CN111456322A - 一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构及其施工方法，主要涉及建筑技术领域。包括若干榀正交布置的平面张弦梁结构，所述平面张弦梁结构包括上弦木梁、下弦碳纤维拉索和若干根原竹撑杆，所述原竹撑杆位于上弦木梁与下弦碳纤维拉索之间，相邻两个原竹撑杆的高度不同，且从上弦木梁的一端到上弦木梁的中部，原竹撑杆的高度依次增大。本发明的有益效果在于：将平面张弦梁结构正交组合能够有效的提高整体结构的稳定性与刚度，它采用可再生的木材、竹材作为建筑材料，生态保护效益显著，而下弦碳纤维拉索具有强度高、模量大、比重小，耐碱腐蚀、对人畜无害等特点，能够进一步提升张弦梁结构的性能与结构效率。

Description

一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，具体是一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构及其施工方法。
背景技术
目前，在土木工程建设领域，张弦梁结构的应用正在逐步增多，尤其是在火车站房、机场航站楼及体育场馆等大跨度空间结构中，该类建筑对大型无柱空间要求较高，而现有的张弦梁结构多为平面张弦梁结构，且大多采用钢桁架或格构式钢梁、钢管与拉索组成，为了追求稳定性与刚度，在重量方面不甚理想，因此影响了其使用的范围。
同时，我国目前的建筑大多采用钢材、水泥等传统建筑材料，据统计，建筑业每年消耗的能源已占到全国能源消耗的30％以上，排放的二氧化碳占总排放的40％以上，严重制约了我国社会经济的可持续发展。
结合以上两个问题，当前迫切希望出现一种高稳定性、高刚度、轻质、绿色环保的张弦梁结构。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种高稳定性、高刚度、轻质、环保绿色的碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构及其施工方法，将平面张弦梁结构正交组合能够有效的提高整体结构的稳定性与刚度，它采用可再生的木材、竹材作为建筑材料，生态保护效益显著，而下弦碳纤维拉索具有强度高、模量大、比重小，耐碱腐蚀、对人畜无害等特点，能够进一步提升张弦梁结构的性能与结构效率。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构，包括若干榀正交布置的平面张弦梁结构，所述平面张弦梁结构包括上弦木梁、下弦碳纤维拉索和若干根原竹撑杆，所述下弦碳纤维拉索位于上弦木梁的下侧，且所述下弦碳纤维拉索的左端与上弦木梁的左端固定连接，所述下弦碳纤维拉索右端与上弦木梁的右端固定连接，所述原竹撑杆位于上弦木梁与下弦碳纤维拉索之间，且所述原竹撑杆的顶端与上弦木梁铰接，所述原竹撑杆的底端与下弦碳纤维拉索铰接，相邻两个所述原竹撑杆的高度不同，且从上弦木梁的一端到上弦木梁的中部，原竹撑杆的高度依次增大。
优选的，若干榀正交布置的平面张弦梁结构中，正交的上弦木梁节点采用螺栓刚接，正交的下弦碳纤维拉索节点铰接。
优选的，所述上弦木梁包括若干个依次连接的木梁单元，相邻两个木梁单元之间通过螺栓连接。
一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构的施工方法，按照以下步骤进行：
S1：在施工现场，按照设计要求，制作上弦正交木结构网格，各节点处四根正交木梁单元采用螺栓连接；
S2：在各上弦木梁节点处下方设耳板,同时耳板侧设置加劲支撑板，原竹撑杆的上端设双耳板,采用耳板夹耳板的方式连接原竹撑杆顶端与上弦木梁的底端；
S3：下弦碳纤维拉索与原竹撑杆的连接形式为下弦碳纤维拉索索球夹索固定后与原竹撑杆连接，依序连接各榀平面张弦梁结构的下弦碳纤维拉索，下弦碳纤维拉索的两端端部节点暂不连接；
S4：按施工次序对各单榀平面张弦梁结构的下弦碳纤维拉索的两端进行张拉，并将下弦碳纤维拉索的端部与上弦木梁的端部连接；
S5：对张拉成型的空间张弦梁结构进行安装位置确认，吊装到位。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明将平面张弦梁结构正交组合能够有效的提高整体结构的稳定性与刚度，平面张弦梁结构采用可再生的木材、竹材作为建筑材料，生态保护效益显著，发展竹木材料的建筑应用符合可持续发展的国家战略，而下弦碳纤维拉索具有强度高、模量大、比重小，耐碱腐蚀、对人畜无害等特点，能够进一步提升张弦梁结构的性能与结构效率，具有高稳定性、高刚度、轻质、环保绿色的优点。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是平面张弦梁结构的示意图。
