CN114045927A - 一种frp—防腐木组合桁架结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FRP—防腐木组合桁架结构，包括FRP型材受拉构件、防腐木杆抗压构件和金属节点；所述FRP型材受拉构件包括FRP型材和位于FRP型材两端的双套筒连接件，所述防腐木杆抗压构件包括防腐木杆和位于防腐木杆两端的套筒连接件，多个FRP型材受拉构件与防腐木杆抗压构件通过金属节点进行连接，形成FRP—防腐木组合桁架结构。本发明通过将FRP型材与防腐木杆通过特定的节点连接方式组合成桁架结构，充分发挥各材料的力学特性，整个桁架结构中金属材料的用量很少，降低了不可再生能源的消耗；FRP—防腐木组合桁架整体展现出轻质高强的力学特性，其抗震性能和抗疲劳性能较钢桁架和钢筋混凝土桁架有了较大改善。
Description
技术领域
本发明公开了一种FRP—防腐木组合桁架结构。
背景技术
纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）是由纤维材料和基体材料通过特定的加工工艺组合而成的一种高性能复合材料，其具有自重轻、耐化学腐蚀性好、绝缘性能好、成型工艺简单、抗拉强度高等优点，一次性成型的FRP型材相对于传统混凝土材料和钢材更环保。木材在传统建筑结构中被广泛使用，是一种可再生的环保建材。现阶段，木材防腐技术的应用使木材的耐腐蚀能力有了极大的提高，促使木材能更好地被应用到各类建筑结构中。目前，全球的钢材用量非常大，而炼钢需要耗费大量的不可再生能源，探寻一种新型结构材料代替钢材具有一定的必要性。近年来，土木工程领域的专家对FRP的应用和推广做了大量工作，但FRP在工程实际中的应用还是较少，关键在于FRP材料本身具有各向异性的特点，同时其材料之间的连接问题一直没有取得突破。
在公开号为CN204510471U的专利文件中，公开了一种FRP—木组合桁架结构，该专利采用方木、FRP板条、木腹杆和加强版等组成一种组合桁架结构，木材之间采用榫接，木材与FRP之间采用环氧树脂胶接。该专利没有明确加强板的具体材质和截面形式，桁架结构形式单一，且方木与FRP板条连接处的接触面积较小，使用环氧树脂胶接不一定能达到预期效果。
在公开号为CN110056118A的专利文件中，公开了一种FRP空间桁架海沙混凝土板结构，该专利所述桁架结构为空间桁架结构，桁架中所有构件均为FRP材质，连接节点采用FRP螺纹套筒球节点。该专利没有考虑混凝土板浇筑后结构自重较大的特性，FRP构件与球节点之间仅采用普通螺纹连接远不能达到结构受力状态下节点连接强度的要求。
在公开号为CN102505638A的专利文件中，公开了一种主承载力树脂基复合材料-钢桁组合结构制备方法。该专利所述构件均为FRP管，其节点连接实施步骤为：先将预紧力尺接头与FRP管连接成构件，再通过焊接的方式实现构件之间的连接。该专利中FRP管端部开齿较多，破坏了构件的整体性，引起局部强度降低。另外，FRP管开齿工序繁琐，对零部件精度要求较高，成本大大增加。
综上所述，现有公开专利中，桁架结构构件布设形式和节点连接方式大多存在问题，功能不够全面，推广意义不大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、抗震抗疲劳性能好、维护成本低的FRP—防腐木组合桁架结构。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种FRP—防腐木组合桁架结构，包括FRP型材受拉构件、防腐木杆抗压构件和金属节点；所述FRP型材受拉构件包括FRP型材和位于FRP型材两端的双套筒连接件，所述防腐木杆抗压构件包括防腐木杆和位于防腐木杆两端的套筒连接件，多个FRP型材受拉构件与防腐木杆抗压构件通过金属节点进行连接，形成FRP—防腐木组合桁架结构。