹梁破坏前无明显征兆，表现出典型的脆性破坏特征；(2)重竹的弹性模量不高，竹梁作为受弯构件设计时往往由截面的刚度控制，而按强度设计时的承载能力是按刚度设计时的3～5倍，造成了材料的极大浪费，经济性差；(3)原竹的抗剪强度不高，受自然生长条件的限制，原竹的物理力学性能离散性较大，材质不均匀；(4)受现有加工工艺的限制，重竹的最大长度不超过2m，使得重竹梁的使用严重受限；(5)原竹横向受力较差，易开裂，耐久性差。
如何改善和提高原竹梁和重竹梁的变形能力和力学性能是其在竹结构建筑应用中所面临的难题，竹集成材是将速生、短周期的毛竹加工成一定规格的竹片，干燥至含水率8％～12％，再通过胶粘剂将同方向竹片胶合成矩形截面的规格材，具有弹性模量高、力学强度高、易加工的特点。相比原竹梁和矩形截面竹梁而言，体内预应力竹工字梁拥有更高的承载能力、更好的变形性能以及良好的延性性能，是解决制约生态环保型竹结构建筑发展的一个重要途径，市场应用前景十分广阔。
发明内容
本发明所要解决的目的旨在克服现有原竹梁和重竹梁承载能力低、延性差和变形性能差等缺点，提供一种力学性能好、成本低廉、结构简单以及节能环保型的体内预应力竹工字梁，用以取代原竹梁和重竹梁，可作为楼面梁和屋面梁应用于木结构建筑、竹结构建筑以及竹木组合结构中。
在本发明中，体内预应力竹工字梁由上翼缘、下翼缘、腹板、加劲肋、预应力筋、胶粘剂、钉子和防腐剂共同组成。其中：上翼缘位于工字梁顶部，承担压应力；预应力筋置于下翼缘内，承担拉应力，腹板位于工字梁中部，主要承担剪应力；腹板两侧斜面与上翼缘和下翼缘通过槽用胶粘剂连接；防腐剂涂刷于竹工字梁表面，提高工字梁的防潮防腐等耐久性能。
本发明的基本原理如下：腹板布置于工字梁侧面，其高度略低于工字梁高度，主要承担工字梁所承担的剪切力；上翼缘置于工字梁顶部，远离中性轴，主要承担弯矩所产生的压力；预应力筋置于下翼缘内，呈左右对称布置，通过对下翼缘预先施加使其在跨中产生负弯矩的力，以推迟裂缝的出现和开展，从而提高梁构件的抗裂性能和刚度；加劲肋置于工字梁端部，提高腹板的局部失稳能力。竹集成材翼缘具有较高的强重比、较好的弹性和韧性，竹胶合板腹板具有较高的抗剪切能力、低廉的成本，通过胶粘剂将3种材料有机结合，充分发挥各自的优点，拓宽了体内预应力竹工字梁在工业建筑和民用建筑中的应用范围。
所述的体内预应力竹工字梁，腹板位于梁高中部位置，通过腹板两侧斜面与上翼缘、下翼缘用榫接胶合压制成整体。
所述的上、下翼缘宜选用竹集成材，以3～5年生的大径毛竹为原材料，采用竹条浸胶或涂胶组坯压制，上、下翼缘4个角部也相应的倾斜并进行圆角处理。
所述的预应力筋可为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线中的一种，先张法的张拉强度控制在预应力筋屈服强度的10％～20％。预应力筋在下翼缘压制前置入竹板坯相应位置，二者通过胶粘剂热压形成整体。
所述的腹板主要以3～5年生的大径毛竹为原材料，经锯切、蒸煮、炭化、干燥、施胶、定向铺装和热压而成的一种结构板材，竹帘的厚度为1mm，含水率宜控制在12％以下，可为竹帘胶合板或竹席竹帘胶合板中的一种。
所述的加劲肋位于工字梁端部，底面顶紧下翼缘，加劲肋顶面与上翼缘底面不接触，间隔10mm，加劲肋通过胶粘剂与腹板连接。加劲肋的材料同腹板。所述的胶粘剂为交联型粘合剂，可采用环氧树脂胶、脲醛树脂胶或酚醛树脂胶中的一种。
所述的防腐剂涂刷于工字梁表面，以提高工字梁的防潮防腐等耐久性能，可采用油类涂料、油溶性涂料或水溶性涂料中的一种。
本发明克服了原竹梁和重竹梁的一些公知的缺点，具有以下显著的效果：
(1)体内预应力竹工字梁截面，极大的提高了竹梁的截面惯性矩，从而可以有效提高梁构件的刚度，彻底改变梁构件刚度较差的不利局面；
(2)预应力筋位于工字梁底，呈对称布置，通过对梁的下翼缘预先施加使其在跨中产生负弯矩的力，预压应力用来减小或抵消荷载所引起的拉应力，从而将下翼缘的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态，以推迟裂缝的出现和开展，从而提高梁构件的抗裂性能和刚度。
(3)竹集成材配置于梁的受压区，可充分发挥竹集成材较高的抗压强度，并且大幅改善梁构件力学性能离散性和脆性破坏模式，降低材料缺陷对梁构件承载力的影响；
(4)竹胶板腹板的原料为3～5年生的大径毛竹，经工业化加工而成的结构板材，配置在工字梁两侧，可充分发挥竹胶板较高的抗剪承载力，低廉的成本可减少工字梁的造价；
(5)相对于砌体结构和钢筋混凝土结构，体内预应力竹工字梁生产与加工过程环境污染小，降低了不可再生资源的使用量和能源消耗量；相对于木结构，承载能力更大，跨越能力更强，延性和自恢复能力更好；相对于原竹结构，延性更好，造价更低廉，自重更轻。
(6)竹子是一种可再生资源，来源广泛，生长周期短，节能环保。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1是本发明实施的结构示意图
图2是本发明实施的上、下翼缘及卡槽示意图
在附图中：1.上翼缘，2.下翼缘，3.预应力筋，4.腹板，5.加劲肋，6.防腐剂
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，本发明提供一种体内预应力竹工字梁构件，由上翼缘、下翼缘、加劲肋、腹板、预应力筋和防腐剂组成，共同压制成体内预应力竹工字梁。
