CN115030384A - 正交胶合木/竹板材—混凝土双向组合楼板、制造方法以及孔洞和自攻螺丝数量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正交胶合木/竹板材—混凝土双向组合楼板、制造方法以及孔洞和自攻螺丝数量的计算方法，组合楼板包含正交胶合木/竹板材、混凝土、钢筋、自攻螺丝和孔洞。正交胶合木/竹板材下表面的木纤维或者竹纤维沿双向板短跨方向布置，在正交胶合木/竹板材上表面设置有至少一排孔洞，在正交胶合木/竹板材的上表面钻入有若干自攻螺丝，在正交胶合木/竹板材的上表面铺设有双向的钢筋，混凝土浇注在正交胶合木/竹板材的上表面将孔洞填实并完全覆盖钢筋和自攻螺丝。本发明可显著提升正交胶合竹(木)双向板的抗弯刚度和极限承载力，保证混凝土和正交胶合竹(木)良好的协同工作性能，综合提升正交胶合竹(木)结构的抗风性能和振动舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种新型的正交胶合木/竹板材-混凝土双向组合楼板，以及该组合楼板的制造方法，和组合楼板中孔洞和自攻螺丝数量的计算方法。
背景技术
正交胶合板材是一种由三层或三层以上锯材或结构复合层板垂直正交组坯，采用结构胶黏剂胶合或金属件连接而成的新型工程竹产品。这类产品具有外形美观、低碳环保和易于施工等诸多优点，在木结构或竹结构建筑中得到了广发应用。但木或竹材的自重较轻，这会导致正交胶合竹(木)楼板的振动舒适度有所降低。目前，正交胶合木/竹-混凝土组合楼板多为单向板，较少涉及混凝土和正交胶合木/竹的双向协同受力性能。因此，有必要采取相应技术措施提升正交胶合竹楼板的振动舒适性，研发正交胶合木/竹-混凝土双向组合楼板。
发明内容
本发明提供了一种正交胶合木/竹-混凝土双向组合楼板，所述楼板包含正交胶合木/竹板材、混凝土、钢筋、自攻螺丝和孔洞；
正交胶合木/竹板材为长宽不等的矩形板材，正交胶合木/竹板材下表面的木纤维或者竹纤维沿双向板短跨方向布置，
在正交胶合木/竹板材的上表面设置有至少一排孔洞，在正交胶合木/竹板材的上表面钻入有若干自攻螺丝(自攻螺丝不钻在孔洞中)，在正交胶合木/ 竹板材的上表面铺设有双向的钢筋，混凝土浇注在正交胶合木/竹板材的上表面将孔洞填实并完全覆盖钢筋和自攻螺丝。
进一步的，在正交胶合木/竹板材的上表面沿双向板的长跨和短跨方向分别设置有一排圆形的孔洞，每排孔洞等间距地设置在靠近正交胶合木/竹板材的边缘处；
孔洞的深度为正交胶合木/竹板材的单层板材厚度，间距可根据双向板的尺寸确定，且孔洞中心间距不小于孔洞直径的2倍。
进一步的，在板厚度方向上，自攻螺丝与正交胶合木/竹板材的夹角为 45°～90°；
正交胶合木/竹板材长跨方向两侧的自攻螺丝的钻入方向沿塑性绞线方向交叉布置，且跨中设置有若干排钻入方向沿短跨方向交叉布置的自攻螺丝。
进一步的，双向的钢筋两个排列方向与正交胶合木/竹板材的长跨和短跨方向一致。
一种组合楼板的制造方法，包括如下步骤：
S1、根据钢筋混凝土板理论确定正交胶合木/竹板材受拉塑性绞线，在正交胶合木/竹板材的上表面钻孔洞并钻入自攻螺丝；
S2、通过固定装置在正交胶合木/竹板材的上表面固定双向的钢筋；
S3、在正交胶合木/竹板材的上表面浇注混凝土，将孔洞填实以及并完全覆盖钢筋和自攻螺丝。
上述制造方法中，孔洞的数量和自攻螺丝的数量按下列步骤确定：
步骤S11：根据楼板设计工况确定双向板的均布荷载设计值；
步骤S12：根据双向板设计手册分别确定双向板长跨和短跨承受的弯矩 Ml和Ms；
步骤S13：分别确定双向板长跨和短跨的抗弯刚度EIl和EIs；
步骤S14：根据单个孔洞的滑移刚度和抗剪承载力和单个自攻螺丝的滑移刚度和抗剪承载力，迭代求解确定双向板长跨和短跨方向上的孔洞数量和自攻螺丝数量。
进一步的，步骤S13的计算过程如下：
S13a、双向板长跨和短跨的抗弯刚度表达式为：
式1中：E1和E2分别为混凝土和正交胶合木/竹板材的弹性模量；Il1和 Is1分别为混凝土长跨方向和短跨方向的转动惯量；rl1和rs1分别为正交胶合木 /竹板材长跨方向和短跨方向的连接系数；Al1和As1分别为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的等效截面面积(简化处理时可取为木材或者竹材顺纹方向的截面面积，忽略木材或者竹材横纹方向的影响)；al1和as1分别为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向形心到组合截面形心之间的距离；
S13b、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向形心到组合截面形心之间的距离的表达式为：
式2中，h1为混凝土的厚度，hl2和hs2为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的等效高度；
S13c、连接系数的表达式为：