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述双套筒连接件为一体成型，包括内套筒、外套筒和端部球体，所述内套筒套设于外套筒中，内套筒和外套筒间的空隙用于插入FRP型材，所述内套筒外壁和外套筒内壁延轴向均匀分布若干从管壁上凸起的肋条，用于固定FRP型材在双套筒连接件中的位置，FRP型材插入内套筒和外套筒间的空隙并通过在内外套筒间灌入环氧树脂胶胶接形成FRP型材受拉构件；内套筒和外套筒的一端连接在一起并通过圆柱杆与端部球体连接，圆柱杆与外套筒连接处延圆柱杆径向均匀分布金属肋条，所述端部球体上设有贯穿孔洞。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述FRP型材外径比外套筒内径小，差值范围为0.1-5mm，FRP型材内径比内套筒外径大，差值与FRP型材外径和外套筒内径差值一致；所述外套筒轴向长度为FRP型材外径的1倍以上，内套筒长度为外套筒长度的1.5倍以上；所述内套筒和外套筒均呈现靠近端部球体端壁厚大，另一端壁厚小的变截面形式，最大壁厚为FRP型材壁厚的1倍以上，最小壁厚取值范围为最大壁厚的0.5倍以下。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述套筒连接件为一体成型，包括金属套筒、径向加强段、螺栓、圆柱体和端部圆球，所述金属套筒外壁中间部位设有凸起的径向加强段，径向加强段上延径向平均分布若干个螺纹孔，螺纹孔孔洞指向为所处截面形心方向，螺纹孔中安入与之配套的螺栓，用于对插入金属套筒内的防腐木杆施加预紧力，螺栓径向分布数量根据防腐木杆截面尺寸确定；所述防腐木抗压构件由防腐木杆插入金属套筒并通过拧紧螺栓组合而成；所述金属套筒端部通过圆柱体连接端部圆球，圆柱体与套筒连接处延圆柱体径向均匀分布加劲肋，端部圆球上设有贯穿孔。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述防腐木杆外径与金属套筒内径一致；所述金属套筒长度为防腐木杆外径的1倍以上，金属套筒壁厚为防腐木杆外径的0.05倍以上；径向加强段的凸起厚度与螺栓直径相同，径向加强段延轴向的宽度为螺栓直径的2倍。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述金属节点分为A、B两部分，均呈现边缘薄，中间厚的阶梯形状，且一体成型； A、B两部分上均分布用于安放端部圆球或端部球体的球形凹槽，A部分上分布有圆柱形插销，插销分为一类插销和二类插销，二类插销端部车有螺纹，一类插销的数量与金属节点处连接构件的数目一致，单个二类插销设置在金属节点A部分的形心位置；所述金属节点B部分上分布有与A部分圆柱形插销尺寸吻合的圆柱形非贯穿孔洞和贯穿式孔洞，通过将A部分一类插销插入B部分非贯穿孔洞，A部分二类插销插入B部分贯穿式孔洞，并在二类插销车有螺纹端部拧入配套螺帽，使金属节点A、B两部分构成一个整体。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述FRP型材为拉挤成型，截面形式为圆管、椭圆管、方管、多边形管、异形管中任一种；所述双套筒连接件内外套筒截面形式与FRP型材截面形式一致；FRP型材截面尺寸和壁厚范围根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述防腐木杆为木质杆件，包括各类竹材，其轴向为顺纹方向，截面形式为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形、异形中任一种；所述金属套筒截面几何形式与防腐木杆截面几何形式一致；防腐木杆截面尺寸根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