所述的预应力筋为下翼缘竹板坯所包裹，预应力筋在下翼缘压制前置入竹板坯相应位置，二者通过胶粘剂热压形成整体。其主要制备程序为：在台座上按设计要求将钢筋张拉到控制应力→用锚具临时固定→热压竹集成材→待竹集成材达到设计强度75％以上后切断放松钢筋。其传力途径是依靠钢筋与竹集成材下翼缘的粘结力阻止钢筋的弹性回弹，使截面下翼缘获得预压应力。所述的预应力筋张拉强度宜控制在预应力筋屈服强度的10％～20％。
上翼缘、下翼缘采用竹集成材，所述的竹集成材顺纹抗拉强度不低于120MPa，顺纹抗压强度不低于60MPa，弹性模量不低于10GPa，顺纹抗剪强度不低于15MPa，含水率控制在12％以下。
本发明中，腹板榫头与上、下翼缘的榫槽之间用胶粘剂连接后的剪切强度不宜低于3MPa，为了增加连接强度，梯形卡槽上宽下窄，卡槽尺寸比腹板榫头小1.5mm左右。胶粘剂预先涂刷于上翼缘、下翼缘卡槽内和腹板的侧面，以保证上、下翼缘板和腹板的粘结力。
所述的加劲肋配置于工字梁两端，呈左右对称布置，胶粘剂预先涂刷于加劲肋的侧面，在压制过程中起到胶结的作用。加劲肋的底面与下翼缘顶紧，加劲肋的上顶面距离上翼缘的底面距离为1cm，相当于钢工字钢构件中的加劲肋，从而大幅改善腹板局部的抵抗失稳能力。
本发明中，压制时，应根据压制目标的承载能力和刚度选择上翼缘、下翼缘、腹板和加劲肋的尺寸，加劲肋的位置由腹板的高度进行控制，上翼缘、下翼缘、加劲肋和腹板界面间的胶粘剂压制温度取15～35℃，压力取1.5～3MPa，压制完成后按规定涂刷2遍防腐剂，再置入恒温恒湿室内进行养护，养护时间为10～15天。
实施例1：取25mm厚、400mm高的竹胶板作为腹板，取80mm高、160mm宽的竹集成材作为翼缘，其一纵向面上的槽深为15mm，斜角10°，预应力筋的直径为8mm，张拉应力为15MPa。取90mm宽、15mm厚、230mm高的竹帘胶合板作为加劲肋。成品箱梁的高度为350mm高，长度为6100mm。
Claims (10)
1.一种体内预应力竹工字梁，它主要包括上翼缘(1)、下翼缘(2)、预应力筋(3)、腹板(4)、
加劲肋(5)和防腐剂(6)组成，其特征在于腹板(4)位于上翼缘(1)和下翼缘(2)的中间，承担
剪应力，上翼缘位于工字梁的顶面，承担压应力，预应力筋(3)位于工字梁的底面，承担拉应
力，加劲肋(5)设置于梁端，与下翼缘(2)顶紧，并和腹板(4)紧密贴合，承担改善梁端的腹板
(4)抵抗局部失稳能力。防腐剂(6)涂刷于梁表面，承担防潮防腐的功能。
根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的上翼缘(1)和下翼缘(2)应选用3～5年生的大径毛竹作为原材料，经工业化加工而成的竹集成材。
2.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的上翼缘(1)和下翼缘(2)的顺纹抗拉强度不低于120MPa，顺纹抗压强度不低于60MPa，弹性模量不低于10GPa，顺纹抗剪强度不低于15MPa，含水率控制在12％以下。
3.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的预应力筋(3)为下翼缘(2)所包裹，预应力筋(3)在下翼缘(2)压制前置入竹板坯相应位置，二者通过胶粘剂热压形成整体。
4.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的预应力筋(3)位于工字梁底部，预应力筋(3)可为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线，先张法的张拉强度不大于屈服强度的20％。
5.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的腹板(4)位于梁截面的中部，腹板(4)两侧斜面与上翼缘(1)和下翼缘(2)通过榫接胶粘剂连接。腹板(4)的顶面低于上翼缘(1)顶面5mm，腹板(4)的底面距离下翼缘(2)底面5mm，腹板应选用3～5年生的大径毛竹作为原材料，切削成厚度为1mm的薄竹帘，经工业化加工而成的竹帘胶合板，含水率不超过12％。
6.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的加劲肋(5)应选用3～5年生的大径毛竹作为原材料，切削成厚度为1mm的薄竹帘，经工业化加工而成的竹帘胶合板，含水率不超过12％。
7.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的加劲肋(5)与下翼缘(2)紧密贴合，加劲肋(5)顶面与上翼缘底面之间的距离为10mm。
8.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的加劲肋(5)呈左右对称布置于梁端两侧，与腹板(4)通过胶粘剂相连。
9.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的胶粘剂应选用交联型粘合剂，可采用环氧树脂胶、脲醛树脂胶或酚醛树脂胶。
10.根据权利要求1所述的一种体内预应力竹工字梁，其特征在于所述的体内预应力竹工字梁表面喷涂防腐剂(6)，可采用油类涂料、油溶性涂料或水溶性涂料。
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