式3中，sl1和ss1为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向自攻螺丝的间距；Kl1和Kl2为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的滑移刚度；L1和L2为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的跨度；
S13d、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的滑移刚度表达式为：
式4中，nls和nss为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向自攻螺丝的个数；Kls和Kss为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝的滑移刚度；nls和nss为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向孔洞的个数；Klc和 Ksc为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向单个孔洞的滑移刚度；
正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝的抗滑移刚度表达式为：
式5中，ρ为正交胶合木/竹板材中竹材或者木材的密度，d为自攻螺丝的直径(通常可取为6～10mm)，β为自攻螺丝与竹材或者木材顺纹方向的夹角，
为自攻螺丝与长跨方向的夹角；
单个孔洞的滑移刚度取为该方向单个自攻螺丝滑移刚度的n倍，n通常可取10。
进一步的，步骤S14的计算过程如下：
S14a、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝的抗剪承载力为
式6中，δ为混凝土抗压强度与自攻螺丝销轴承压强度之比，fh,β为自攻螺丝销轴承压强度，My为自攻螺丝抗弯强度；
S14b、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向单个孔洞的抗剪承载力为
式7中，fcv为混凝土的抗剪强度，dc为孔洞的直径；
S14c、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的抗剪承载力为
S14d、正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的剪力为
式9中，μ1和μ2为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的弯矩剪力比， L1和L2为正交胶合木/竹板材长跨方向和短跨方向的跨度；
S14e、首先假定长方向的孔洞个数为1，自攻螺丝的个数为2，自攻螺丝与竹纹方向和长跨方向的夹角均取为45°，孔洞直径取为自攻螺丝直径的 5～15倍，计算长跨方向的滑移刚度，然后计算长跨方向的层间剪力和抗剪承载力。若抗剪承载力大于层间剪力，该方向的自攻螺丝和孔洞按假定布置；若抗剪承载力小于层间剪力，则应在保证孔洞间距的情况下增加孔洞数目(孔洞中心间距不应小于孔洞直径的2倍)，当一侧孔洞数目超过一排时，孔洞宜按一排布置，多出的孔洞由自攻螺丝代替；
短跨方向按照相同方法计算得到孔洞和自攻螺丝数目。
为保证塑性绞线方向不发生破坏，最后在塑性绞线方向倾斜布置自攻螺丝，自攻螺丝的数量和几何尺寸参考短跨方向自攻螺丝布置。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明提供的正交胶合木/竹-混凝土双向组合楼板构造简单，施工方便，便于工程推广。同时，依照本发明提供制造方法所制备的组合楼板，并且该方法采用特定的计算方法来确定孔洞和自攻螺丝的数量，显著提升了正交胶合竹(木)双向板的抗弯刚度和极限承载力，保证混凝土和正交胶合竹(木) 良好的协同工作性能，避免由于应力集中导致的混凝土过早开裂破坏，综合提升正交胶合竹(木)结构的抗风性能和振动舒适度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明在一实施例中所提供的一种正交胶合木/竹板材-混凝土双向组合楼板截面图；
图2为截面钢筋和竹材布置图；
图3为俯视角度下，正交胶合木/竹板材和混凝土界面详图；
图4为图3中在A-A方向的剖面图；
图5为图3中在B-B方向的剖面图；
图6为图3中在C-C方向的剖面图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
实施例一