上述FRP—防腐木组合桁架结构，所述FRP—防腐木组合桁架结构几何形式为三角桁架、梯形桁架、多边形桁架。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过将自重轻、耐化学腐蚀性好、绝缘性能好、成型工艺简单、抗拉强度高的FRP型材与可再生、环保的防腐木杆通过特定的节点连接方式组合成桁架结构，充分各材料的力学特性，整个桁架结构中金属材料的用量很少，降低了不可再生能源的消耗；FRP—防腐木组合桁架整体展现出轻质高强的力学特性，其抗震性能和抗疲劳性能较钢桁架和钢筋混凝土桁架有了较大改善，将其用在大跨度结构中具有更加明显的优势。
2、本发明中桁架各构件连接的节点位置可实现理想铰接，桁架形式简单，构件加工简易，可实现工厂预制，现场组装，大大缩短施工周期，且后期维护成本较低，符合我国提倡的建筑工业化理念。同时，该组合桁架结构可设计性强，可通过优化桁架中拉压杆件的布设形式来提高FRP型材的用量，对FRP的推广和应用具有深远意义。
附图说明
图1为本发明FRP—防腐木组合桁架结构立体示意图。
图2为本发明FRP型材受拉构件示意图。
图3为本发明防腐木杆抗压构件示意图。
图4为本发明桁架节点部位构造示意图。
图5为本发明桁架节点立体示意图。
图6为本发明金属节点A部分立体示意图。
图7为本发明金属节点B部分立体示意图。
图8为本发明双套筒连接件立体示意图。
图9为本发明双套筒连接件前视图。
图10为本发明双套筒连接件俯视图。
图11为本发明套筒连接件立体示意图。
图12为本发明套筒连接件前视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图3所示，一种FRP—防腐木组合桁架结构，包括FRP型材受拉构件1、防腐木杆抗压构件2和金属节点3；所述FRP型材受拉构件1包括FRP型材和位于FRP型材两端的双套筒连接件4，所述防腐木杆抗压构件2包括防腐木杆和位于防腐木杆两端的套筒连接件5，多个FRP型材受拉构件1与防腐木杆抗压构件2通过金属节点3实现理想铰接，形成FRP—防腐木组合桁架结构；FRP型材受拉构件1、防腐木杆抗压构件2与金属节点3接触界面可根据需要设计成有一定摩擦系数的接触面。
如图8-图10所示，所述双套筒连接件4包括内套筒12、外套筒13和端部球体，所述内套筒12套设于外套筒13中，内套筒12和外套筒13间的空隙用于插入FRP型材，所述内套筒12外壁和外套筒13内壁延轴向均匀分布若干从管壁上凸起的肋条15，用于固定FRP型材在双套筒连接件4中的位置，保证FRP型材与双套筒连接件4胶接时的胶层厚度，避免局部薄弱；FRP型材插入内套筒12和外套筒13间的空隙并通过在内外套筒13间灌入环氧树脂胶胶接形成FRP型材受拉构件1；内套筒12和外套筒13的一端连接在一起并通过圆柱杆与端部球体连接，圆柱杆与外套筒13连接处延圆柱杆径向均匀分布金属肋条14，所述金属肋条14分布范围为圆柱杆中心位置到外套筒13与圆柱杆的接触面，金属肋条14形状为三角形，直角短边长度为外套筒13外壁到圆柱杆外壁的距离，直角长边为圆柱杆轴向长度的0.5-1倍；所述端部球体上设有贯穿孔洞11，可安入金属节点A部分的一类插销7中，实现多个构件间的连接。
所述FRP型材外径比外套筒13内径小，差值范围为0.1-5mm，FRP型材内径比内套筒12外径大，差值与FRP型材外径和外套筒13内径差值一致；所述外套筒13轴向长度为FRP型材外径的1倍以上，内套筒12长度为外套筒13长度的1.5倍以上；所述内套筒12和外套筒13均呈现靠近端部球体端壁厚大，另一端壁厚小的变截面形式，最大壁厚为FRP型材壁厚的1倍以上，最小壁厚取值范围为最大壁厚的0.5倍以下。圆柱杆外径为端部球体直径的1倍以下。
