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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目提出一種新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，針對(duì)竹結(jié)構(gòu)，尤其竹材受彎構(gòu)件，通過(guò)嵌入式技術(shù)，將鋼筋復(fù)合于竹材截面受拉部分，利用鋼筋較高的彈性模量和良好的延性，重點(diǎn)解決竹結(jié)構(gòu)剛度低、力學(xué)性能離散、破壞模式脆性等應(yīng)用缺陷，提高竹材對(duì)于結(jié)構(gòu)工程的適用性。新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)顯著，易加工、易于工業(yè)化生產(chǎn)、施工速度快等，可作為木結(jié)構(gòu)的替代形式。
- 詳細(xì)介紹：
- 在當(dāng)前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，綠色、生態(tài)、環(huán)保、低碳的新型建筑結(jié)構(gòu)材料是土木工程科技發(fā)展的必然方向。竹材最大的優(yōu)勢(shì)是綠色環(huán)保和原材料可再生，竹材具有較高的強(qiáng)重比，可達(dá)鋼材的3~6倍，遠(yuǎn)勝于混凝土等材料，竹材變形能力強(qiáng)，同時(shí)又具有較高的強(qiáng)重比、較好的彈性與韌性，利用竹質(zhì)工程材料建造的竹結(jié)構(gòu)建筑、橋梁體系已經(jīng)得到了實(shí)踐應(yīng)用，竹結(jié)構(gòu)具有施工速度快，構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)易標(biāo)準(zhǔn)化，易工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。但是，作為竹結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，無(wú)論是采用竹簾膠合板、竹材層積材，還是竹材重組材加工制作，其在應(yīng)用中存在以下問(wèn)題： 竹材的彈性模量低，竹材受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)都為截面的剛度控制，按撓度限值（GB50005-2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，梁和格柵的撓度限值為L(zhǎng)/250）驗(yàn)算的極限承載力大約是按強(qiáng)度驗(yàn)算極限承載力的20%~30%，造成材料較低的強(qiáng)度利用率，截面設(shè)計(jì)較大，經(jīng)濟(jì)性差；竹梁截面下部受拉區(qū)的缺陷對(duì)強(qiáng)度降低的影響較大，造成實(shí)際力學(xué)性能較離散，往往由于受拉區(qū)的局部缺陷提前破壞；竹梁的破壞模式典型特征是底部受拉區(qū)竹纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變，破壞模式較脆，破壞過(guò)程較短暫，與結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)延性的需求不相符。 針對(duì)竹材工程材料力學(xué)性能的不足，需尋求改善與增強(qiáng)的技術(shù)措施，才能提高其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的適用性，如中國(guó)專(zhuān)利第“02120518.3”號(hào)，提出了一種“重組竹材膠合板制造方法”，用該方法制造的竹材膠合板，提高了強(qiáng)度和利用率，但其彈性模量基本未得到提高；又如中國(guó)專(zhuān)利第“200520010970.6”號(hào)，公開(kāi)了一種“一種毛竹玻璃纖維復(fù)合梁柱”，通過(guò)在毛竹四周填充之后包覆玻璃纖維樹(shù)脂層，對(duì)毛竹進(jìn)行增強(qiáng)，提高其壽命，節(jié)約材料，但該技術(shù)針對(duì)毛竹的原竹，其難以適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的要求。 相對(duì)于竹材，鋼材具有較高的彈性模量和較好的延性。普通鋼材的彈性模量在210GPa左右，大約是竹材的20倍左右，鋼材在受力時(shí)表現(xiàn)為彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個(gè)階段，其屈服階段的屈服平臺(tái)賦予了鋼材極大的延性，鋼材的極限應(yīng)變高達(dá)10萬(wàn)個(gè)微應(yīng)變，如此高的極限應(yīng)變使得鋼結(jié)構(gòu)作為受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，表現(xiàn)出非常好的延性，另外，工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，正是利用鋼筋與混凝土的取長(zhǎng)補(bǔ)短，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍然可以表現(xiàn)出良好的延性，雖然混凝土是脆性材料。 本項(xiàng)目提出嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，針對(duì)竹結(jié)構(gòu)，尤其竹材受彎構(gòu)件，通過(guò)嵌入式技術(shù)，將鋼筋復(fù)合于竹材截面受拉部分，利用鋼筋較高的彈性模量和良好的延性，重點(diǎn)解決竹結(jié)構(gòu)剛度低、力學(xué)性能離散、破壞模式脆性等應(yīng)用缺陷。 本項(xiàng)目新穎獨(dú)到，具有原創(chuàng)性?？梢詮V泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的梁、柱等承重構(gòu)件。