如图1至图6所示，在本实施例中，提供了一种正交胶合竹-混凝土双向组合楼板设计和制作方法，包括正交胶合竹、混凝土2、钢筋3、自攻螺丝4和圆柱形孔洞5。图3中，圆形代表为孔洞5，短实线为自攻螺丝4。正交胶合竹下表面竹材纤维沿双向板短跨方向布置。正交胶合竹的规格材按照三层布置，每层厚度为35mm。在正交胶合竹的上表面分别沿双向板的长跨和短跨方向设置圆柱形孔洞5。根据计算结果确定孔洞几何尺寸。孔洞5布置于距离板边500mm处，深度、直径和中心间距分别取为35mm、200mm和400mm。长跨方向和短跨方向的孔洞数目分别为6个和10个。根据钢筋混凝土板理论确定正交胶合竹双向板受拉塑性绞线。在正交胶合竹的上表面钻入自攻螺丝4，在板厚度方向自攻螺丝4与板面的夹角为45°。板两侧自攻螺丝4的钻入方向沿塑性绞线方向交叉布置(如图3两侧实线箭头所示)；跨中自攻螺丝4 的钻入方向沿短跨方向交叉布置(如图3中间的虚线箭头所示)。根据计算结果确定自攻螺丝4的几何尺寸。自攻螺丝4直径、长度和中心间距分别为 8mm、120mm和200mm。短跨方向自攻螺丝4布置有9排，每排自攻螺丝4 的数目为6个。斜向塑性铰线方向自攻螺丝4直径、长度和中心间距和短跨方向相同，但钻入方向与塑性铰线方向保持一致。通过固定装置在正交胶合竹上表面固定双向直径为8mm、间距为200mm的钢筋3。钢筋3的保护层厚度取为15mm。在正交胶合竹上表面浇筑混凝土2。混凝土2需要将圆柱形孔洞5填实，并完全覆盖钢筋3和自攻螺丝4。
本发明可显著提升正交胶合竹双向板的抗弯刚度和极限承载力，保证混凝土和正交胶合竹良好的协同工作性能，避免由于应力集中导致的混凝土过早开裂破坏，综合提升正交胶合竹结构的抗风性能和振动舒适度。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种正交胶合木/竹—混凝土双向组合楼板，其特征在于，所述楼板包含正交胶合木/竹板材(1)、混凝土(2)、钢筋(3)、自攻螺丝(4)和孔洞(5)；
正交胶合木/竹板材(1)为长宽不等的矩形板材，正交胶合木/竹板材(1)下表面的木纤维或者竹纤维沿双向板短跨方向布置，
在正交胶合木/竹板材(1)的上表面设置有至少一排孔洞(5)，在正交胶合木/竹板材(1)的上表面钻入有若干自攻螺丝(4)，在正交胶合木/竹板材(1)的上表面铺设有双向的钢筋(3)，混凝土(2)浇注在正交胶合木/竹板材(1)的上表面将孔洞(5)填实并完全覆盖钢筋(3)和自攻螺丝(4)。
2.如权利要求1所述的正交胶合木/竹—混凝土双向组合楼板，其特征在于，在正交胶合木/竹板材(1)的上表面沿长跨和短跨方向分别设置有一排圆形的孔洞(5)，每排孔洞(5)等间距地设置在靠近正交胶合木/竹板材(1)的边缘处；
孔洞(5)的深度为正交胶合木/竹板材(1)的单层板材厚度，且孔洞(5)中心间距不小于孔洞(5)直径的2倍。
3.如权利要求1所述的正交胶合木/竹—混凝土双向组合楼板，其特征在于，在板厚度方向上，自攻螺丝(4)与正交胶合木/竹板材(1)的夹角为45°～90°；
正交胶合木/竹板材(1)长跨方向两侧的自攻螺丝(4)的钻入方向沿塑性绞线方向交叉布置，且跨中设置有若干排钻入方向沿短跨方向交叉布置的自攻螺丝(4)。
4.如权利要求1所述的正交胶合木/竹—混凝土双向组合楼板，其特征在于，双向的钢筋(3)的两个排列方向与正交胶合木/竹板材(1)的长跨和短跨方向一致。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述组合楼板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在正交胶合木/竹板材(1)的上表面钻孔洞(5)，以及钻入自攻螺丝(4)；
S2、通过固定装置在正交胶合木/竹板材(1)的上表面固定双向的钢筋(3)；
S3、在正交胶合木/竹板材(1)的上表面浇注混凝土(2)，将孔洞(5)填实以及并完全覆盖钢筋(3)和自攻螺丝(4)。
6.一种权利要求5所述制造方法的正交胶合木/竹板材中孔洞(5)和自攻螺丝(4)数量的计算方法，其特征在于，孔洞(5)的数量和自攻螺丝(4)的数量按下列步骤确定：
步骤S11：根据楼板设计工况确定双向板的均布荷载设计值；
步骤S12：根据双向板设计手册分别确定双向板长跨和短跨承受的弯矩Ml和Ms；
步骤S13：分别确定双向板长跨和短跨的抗弯刚度EIl和EIs；
步骤S14：根据单个孔洞(5)的滑移刚度和抗剪承载力和单个自攻螺丝(4)的滑移刚度和抗剪承载力，迭代求解确定双向板长跨和短跨方向上的孔洞(5)数量和自攻螺丝(4)数量。
7.如权利要求6所述的计算方法，其特征在于，步骤S13的计算过程如下：
S13a、双向板长跨和短跨的抗弯刚度表达式为：
式1中：E1和E2分别为混凝土(2)和正交胶合木/竹板材(1)的弹性模量；Il1和Is1分别为混凝土长跨方向和短跨方向的转动惯量；rl1和rs1分别为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的连接系数；Al1和As1分别为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的等效截面面积；al1和as1分别为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向形心到组合截面形心之间的距离；