附图中标号：1、平面张弦梁结构；11、上弦木梁；12、下弦碳纤维拉索；13、原竹撑杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例：如附图1、附图2所示，本发明所述是一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构，包括若干榀正交布置的平面张弦梁结构1，所述平面张弦梁结构1包括上弦木梁11、下弦碳纤维拉索12和若干根原竹撑杆13，所述下弦碳纤维拉索12位于上弦木梁11的下侧，且所述下弦碳纤维拉索12的左端与上弦木梁11的左端固定连接，所述下弦碳纤维拉索12右端与上弦木梁11的右端固定连接，所述原竹撑杆13竖直布置于上弦木梁11与下弦碳纤维拉索12之间，且所述原竹撑杆13的顶端与上弦木梁11铰接，所述原竹撑杆13的底端与下弦碳纤维拉索12铰接，相邻两个所述原竹撑杆13的高度不同，且从上弦木梁11的一端到上弦木梁11的中部，原竹撑杆13的高度依次增大。
优选的，为了提高平面张弦梁结构的性能，若干榀正交布置的平面张弦梁结构1中，正交的上弦木梁节点采用螺栓刚接，正交的下弦碳纤维拉索节点铰接。
优选的，为了便于本发明的一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构的运输与组装，所述上弦木梁11包括若干个依次连接的木梁单元，相邻两个木梁单元之间通过螺栓连接。
一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构的施工方法，按照以下步骤进行：
S1：在施工现场，按照设计要求，制作上弦正交木结构网格，各节点处四根正交木梁单元采用螺栓连接；
S2：在各上弦木梁节点处下方设耳板,同时耳板侧设置加劲支撑板，原竹撑杆13的上端设双耳板,采用耳板夹耳板的方式连接原竹撑杆13顶端与上弦木梁11的底端；
S3：下弦碳纤维拉索12与原竹撑杆13的连接形式为下弦碳纤维拉索12索球夹索固定后与原竹撑杆13连接，依序连接各榀平面张弦梁结构1的下弦碳纤维拉索12，下弦碳纤维拉索12的两端端部节点暂不连接；
S4：按施工次序对各单榀平面张弦梁结构1的下弦碳纤维拉索12的两端进行张拉，并将下弦碳纤维拉索12的端部与上弦木梁11的端部连接；
S5：对张拉成型的空间张弦梁结构进行安装位置确认，吊装到位。
将本发明的一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构与现有的平面张弦梁结构进行对比可以发现，在平面张弦梁结构设计建造中，一般将多榀张弦梁平行布置，并以刚性系杆、交叉支撑的构件进行连接，大多应用于矩形平面，该类结构传力路径清晰明确，施工便捷，具有荷载态水平支反力为零的优点，支座造价低，但是其侧向刚度较差，同时为了保证提升稳定性与刚度，上弦结构效率较低，重量大；而双向的空间张弦梁结构可由多榀张弦梁正向交叉布置而成，其侧向刚度更为优秀，受力空间性表现明显，但是施工程序略为复杂，适用于矩形、圆形与椭圆形平面。
与传统的使用钢梁、钢撑杆、钢索的张弦梁结构相比，本发明使用木梁、原竹撑杆、碳纤维拉索的张弦梁结构具有高稳定性、高刚度、轻质、环保绿色的优点。
此外，近代以来，钢材与混凝土逐渐取代木材成为主要的建筑材料，然而以钢结构与混凝土结构为主导的建筑业向来是耗能与污染大户。钢结构与混凝土结构的材料的生产带来了严重的环境污染、能源和资源的匮乏，制约了我国国民经济的可持续发展。因此，开发新型节能、生态环保、高性能、低成本的新型建筑材料势在必行。而木材是一种可再生、可多次循环利用的天然资源，同时木结构具有绿色、节能、环保等特点，可为人类提供理想的生活、工作和居住建筑环境；现代科技尤其是木材深加工技术的发展为我国木结构及其建筑文化的复苏提供了强大动力。对我国而言，木结构的回归无疑将刺激人工林产业与木材加工企业向深层次发展，进而带动林业、化工、机械加工、木材加工以及建筑设计、施工、销售及维护等相关行业的健康可持续发展。
