CN1113534A - 复合组合材料混凝土结构与结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种建筑用“复合组合材料混凝土结 构与结构设计方法”，特别涉及可用于工业与民用建 筑结构、铁路与公路桥梁、地下铁道工程、码头设施构 筑物、水库大坝、水利水电工程、电力工程、飞机场跑 道和电讯指挥中心等建筑物。

本发明从根本上解除了钢筋混凝结构存在的结 构自重大，海水、蒸汽、水、酸、碱分子等化学原料对结 构的腐蚀破坏，以及投资高等大问题，从而不但降低 了建筑投资，而且大大提高了建筑结构安全使用和抗 地震破坏的能力。

Description

本发明属于一种建筑用“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”，特别涉及于可用于工业与民用建筑结构、铁路与公路桥梁、地下铁道工程、码头设施构筑物、水库大坝以及水利水电和电力工程中。

近百年来，在上述各种工程结构中都是采用钢筋混凝土结构，钢筋混凝土结构在人类的生产实践中、发挥了较好的作用，但也存在着五方面的实际问题，至今没有解决。

第一：钢筋混凝土结构中的钢筋虽有极高的强度，但耐腐蚀性能特别差，特别是沿海大江河流的地区和城市，以及重工业和化工工业的建筑物受到海水、蒸汽、水中的酸碱分子的腐蚀，使钢筋混凝土结构的寿命和可靠性受到严重威胁。实际上已经有不少建筑结构因此造成破坏，而不能使用，被迫拆除重建、造成了很大的损失。

第二：钢筋混凝土结构中的钢筋的重量、占一般建筑物总重量的1/3左右，占高层建筑和特殊使用的重型建筑物总重量的1/2左右。这样不但大大增加建筑物自重使许多工程设计和施工十分困难，同时钢筋的价格越来越高，因而使建筑投资不断增高。许多企业事业单位难以承受。特别是近年来房地产价格猛涨，而使建筑业的发展受到了很大的冲击。国家制订的为解决住房困难的安居工程难得以实现。

第三：钢筋混凝土结构中的钢筋的绝缘性能很差，对应用于飞机场跑道和电讯指挥中心、医院和实验室、变电所以及现代办公设备计算机等建筑物中，都会产生很大的电磁场的干扰。

第四：钢筋混凝土结构中的混凝土，在结构使用受力中，只能承受压力。而结构中的大梁和楼板，以及高层建筑中和需要抵抗地震灾害破坏的设防区和城市的建筑物，结构中产生的受弯和受拉等复杂应力主要依靠钢筋来承受，而钢筋又存在上述三个大问题，因而钢筋混凝土结构的钢筋要加大保守设计，混凝土结构截面积也随之增大许多。这样一来结构的自重大大增加，投资也大为增大。

第五、钢筋混凝土结构在北方寒冷地区，还存在着冻应力的破坏问题，长期以来解决的方法是：加厚结构混凝土的保护层，或在混凝土结构外侧增加几十公分厚的砖墙保温层。这种方法，虽然起到了防范冻应力破坏作用，但投资造价大大增高，由于建筑重量大大增加，也给设计和施工造成较大的困难。

本发明提出的“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”，是针对常规钢筋混凝土结构存在的上述急待解决的问题，而提出的打破常规的一种新结构和设计方法。并从根本上解决了钢筋混凝结构存在的上述方面的大问题。因而在今后的建筑结构中采用本发明技术必将产生巨大的经济效益。

本发明提出的“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”中的复合组合材料是用来取代钢筋混凝土中的钢筋，并与混凝土紧密结合成“复合组合材料混凝土结构”，其力学使用性能高于钢筋混凝土结构，防腐蚀耐各种化学原料的腐蚀性能比钢筋混凝土结构大大增加。由此抵抗地震灾害破坏的能力也大大提高。又由于本发明提出的复合组合材料有很好的绝缘性能。因此，解除了钢筋混凝土结构，对飞机场跑道，实验室以及现代化办公设备计算机的电磁场的干挠，由此产生的经济效益是无法估计的。大大提高了飞机起飞和降落的安全率。

本发明提出的复合组合材料是由如下材料构成：

1、65～80%的聚氟氯乙烯、乙烯-氯氟乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、全氟烷氧基、氟化乙烯-丙烯共聚物、聚四氟乙烯，5～10%的陶瓷，15～25%的玻璃纤维或碳纤维复合而成；