如图11、图12所示，所述套筒连接件5包括金属套筒、径向加强段19、螺栓18、圆柱体20和端部圆球，所述金属套筒外壁中间部位设有凸起的径向加强段19，径向加强段19上延径向平均分布若干个螺纹孔，螺纹孔孔洞指向为所处截面形心方向，螺纹孔中安入与之配套的螺栓18，用于对插入金属套筒内的防腐木杆施加预紧力，螺栓18径向分布数量根据防腐木杆截面尺寸确定；所述防腐木抗压构件由防腐木杆插入金属套筒并通过拧紧螺栓18组合而成；所述金属套筒端部通过圆柱体20连接端部圆球，圆柱体20与套筒连接处延圆柱体20径向均匀分布加劲肋16，所述加劲肋16分布范围为圆柱体20中心位置到套筒与圆柱体20的接触面，加劲肋16形状为三角形，直角短边长度为套筒外壁到圆柱体20外壁的距离，直角长边为圆柱体20轴向长度的0.5-1倍；端部圆球上设有贯穿孔17，可插入金属节点A部分的一类插销中，实现多个构件间的连接。
所述防腐木杆外径与金属套筒内径一致；所述金属套筒长度为防腐木杆外径的1倍以上，金属套筒壁厚为防腐木杆外径的0.05倍以上；径向加强段19的凸起厚度与螺栓18直径相同，径向加强段19延轴向的宽度为螺栓18直径的2倍以上。
如图4-图7所示，所述金属节点3有多个连接口，连接口数量、形状及大小根据桁架结构的大小、构件布设形式、形状确定。所述金属节点3分为A部分3A和B部分3B，均呈现边缘薄，中间厚的阶梯形状，且一体成型； A、B两部分上均分布用于安放端部圆球或端部球体的球形凹槽6，A部分3A上分布有圆柱形插销，插销分为一类插销7和二类插销8，二类插销8端部车有螺纹，一类插销7的数量与金属节点3处连接构件的数目一致，单个二类插销8设置在金属节点A部分3A的形心位置；所述金属节点B部分3B上分布有与A部分3A圆柱形插销尺寸吻合的圆柱形非贯穿孔洞9和贯穿式孔洞10，通过将A部分3A一类插销7插入B部分3B非贯穿孔洞9，A部分3A二类插销8插入B部分3B贯穿式孔洞10，并在二类插销8车有螺纹端部拧入配套螺帽8A，使金属节点A、B两部分构成一个整体。
所述FRP型材为拉挤成型，为实心型材，截面形式为圆管、椭圆管、方管、多边形管、异形管中任一种；所述双套筒连接件4内外套筒13截面形式与FRP型材截面形式一致；FRP型材截面尺寸和壁厚范围根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
所述防腐木杆为实心或空心木质杆件，包括各类竹材，其轴向为顺纹方向，截面形式为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形、异形中任一种；所述金属套筒截面几何形式与防腐木杆截面几何形式一致；防腐木杆截面尺寸根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
FRP型材受拉构件1和防腐木杆抗压构件2布设形式在桁架结构设计时确定。所述FRP—防腐木组合桁架结构几何形式可为三角桁架、梯形桁架、多边形桁架。所述桁架结构在进行构件布设前，先计算桁架受竖向均布荷载或跨中竖向集中荷载作用时各构件的受力情况，将受拉构件布设成FRP型材，抗压构件布设成防腐木杆，根据桁架整体受力大小设计FRP型材和防腐木杆截面尺寸；所述FRP—防腐木组合桁架结构可以组装成空间桁架结构。
Claims (9)
1.一种FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，包括FRP型材受拉构件、防腐木杆抗压构件和金属节点；所述FRP型材受拉构件包括FRP型材和位于FRP型材两端的双套筒连接件，所述防腐木杆抗压构件包括防腐木杆和位于防腐木杆两端的套筒连接件，多个FRP型材受拉构件与防腐木杆抗压构件通过金属节点进行连接，形成FRP—防腐木组合桁架结构。
2.根据权利要求1所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述双套筒连接件为一体成型，包括内套筒、外套筒和端部球体，所述内套筒套设于外套筒中，内套筒和外套筒间的空隙用于插入FRP型材，所述内套筒外壁和外套筒内壁延轴向均匀分布若干从管壁上凸起的肋条，用于固定FRP型材在双套筒连接件中的位置，FRP型材插入内套筒和外套筒间的空隙并通过在内外套筒间灌入环氧树脂胶胶接形成FRP型材受拉构件；内套筒和外套筒的一端连接在一起并通过圆柱杆与端部球体连接，圆柱杆与外套筒连接处延圆柱杆径向均匀分布金属肋条，所述端部球体上设有贯穿孔洞。