竹材同样是一种优秀的材料竹材的抗压强度约比木材高出20％，竹材密度只有钢材的1/6～1/8，而竹材的顺纹抗拉强度可达到常用钢材的1/2左右，因此竹材的比强度甚至高于钢材。竹子的生长速度也很快，一般3～5年就可成材利用，属于短周期的可再生资源，具有极大的开发价值。因此，将竹材进行二次开发，应用于建筑结构领域，不仅能够拓宽竹材的应用范围，促进竹材工业的科技创新，而且有利于保护生态环境，促进人与自然和谐发展。竹材与水泥、钢材、粘土砖等传统建筑材料相比较，它在生长过程中可改善自然环境。竹材是生物有机体，是碳的储藏库，据资料统计，每公顷毛竹林年吸收二氧化碳约47吨，而且二氧化碳能固定存储于砍伐后的竹材。竹材加工的能耗低，又因其有机高分子聚合体结构和内部空腔结构使其具有天然良好的隔热性能，与此同时竹材废弃后还可以自然降解。因此竹结构建筑从材料的制造、使用、废弃直到再生利用的整个生命周期中具备与生态环境的协调共存性。合理地发展竹结构建筑有利于生态平衡和环境保护，具有重大而深远的意义。
碳纤维材料则是近年来建筑领域的热点，与钢索相比，碳纤维拉索具有极强的耐腐蚀性与耐疲劳性，使用碳纤维材料,可以不必担心腐蚀问题；其疲劳性能也远优于钢索,已有试验证明其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍。同时碳纤维复合材料具有极小的密度,密度大概是钢材的四分之一,而且其抗拉性能优良。因此,在受力相同的情况下,采用轻质、高强的碳纤维复合材料作为拉索,可减轻拉索自重、减小下部结构尺寸,从而对降低综合经济指标及施工技术难度具有十分重要的意义。
本发明将平面张弦梁结构正交组合能够有效的提高整体结构的稳定性与刚度，并利用了木材、竹材、碳纤维拉索的优异性能，平面张弦梁结构由上弦木梁11、下弦碳纤维拉索12、原竹撑杆13构成，生态保护效益显著，能够进一步提升张弦梁结构的性能与结构效率，具有高稳定性、高刚度、轻质、环保绿色的优点。

Claims (4)

1.一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构，包括若干榀正交布置的平面张弦梁结构(1)，其特征是：所述平面张弦梁结构(1)包括上弦木梁(11)、下弦碳纤维拉索(12)和若干根原竹撑杆(13)，所述下弦碳纤维拉索(12)位于上弦木梁(11)的下侧，且所述下弦碳纤维拉索(12)的左端与上弦木梁(11)的左端固定连接，所述下弦碳纤维拉索(12)右端与上弦木梁(11)的右端固定连接，所述原竹撑杆(13)位于上弦木梁(11)与下弦碳纤维拉索(12)之间，且所述原竹撑杆(13)的顶端与上弦木梁(11)铰接，所述原竹撑杆(13)的底端与下弦碳纤维拉索(12)铰接，相邻两个所述原竹撑杆(13)的高度不同，且从上弦木梁(11)的一端到上弦木梁(11)的中部，原竹撑杆(13)的高度依次增大。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构，其特征是：若干榀正交布置的平面张弦梁结构(1)中，正交的上弦木梁节点采用螺栓刚接，正交的下弦碳纤维拉索节点铰接。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构，其特征是：所述上弦木梁(11)包括若干个依次连接的木梁单元，相邻两个木梁单元之间通过螺栓连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种碳纤维竹木混合的空间张弦梁结构的施工方法，其特征是，按照以下步骤进行：
S1：在施工现场，按照设计要求，制作上弦正交木结构网格，各节点处四根正交木梁单元采用螺栓连接；
S2：在各上弦木梁节点处下方设耳板,同时耳板侧设置加劲支撑板，原竹撑杆(13)的上端设双耳板,采用耳板夹耳板的方式连接原竹撑杆(13)顶端与上弦木梁(11)的底端；
S3：下弦碳纤维拉索(12)与原竹撑杆(13)的连接形式为下弦碳纤维拉索(12)索球夹索固定后与原竹撑杆(13)连接，依序连接各榀平面张弦梁结构(1)的下弦碳纤维拉索(12)，下弦碳纤维拉索(12)的两端端部节点暂不连接；
S4：按施工次序对各单榀平面张弦梁结构(1)的下弦碳纤维拉索(12)的两端进行张拉，并将下弦碳纤维拉索(12)的端部与上弦木梁(11)的端部连接；
S5：对张拉成型的空间张弦梁结构进行安装位置确认，吊装到位。
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