一种仿生组合梁/板结构的制作方法与工艺

本实用新型涉及一种组合结构，尤其是涉及组合梁结构以及组合板结构。

背景技术：
当前整体浇筑形式的钢筋混凝土、装配形式的钢筋混凝土以及型钢混凝土组合结构形式是我国目前建筑、桥梁中广泛采用的结构形式。但对于钢筋混凝土构件，特别是对于受弯构件，由于混凝土材料本身抗拉强度远低于其抗压强度以及钢筋的抗压强度。因此在受弯构件中，受拉混凝土会首先产生裂缝，进一步的影响整个构件的抗弯刚度以及失去对内部钢筋的保护作用。对于型钢梁加混凝土板的组合结构，由于型钢缺乏混凝土的保护，很容易出现腐蚀、抗火等方面的问题。随着科学技术的发展各种采用材料用于土木工程结构中，通过组合，充分利用两种及两种以上材料优缺点相互弥补的原则进行结合，使得各种材料的优点得到发挥，弥补其他材料的缺点，形成新型的组合结构形式。例如：利用FRP材料高强、抗腐蚀性、轻质等特点提高组合梁的整体性能。把FRP材料放置在弯曲构件的受拉侧，可有效避免混凝土受拉开裂，保证整体结构的性能，保护混凝土内部的钢筋。本实用新型提供一种新的FRP-钢筋混凝土组合结构形式，相比于钢筋混凝土结构，具有良好的延性和抗弯性能。并能够有效减少混凝土的受拉开裂现象，起到对整体结构的保护作用。