2、35～55%碳纤维，45～65%的陶瓷复合而成；

3、40～70%聚氯乙烯，4～10%石墨，10～25%玻璃纤维或碳纤维复合而成；

4、45～75%聚丙烯、5～15%红泥（或工业残渣），25～35%碳纤维或玻璃纤维复合而成；

5、60～80%聚苯乙烯、3～10%白炭黑或滑石粉、20～30%玻璃纤维或碳纤维复合而成；

6、用热塑性塑料和热固性塑料、各种无机填料和有机填料，与纤维物质增强材料，按设计要求复合而成；

7、由1～6所述的复合而成的材料，在用于建筑结构中取代钢筋，虽然各种物理性能指标达到或超过了钢筋，但拉伸强度满足不了结构使用要求。因此，还需用石棉纤维、维尼龙纤维制成的绳索或园形线材，以及其他受拉强度高的材料制成的线材与上述复合材料组合成整体使用的“复合组合材料”。其材料截面形状是：周围凹凸形并沿纵向全长延长，有规律的扭曲成螺旋形或人字形。截面中间是园孔或呈凹凸槽口的孔洞。孔洞中供维尼龙绳等受拉强度高的线材穿过，两头热焊牢固成整体受力材料。以受压强度为主的构件中的复合组合材料的截面形成的周围是凹凸槽口，截面中心是实心的无需成孔；

8、与混凝土搅拌匀均并提高混凝土受拉应力强度，并共同工作的材料有石棉长纤维、玻璃长纤维、合成纤维等拉应力强度高的纤维材料。

本发明提出的“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”的设计方法是：

一、按不同使用要求设计的建筑物的各部具体结构构件的受力要求设计出来，如：基础（包括各类桩基础）、立柱、大梁、楼板、楼梯和剪力墙等，首先确定各部构件的截面尺寸；

二、按结构各部构件的各截面的受力应力大小，设计所需强度和复合组合材料受力筋的用量以及箍筋的用量。

三、混凝土的强度设计：

1、以受压为主的结构构件的抗压强度设计；

2、以受弯结构为主的结构构件的抗弯强度设计，在受弯区域的混凝土配制中，可根据具体受弯构件的要求，选用长度在1CM以上的石棉纤维、玻璃纤维、合成纤维、碳纤维、陶瓷纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维和晶顺；

3、结构构件中在受扭曲的区域中、仍按上述2中所提出各纤维增强材料选用；

4、按1～3所述设计的结构构件，首先设计试验构件，并作强度试验，待试验标准得出合格后，完成建筑结构的整体设计；

5、设计中可根据结构构件中，各构件的受力应力状度选择使用复合组合材料。如：①、结构中以受压为主的构件，可设计选用截面形状为周围是凹凸形，中心是实心无孔的复合组合材料；②、结构中以受弯（扭）为主的构件（大梁楼板等），可设计选用截面形状为周围是凹凸形，中间是园孔或凹凸槽口孔洞的复合组合材料；③、结构中构件的受力状态是需要考虑即受压又受弯（扭）时，按使用安全要求，可以交叉选用，即结构构件截面中受弯（扭）区域，选用有孔洞的增强复合组合材料，受压区域选用无孔实心的复合组合材料。

本发明提出的“复合组合混凝土结构与结构设计方法”的具体结构和形状，参照附图具体描述，附图有：

图1为本发明的“复合组合材料混凝土结构”构件的侧视图a；

图2为本发明的“复合组合材料混凝土结构”构件的侧视图b；

图3为本发明的“复合组合材料混凝土结构”构件纵截面图；

图4为本发明的“复合组合材料混凝土结构”构件中复合组合材料受力筋的横截面图a、图b、图c；

图5为本发明的“复合组合材料混凝土结构”构件中复合组合材料受力筋的侧视图。

在图1～3中：1为混凝土，2为复合组合材料受力筋。在图3中：3为与混凝土搅拌匀均混合的石棉纤维、玻璃纤维、合成纤维等拉应力强度高的纤维材料。

在图4～5中：4为复合组合材料受力筋周围的凸肋，5为复合组合材料受力筋周围的凹槽口，6为复合组合材料受力筋中间园孔，7为复合组合材料受力筋中间凹凸形螺旋形或人字形槽口孔洞，8为复合组合材料受力筋中间凸肋，9为复合组合材料受力筋凹槽口，10为石棉纤维、维尼龙纤维制成的绳索或园形线材或其他受拉应力强度高的线材。