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品發(fā)明的目的： 針對(duì)竹材工程材料力學(xué)性能的不足，需尋求改善與增強(qiáng)的技術(shù)措施，本項(xiàng)目提出嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，針對(duì)竹結(jié)構(gòu)，尤其竹材受彎構(gòu)件，通過(guò)嵌入式技術(shù)，將鋼筋復(fù)合于竹材截面受拉部分，利用鋼筋較高的彈性模量和良好的延性，重點(diǎn)解決竹結(jié)構(gòu)剛度低、力學(xué)性能離散、破壞模式脆性等應(yīng)用缺陷。 基本思路： 1、由于竹材具有與木材相似的優(yōu)良特性，且再生能力更強(qiáng)，資源更廣； 2、采用復(fù)合與增強(qiáng)的思想，提出通過(guò)嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋與竹結(jié)構(gòu)的共同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有普通竹結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)； 3、竹子可再生能力強(qiáng)，生長(zhǎng)周期短，環(huán)保節(jié)能，同時(shí)在力學(xué)性能方面有較高的強(qiáng)重比、較好的彈性與韌性及加工性能。 創(chuàng)新點(diǎn)： 采用鋼筋來(lái)增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，鋼筋的配置，較大程度地改善原竹構(gòu)件力學(xué)性能離散及脆性的破壞模式，且計(jì)算理論簡(jiǎn)單明確，此外竹子再生能力強(qiáng)，生長(zhǎng)周期短，綠色環(huán)保。 技術(shù)關(guān)鍵： 竹構(gòu)件壓制成型→開(kāi)槽→嵌入鋼筋→浸膠→竹條封面。 主要技術(shù)指標(biāo)： （1）嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)最大承載力可提高20%以上； （2）嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)同級(jí)荷載下的位移可減小20%以上； （3）嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)在最大承載力之后可在較大持續(xù)位移加載下保持80%以上的極限荷載，下降至80%以下的荷載時(shí)的極限位移值達(dá)到大幅度提高； （4）鋼筋良好的延性可改變竹結(jié)構(gòu)本身的脆性破壞模式，實(shí)現(xiàn)良好的延性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本項(xiàng)目提出嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，針對(duì)竹結(jié)構(gòu)，尤其竹材受彎構(gòu)件，通過(guò)嵌入式技術(shù)，將鋼筋復(fù)合于竹材截面受拉部分，利用鋼筋較高的彈性模量和良好的延性，重點(diǎn)解決竹結(jié)構(gòu)剛度低、力學(xué)性能離散、破壞模式脆性等應(yīng)用缺陷。 與現(xiàn)有技術(shù)比，本項(xiàng)目克服了現(xiàn)有竹結(jié)構(gòu)的一些公知的缺陷，具有以下顯著進(jìn)步： 1、嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)利用鋼筋較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度大幅度地提高了原有竹構(gòu)件的剛度和承載力，利用鋼筋較好的延性使原有竹構(gòu)件滿足對(duì)延性的需求； 2、嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)開(kāi)槽后有多個(gè)面參與鋼筋與樹(shù)脂的粘結(jié)，界面面積增大、界面粘結(jié)性能強(qiáng)，不易發(fā)生剝離破壞； 3、嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)鋼筋嵌入到構(gòu)件內(nèi)部不易發(fā)生截面筋材位置的偏移，定位準(zhǔn)確，產(chǎn)品質(zhì)量可靠； 4、嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)不會(huì)改變竹結(jié)構(gòu)原有的外形美觀性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年2月，通過(guò)校大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)審批； 2011年3月，“一種嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)”實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)受理（申請(qǐng)?zhí)枺?01120055389.1）； 2011年3月，經(jīng)江蘇省科技查新咨詢(xún)中心查新證實(shí)未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道（查新報(bào)告編號(hào)：201132B2501772）； 2011年4月，在江蘇省鹽城市，通過(guò)了鹽城市交通運(yùn)輸局組織的科技成果會(huì)議鑒定，鑒定結(jié)果為總體達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 本項(xiàng)目不改變傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)的制造工藝，采用后嵌入工藝，實(shí)現(xiàn)鋼筋與竹材的復(fù)合。