技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述钢筋混凝土结构易开裂导致的梁(板)刚度下降以及内部钢筋的腐蚀问题。受一些生物的蜂窝结构中存在小柱-它的外层为纤维，芯层为蛋白质的启发，提炼出仿生蜂窝结构模型，并通过ABAQUS有限元解析验证以该仿生结构为基础的组合结构梁(板)具有更好的力学性能。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种组合梁/板结构，其特征在于：包括仿生蜂窝结构层以及钢筋混凝土层，所述钢筋混凝土结构层位于所述仿生蜂窝结构层的上面，所述仿生蜂窝结构层包括上面板、下面板以及中间的蜂窝多边形格栅，相邻两格栅具有一个公共边，在所有格栅交汇处，均设置有以交汇线为中心、与多边形格栅固连于一体的连接柱。所述连接柱为空心。所述连接柱的截面为多边形或圆形。所述蜂窝多边形栅格为蜂窝六边形栅格、蜂窝四边形栅格和蜂窝三角形栅格。所述仿生蜂窝结构层的材料为FRP或钢材。钢筋混凝土结构层与仿生蜂窝结构层之间采用抗剪连接件、砂粒或湿连接。一种组合梁/板结构的施工方法，其特征在于，步骤为：第一步：预制仿生蜂窝结构层并运输到施工现场，吊装到相应位置后固定；第二步：在固定好的仿生蜂窝结构层表面设置粘结层；第三步：配置并安装钢筋笼骨架；第四步：以仿生蜂窝结构层作为底层模板，浇筑混凝土并养护。本实用新型新型组合结构梁(板)是一种具有仿生结构层的组合结构。包括仿生蜂窝结构层、钢筋混凝土层以及用于使二者共同工作的粘结层。由上述可知，用仿生结构层作为组合结构的下层，可有效降低梁高，减少混凝土的受拉开裂现象，保护混凝土内部的钢筋，提高构件的延性以及抗弯性能，是一种重量轻，强度高的仿生结构保护层。随着高层、超高层建筑结构以及大跨桥梁的使用，本实用新型具有很广的应用前景。本实用新型以仿生结构层为基础，与钢筋混凝土结构形成组合结构，起到以下三个强化作用：1、该新型组合结构具有在弯矩作用下具有良好的延性和耗能能力；2、该新型组合结构能够有效减少混凝土的受拉开裂现象；3、新型仿生组合结构具有更高的承载能力，当梁(板)上荷载不变时，可降低梁(板)高度，扩大建筑使用空间，降低建筑自重。申请人对上述新型仿生组合结构进行三维有限元解析得，在梁高度不变的条件下，新型仿生组合梁结构的弹性变形能力是钢筋混凝土梁结构2倍。附图说明图1为本实用新型整体结构示意图；图2为本实用新型仿生蜂窝结构层侧视图；图3为本实用新型中仿生蜂窝结构层正视图；图4为本实用新型中仿生蜂窝结构芯层示意图；图5为本实用新型中仿生蜂窝结构芯层细部结构示意图；图6为有限元分析加载示意图；图7为新型仿生组合梁结构与钢筋混凝土梁结构的荷载-挠度曲线；图中编号：1为钢筋混凝土结构层；2为仿生蜂窝结构层；3为粘结层；4为简支梁支座；5为仿生结构层上面板；7为仿生结构层下面板；6为仿生蜂窝结构层芯层。具体实施方式下面结合附图，对本实用新型作详细说明：受一些生物的蜂窝结构中存在小柱-它的外层为纤维，芯层为蛋白质的启发，提炼出仿生蜂窝结构模型，并通过ABAQUS有限元解析验证以该仿生结构为基础的组合结构梁(板)具有更好的力学性能。如图1所示，本实用新型组合梁/板结构，包括仿生蜂窝结构层2、钢筋混凝土结构层1以及用于使二者共同工作的粘结层3。钢筋混凝土结构层1为上层，仿生蜂窝结构层2为下层。上层的钢筋混凝土结构层1可以使用任何强度等级的混凝土材料，宜使用C40等级及以上混凝土，特别适合使用高强混凝土。下层的仿生蜂窝结构层2既可以使用FRP材料，也可以使用钢材或是其他材料。下层的仿生蜂窝结构层1如图3所示，包括上面板5、下面板7以及中间的仿生蜂窝结构层芯层6，仿生蜂窝结构层芯层6采用栅格单元依次连接而成，栅格单元的形状例如六边形、四边形和三角形。相邻两格栅单元具有一个公共边，在所有格栅交汇处，均设置有以交汇线为中心、与多边形格栅固连于一体的连接柱，连接柱可以是实心，也可以为空心。连接柱可以是截面为圆形的圆筒，也可以是截面为多边形的柱体。且栅格的边长和内接圆的直径均可根据实际工程的需求而改变。钢筋混凝土结构层与仿生蜂窝结构层之间采用抗剪连接件、砂粒、湿连接等方式进行连接，保证二者的共同作用。所述新型组合结构既可以作为简支梁、板结构使用，又可以作为连续梁、板结构使用。本实用新型新型仿生组合梁(板)结构施工方法如下：第一步：图1中的底层仿生结构在工厂预制并运输到施工现场，吊装到相应位置后固定；第二步：设置粘结层；第三步：配置并安装钢筋笼骨架；第四步：以该仿生结构层作为底层模板，浇筑混凝土。由于施工现场不需要支梁(板)底层模，且装配好的仿生结构层可以作为受力结构，为支梁(板)四周的模时提供便利。新型仿生组合结构梁(板)模型示意图及细部构造如图1,2，3,4，5所示。本说明书中通过有限元软件ABAQUS模拟分析得出仿生组合梁结构与钢筋混凝土梁结构的荷载-挠度曲线来说明前者力学性能的优越性。本说明书中梁的详细信息见表1。其中L为梁跨度，b为梁宽，H为梁总高度，h1位仿生结构层高度，h2为钢筋混凝土高度，新型仿生组合梁结构中的底层为玄武岩纤维复合材料(BFRP)，混凝土强度为C30，钢筋类型为HPB235。表1梁详细信息(单位mm)由于现行的钢筋混凝土梁(板)结构存在易开裂，自重大，延性较差等缺点，采用新型仿生组合梁(板)结构则可以有效避免上述问题。使用非线性功能十分强大的有限元分析软件ABAQUS对二者进行三点弯曲的承载力分析。通过对两种梁结构在跨中位置施加竖向位移荷载，分别得到仿生组合梁结构和钢筋混凝土梁结构的弯曲状态以及荷载-挠度曲线。通过比较分析荷载-挠度曲线说明两种结构在承载力、延性、破坏方式等方面的区别，以此说明新型仿生组合梁(板)结构的优越性。通过ABAQUS解析(见图6加载模型)，对两种梁结构跨中施加竖向位移荷载。梁左右两端采用简支支座。解析得挠度-位移曲线如图7所示。由图7可得，两种梁结构的荷载-挠度曲线可分为三个阶段：弹性变形阶段(仿生组合梁：oa段；钢筋混凝土梁：oa′段)、弹塑性变形阶段(仿生组合梁：ba段；钢筋混凝土梁：a′b′段)以及破坏阶段(仿生组合梁：bc段；钢筋混凝土梁：b′c′段)。图中δE，δE′分别为仿生组合梁结构与钢筋混凝土梁结构最大弹性变形的跨中挠度；δU，δU′分别为两种梁结构破坏时的最大跨中挠度；NE，NE′分别为两种梁结构最大弹性变形的跨中集中荷载；NU，NU′分别为两种梁结构的破坏时的最大跨中荷载。先比较跨中挠度可知：1.δE＝3.15mm，δE′＝1.51mm，即δE是δE′的2.09倍。说明新型仿生组合梁结构的弹性变形能力是钢筋混凝土梁的2.09倍。此时仿生组合梁结构处于弹性变形阶段，其上层的钢筋混凝土受拉侧并未出现裂缝，从而有效保护了混凝土内部的钢筋；2.δU≈δU′，即两种梁结构破坏时的跨中挠度几乎相同，说明二者的极限破坏状态都是混凝土被压碎。由于高强混凝土的脆性使得在传统的钢筋混凝土梁结构中，受拉侧混凝土开裂问题是影响高强混凝土使用的其中因素之一。因此在仿生组合结构中使用高强混凝土可有效避免受拉混凝土的开裂问题，充分使用高强混凝土的受压性能，显著提高梁的承载能力。其次再比较跨中集中荷载可知：1.NE＝150KN，NE′＝78KN，即NE是NE′的1.92倍，与弹性变化时跨中挠度的倍数相近；2.NU′≈NE，即当受压混凝土当仿生组合梁结构达到最大弹性变形得跨中荷载与钢筋混凝土梁的破坏荷载相等。说明仿生组合梁结构的弹性变形能力取决于上层混凝土的抗压强度，而普通钢筋混凝土梁当混凝土受压破碎时即宣告破坏。从而可知，仿生组合梁结构能够充分发挥混凝土或是高强混凝土的抗压性能；3.NU＝1.18NU′，即仿生组合梁结构的极限承载力比钢筋混凝土梁提高18％。当使用高强混凝土时，承载能力则会进一步提高；4.当两种梁结构分别达到跨中破坏挠度时，仿生组合梁结构依然可以继续承受荷载(图7bc段)，而钢筋混凝土梁则不能继续承受荷载(图7b′＝c′段)。综上所述，该类新型仿生组合梁(板)结构具有延缓裂缝形成时间、充分发挥混凝土乃至高强混凝土的材料性能、提高结构延性、承载力等多个力学性能。