3.根据权利要求2所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述FRP型材外径比外套筒内径小，差值范围为0.1-5mm，FRP型材内径比内套筒外径大，差值与FRP型材外径和外套筒内径差值一致；所述外套筒轴向长度为FRP型材外径的1倍以上，内套筒长度为外套筒长度的1.5倍以上；所述内套筒和外套筒均呈现靠近端部球体端壁厚大，另一端壁厚小的变截面形式，最大壁厚为FRP型材壁厚的1倍以上，最小壁厚取值范围为最大壁厚的0.5倍以下。
4.根据权利要求2所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述套筒连接件为一体成型，包括金属套筒、径向加强段、螺栓、圆柱体和端部圆球，所述金属套筒外壁中间部位设有凸起的径向加强段，径向加强段上延径向平均分布若干个螺纹孔，螺纹孔孔洞指向为所处截面形心方向，螺纹孔中安入与之配套的螺栓，用于对插入金属套筒内的防腐木杆施加预紧力，螺栓径向分布数量根据防腐木杆截面尺寸确定；所述防腐木抗压构件由防腐木杆插入金属套筒并通过拧紧螺栓组合而成；所述金属套筒端部通过圆柱体连接端部圆球，圆柱体与套筒连接处延圆柱体径向均匀分布加劲肋，端部圆球上设有贯穿孔。
5.根据权利要求4所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述防腐木杆外径与金属套筒内径一致；所述金属套筒长度为防腐木杆外径的1倍以上，金属套筒壁厚为防腐木杆外径的0.05倍以上；径向加强段的凸起厚度与螺栓直径相同，径向加强段延轴向的宽度为螺栓直径的2倍。
6.根据权利要求4所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述金属节点分为A、B两部分，均呈现边缘薄，中间厚的阶梯形状，且一体成型；A、B两部分上均分布用于安放端部圆球或端部球体的球形凹槽，A部分上分布有圆柱形插销，插销分为一类插销和二类插销，二类插销端部车有螺纹，一类插销的数量与金属节点处连接构件的数目一致，单个二类插销设置在金属节点A部分的形心位置；所述金属节点B部分上分布有与A部分圆柱形插销尺寸吻合的圆柱形非贯穿孔洞和贯穿式孔洞，通过将A部分一类插销插入B部分非贯穿孔洞，A部分二类插销插入B部分贯穿式孔洞，并在二类插销车有螺纹端部拧入配套螺帽，使金属节点A、B两部分构成一个整体。
7.根据权利要求4所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述FRP型材为拉挤成型，截面形式为圆管、椭圆管、方管、多边形管、异形管中任一种；所述双套筒连接件内外套筒截面形式与FRP型材截面形式一致；FRP型材截面尺寸和壁厚范围根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
8.根据权利要求4所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述防腐木杆为木质杆件，包括各类竹材，其轴向为顺纹方向，截面形式为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形、异形中任一种；所述金属套筒截面几何形式与防腐木杆截面几何形式一致；防腐木杆截面尺寸根据所述桁架结构承受荷载大小确定。
9.根据权利要求1所述的FRP—防腐木组合桁架结构，其特征在于，所述FRP—防腐木组合桁架结构几何形式为三角桁架、梯形桁架、多边形桁架。
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