竹材綠色環(huán)保、生長(zhǎng)周期短，鋼筋與竹材在力學(xué)性能上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 2 適用范圍： 可以廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的梁、柱等承重構(gòu)件，在一定程度上能夠成為鋼筋混凝土良好的替代材料。 3 推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明： 新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，利用鋼筋較高的強(qiáng)度、較高的彈性模量以及便利的加工性能，改善竹材構(gòu)件力學(xué)性能，提高竹材對(duì)于結(jié)構(gòu)工程的適用性。本成果為村鎮(zhèn)住宅等建筑結(jié)構(gòu)提供新途徑，并為橋梁工程領(lǐng)域的開(kāi)拓應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，且符合我國(guó)當(dāng)前節(jié)能、綠色的建筑主題。 4 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 從經(jīng)濟(jì)角度講，雖然竹材結(jié)構(gòu)建筑所用的材料成本與混凝土或磚石結(jié)構(gòu)房相當(dāng)，但由于蓋房的工人數(shù)量少、施工時(shí)間短、人工成本低、裝修費(fèi)用也低，且結(jié)構(gòu)體系輕質(zhì)高強(qiáng)，可減輕建筑結(jié)構(gòu)自重的30%，大大降低基礎(chǔ)的造價(jià)。竹結(jié)構(gòu)雖然直接造價(jià)略高，但綜合效益卻明顯高于傳統(tǒng)的建筑體系。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 竹木結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)與應(yīng)用研究： （1）木結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)研究 現(xiàn)實(shí)中的木結(jié)構(gòu)建筑，由于木材自身的缺陷和周?chē)h(huán)境的影響，很容易承載力下降，并且出現(xiàn)彎曲劈裂，底部折斷等的破壞。目前，最新的技術(shù)是利用纖維布和纖維筋進(jìn)行增強(qiáng)，還有一種在板層間加入纖維板的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同的加入位置實(shí)現(xiàn)不同的增強(qiáng)效果，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)中，這方面的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并取得了一定成果。 當(dāng)前，一些高校研究機(jī)構(gòu)提出并研究了竹材增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)，竹材能彌補(bǔ)木材缺乏和再生能力差的缺點(diǎn)，木材則克服了竹材加工效率低等的劣勢(shì)。竹木復(fù)合材料是指將竹材與木材以相同或不同的結(jié)構(gòu)單元形式進(jìn)行組合及膠接而成的復(fù)合板材或方材。竹材與木材都是天然生長(zhǎng)的非均質(zhì)有機(jī)材料，都具有各向異性，兩者在力學(xué)性質(zhì)上有很多相似之處，所以比較容易制成復(fù)合材料。但是產(chǎn)品大部分用于載重汽車(chē)和客車(chē)車(chē)廂底板，集裝箱底板和建筑水泥模板等，其力學(xué)性能還不足以滿足建筑承重構(gòu)件要求。 （2）竹復(fù)合結(jié)構(gòu)與其增強(qiáng)技術(shù)研究 竹材的增強(qiáng)的研究也相對(duì)比較少，同樣是板材的研究更多。有研究提出一種鋼竹復(fù)合板，是在竹編板之間加入金屬網(wǎng)的一種增強(qiáng)，可以用在車(chē)船底板、建筑高強(qiáng)模板等的領(lǐng)域；為了達(dá)到在建筑中應(yīng)用目的，有研究提出一種竹/玻璃鋼復(fù)合建筑材料，是以竹子為主要原料，加玻璃纖維和填充材料復(fù)合形成的一種三維復(fù)合材料承力構(gòu)件和覆蓋構(gòu)件，通過(guò)幾種材料間互補(bǔ)的材料性能，獲得性能更強(qiáng)的復(fù)合材料，具有較好的抗彎、抗沖擊性能和強(qiáng)的承載能力。 針對(duì)竹材工程材料力學(xué)性能的不足，為改善與增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)，以提高其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的適用性，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)幾種改善技術(shù)，如中國(guó)專(zhuān)利第“02120518.3”號(hào)，提出了一種“重組竹材膠合板制造方法”，用該方法制造的竹材膠合板，提高了強(qiáng)度和利用率，但其彈性模量基本未得到提高；又如中國(guó)專(zhuān)利第“200520010970.6”號(hào)，公開(kāi)了一種“一種毛竹玻璃纖維復(fù)合梁柱”，通過(guò)在毛竹四周填充之后包覆玻璃纖維樹(shù)脂層，對(duì)毛竹進(jìn)行增強(qiáng)，提高其壽命，節(jié)約材料，但該技術(shù)針對(duì)毛竹的原竹，其難以適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的要求，這無(wú)疑使其發(fā)明的現(xiàn)實(shí)意義大打折扣。 以上國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展促使我們進(jìn)一步從各個(gè)角度思考竹結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)工藝和發(fā)展方向，以提高竹結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的綜合使用性能。