Claims (4)

1、一种建筑用“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”的实施方式是：

a、根据具体建筑的建筑物各部结构构件的使用要求，完成结构设计；

b、根据结构设计，施工制做复合组合材料混凝土结构。

2、一种建筑用“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”中“复合组合材料混凝土结构”的制做由如下材料构成：

a、65～80%的聚氟氯乙烯、乙烯-氯氟乙烯共聚物、乙烯－四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、全氟烷氧基、氟化乙烯-丙烯共聚物、聚四氟乙烯，5～10%的陶瓷，15～25%的玻璃纤维或碳纤维复合而成：

b、35～55%碳纤维，45～65%的陶瓷复合而成：

c、40～70%聚氯乙烯，4～10%石墨，10～25%玻璃纤维或碳纤维复合而成：

d、45～75%聚丙烯、5～15%红泥（或工业残渣），20～35%碳纤维或玻璃纤维复合而成；

e、60～80％聚苯乙烯，3～10％白炭黑或滑石粉、20～30％玻璃纤维或碳纤维复合而成。

f、用热塑性塑料和热固性塑料、各种无机填料和有机填料，与纤维物质增强材料，按设计要求复合而成。

g、由1～6所述的复合而成的材料，在用于建筑结构中取代钢筋，虽然各种物理性能指标达到或超过了钢筋，但拉伸强度满足不了结构使用要求。因此，还需用石棉纤维、维尼龙纤维制成的绳索或园形线材，以及其地受拉强度高的材料制成的线材与上述复合材料组合成整体使用的“复合组合材料”。其材料截面形状是：周围凹凸形并沿纵向全长延长，有规律的扭曲成螺旋形或人字形。截面中间是园孔或呈凹凸槽口的孔洞。孔洞中供维尼龙绳等受拉强度高的线材穿过，两头热焊牢固成整体受力材料。以受压强度为主的构件中的复合组合材料的截面形成的周围是凹凸槽口，截面中心是实心的无需成孔。

h、与混凝土搅拌匀均并提高混凝土受拉应力强度，并共同工作的材料有石棉长纤维、玻璃长纤维、合成纤维等拉应力强度高的纤维材料。

3、一种建筑用“复合组合材料混凝土结构与结构设计方法”中的结构设计方法是：

a、按不同使用要求设计的建筑物的各部具体结构构件的受力要求设计出来，如：基础（包括各类桩基础）、立柱、大梁、楼板、楼梯和剪力墙等，首先确定各部构件的截面尺寸；

b、按结构各部构件的各截面的受力应力大小，设计所需强度和复合组合材料受力筋的用量以及箍筋的用量；

c、混凝土的强度设计：

①、以受压为主的结构构件的抗压强度设计；

②、以受弯结构为主的结构构件的抗弯强度设计，在受弯区域的混凝土配制中，可根据具体受弯构件的要求，选用长度在1CM以上的石棉纤维、玻璃纤维、合成纤维、碳纤维、陶瓷纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维和晶顺；

③、结构构件中在受扭曲的区域中，仍按上述2中所提出各纤维增强材料选用；

④、按1～3所述设计的结构构件，首先设计试验构件，并作强度试验，待试验标准得出合格后，完成建筑结构的整体设计；

⑤、设计中可根据结构构件中，各构件的受力应力状度选择使用复合组合材料。如：

结构中以受压为主的构件，可设计选用截面形状为周围是凹凸形，中心是实心无孔的复合组合材料； 、结构中以受弯（扭）为主的构件（大梁楼板等），可设计选用截面形状为周围是凹凸形，中间是园孔或凹凸槽口孔洞的复合组合材料； 结构中构件的受力状态是需要考虑即受压又受弯（扭）时，按使用安全要求，可以交叉选用，即结构构件截面中受弯（扭）区域，选用有孔洞的增强复合组合材料，受压区域选用无孔实心的复合组合材料。

4、如权利要求1、2、3所述的“复合组合混凝土结构与结构设计方法”，可应用于工业与民用建筑结构、铁路和公路桥梁、地下铁道工程、码头设施构筑物、水库大坝、水利水电、电力工程、飞机场跑道和电讯指挥中心等建筑物。

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