S13b、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向形心到组合截面形心之间的距离的表达式为：
式2中，h1为混凝土(2)的厚度，hl2和hs2为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的等效高度；
S13c、连接系数的表达式为：
式3中，sl1和ss1为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向自攻螺丝(4)的间距；Kl1和Kl2为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的滑移刚度；L1和L2为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的跨度；
S13d、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的滑移刚度表达式为：
式4中，nls和nss为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向自攻螺丝(4)的个数；Kls和Kss为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝(4)的滑移刚度；nls和nss为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向孔洞(5)的个数；Klc和Ksc为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向单个孔洞(5)的滑移刚度；
正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝(4)的抗滑移刚度表达式为：
式5中，ρ为正交胶合木/竹板材(1)中竹材或者木材的密度，d为自攻螺丝(4)的直径，β为自攻螺丝(4)与竹材或者木材顺纹方向的夹角，
为自攻螺丝(4)与长跨方向的夹角；
单个孔洞(5)的滑移刚度取为该方向单个自攻螺丝(4)滑移刚度的n倍。
8.如权利要求7所述的计算方法，其特征在于，步骤S14的计算过程如下：
S14a、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向单个自攻螺丝(4)的抗剪承载力为
式6中，δ为混凝土(2)抗压强度与自攻螺丝(4)销轴承压强度之比，fh,β为自攻螺丝(4)销轴承压强度，My为自攻螺丝(4)抗弯强度；
S14b、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向单个孔洞(5)的抗剪承载力为
式7中，fcv为混凝土(2)的抗剪强度，dc为孔洞(5)的直径；
S14c、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的抗剪承载力为
S14d、正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的剪力为
式9中，μ1和μ2为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的弯矩剪力比，L1和L2为正交胶合木/竹板材(1)长跨方向和短跨方向的跨度；
S14e、首先假定长跨方向的孔洞(5)个数为1，自攻螺丝(4)的个数为2，自攻螺丝(4)与竹纹/木纹方向和长跨方向的夹角均取为45°，孔洞(5)直径取为自攻螺丝(4)直径的5～15倍，计算长跨方向的滑移刚度，然后计算长跨方向的层间剪力和抗剪承载力，若抗剪承载力大于层间剪力，该方向的自攻螺丝(4)和孔洞(5)按假定布置；若抗剪承载力小于层间剪力，在保证孔洞(5)间距的情况下增加孔洞(5)数目，当一侧孔洞(5)数目超过一排时，孔洞(5)按一排布置，多出的孔洞(5)由自攻螺丝(4)代替；
短跨方向按照相同方法计算得到孔洞(5)和自攻螺丝(4)数目。
9.如权利要求8所述的计算方法，其特征在于，在塑性绞线方向倾斜布置自攻螺丝的数量和几何尺寸参考短跨方向自攻螺丝布置。
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| CN (1) | CN115030384A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115822153A (zh) * | 2023-01-08 | 2023-03-21 | 南京工业大学 | 正交胶合木楼盖撞击声隔声性能提升技术及应用 |
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2022
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