一种仿生组合梁/板结构及施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种组合梁/板结构及施工方法，其中组合梁/板结构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。与现有技术相比，本发明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。
【专利说明】
-种仿生组合梁/板结构及施工方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种组合结构，尤其是设及组合梁结构W及组合板结构。
【背景技术】
[0002] 当前整体诱筑形式的钢筋混凝±、装配形式的钢筋混凝±^及型钢混凝±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±构件，特别是对于 受弯构件，由于混凝±材料本身抗拉强度远低于其抗压强度W及钢筋的抗压强度。因此在 受弯构件中，受拉混凝±会首先产生裂缝，进一步的影响整个构件的抗弯刚度W及失去对 内部钢筋的保护作用。对于型钢梁加混凝±板的组合结构，由于型钢缺乏混凝±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±木工程结构 中，通过组合，充分利用两种及两种W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±受拉开裂，保证整体结构的性能，保护混凝±内部的钢筋。
[0003] 本发明提供一种新的FRP-钢筋混凝±组合结构形式，相比于钢筋混凝±结构，具 有良好的延性和抗弯性能。并能够有效减少混凝±的受拉开裂现象，起到对整体结构的保 护作用。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述钢筋混凝±结构易开裂导致的梁(板） 度下降W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，忍 层为蛋白质的启发，提炼出仿生蜂窝结构模型，并通过ABA卵S有限元解析验证W该仿生结 构为基础的组合结构梁(板)具有更好的力学性能。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种组合梁/板结构，其特征在于:包括仿生蜂窝结构层W及钢筋混凝±层，所述 钢筋混凝±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W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W交汇线为中屯、、与多边形格栅固连于一体的连接柱。
[0007] 所述连接柱为空屯、。
[000引所述连接柱的截面为多边形或圆形。
[0009] 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=角形栅格。
[0010] 所述仿生蜂窝结构层的材料为FRP或钢材。
[0011] 钢筋混凝±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：
[0012] 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；
[0013] 第二步:在固定好的仿生蜂窝结构层表面设置粘结层；
[0014] 第=步:配置并安装钢筋笼骨架；
[0015] 第四步：W仿生蜂窝结构层作为底层模板，诱筑混凝±并养护。
[0016] 本发明新型组合结构梁(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±层^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±的受拉开裂现象，保护混凝±内部的钢筋，提 高构件的延性W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W及大跨桥梁的使用，本发明具有很广的应用前景。
[0017] 本发明W仿生结构层为基础，与钢筋混凝±结构形成组合结构，起到W下=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±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=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±梁结构2倍。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明整体结构示意图；
[0019] 图2为本发明仿生蜂窝结构层侧视图；
[0020] 图3为本发明中仿生蜂窝结构层正视图；
[0021 ]图4为本发明中仿生蜂窝结构忍层示意图；
[0022] 图5为本发明中仿生蜂窝结构忍层细部结构示意图；
[0023] 图6为有限元分析加载示意图；
[0024] 图7为新型仿生组合梁结构与钢筋混凝±梁结构的荷载-晓度曲线；
[0025] 图中编号：1为钢筋混凝±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为仿生蜂窝结构层忍层。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图，对本发明作详细说明：
[0027] 受一些生物的蜂窝结构中存在小柱-它的外层为纤维，忍层为蛋白质的启发，提炼 出仿生蜂窝结构模型，并通过ABAQUS有限元解析验证W该仿生结构为基础的组合结构梁 (板)具有更好的力学性能。
[0028] 如图1所示，本发明组合梁/板结构，包括仿生蜂窝结构层2、钢筋混凝±结构层IW 及用于使二者共同工作的粘结层3。钢筋混凝±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±结构层1可W使用任何强度等级的混凝±材料，宜使用C40等级及W上混 凝±，特别适合使用高强混凝±。
[0029] 下层的仿生蜂窝结构层2既可W使用FRP材料，也可W使用钢材或是其他材料。
[0030] 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7W及中间的仿生蜂窝 结构层忍层6,仿生蜂窝结构层忍层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=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W 交汇线为中屯、、与多边形格栅固连于一体的连接柱，连接柱可W是实屯、，也可W为空屯、。连 接柱可W是截面为圆形的圆筒，也可W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。
[0031] 钢筋混凝±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。
[0032] 所述新型组合结构既可W作为简支梁、板结构使用，又可W作为连续梁、板结构使 用。
[0033] 本发明新型仿生组合梁(板)结构施工方法如下：
[0034] 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=步:配置并安装钢筋笼骨架;第四步：W该仿生结构层作为 底层模板，诱筑混凝±。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W 作为受力结构，为支梁(板)四周的模时提供便利。
[0035] 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ABA卵討莫拟分析得出仿生组合梁结构与钢筋混凝±梁结构的荷载-晓度 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，hi位仿生结构层高度，h2为钢筋混凝±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±强度为C30,钢筋类型为HPB235。
[0036] 表1梁详细信息（单位mm)
[0037]
[0038] 由于现行的钢筋混凝±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W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=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上梁结构的弯曲状态W及荷载-晓度曲线。通 过比较分析荷载-晓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，W此说 明新型仿生组合梁(板)结构的优越性。
[0039] 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。解析得晓度-位移曲线如图7所示。
[0040] 由图7可得，两种梁结构的荷载-晓度曲线可分为=个阶段:弹性变形阶段(仿生组 合梁:oa段;钢筋混凝±梁:〇3/段）、弹塑性变形阶段(仿生组合梁:ba段;钢筋混凝±梁:曰/ b/段）W及破坏阶段(仿生组合梁:bc段;钢筋混凝±梁:1/(3/段）。图中扣，如/分别为仿生组 合梁结构与钢筋混凝±梁结构最大弹性变形的跨中晓度;Su, S/分别为两种梁结构破坏时 的最大跨中晓度;化，化/分别为两种梁结构最大弹性变形的跨中集中荷载;Nu,Nl/分别为两 种梁结构的破坏时的最大跨中荷载。先比较跨中晓度可知：1. Se = 3.15mm，=1.51mm，即 Se是扣/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±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±受拉侧并未出现裂缝，从而有 效保护了混凝±内部的钢筋;2.如>如/，即两种梁结构破坏时的跨中晓度几乎相同，说明二 者的极限破坏状态都是混凝±被压碎。由于高强混凝±的脆性使得在传统的钢筋混凝±梁 结构中，受拉侧混凝±开裂问题是影响高强混凝±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±可有效避免受拉混凝±的开裂问题，充分使用高强混凝±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，化/ =78KN，即化 是化/的1.92倍，与弹性变化时跨中晓度的倍数相近;2.Nl/>施，即当受压混凝±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±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±的抗压强度，而普通钢筋混凝±梁当混凝±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±或是高强混凝±的抗压 性能;3.Nu=I. ISNl/，即仿生组合梁结构的极限承载力比钢筋混凝±梁提高18%。当使用高 强混凝±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晓度时，仿生组 合梁结构依然可W继续承受荷载（图7bc段），而钢筋混凝±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 ±乃至高强混凝±的材料性能、提高结构延性、承载力等多个力学性能。
【主权项】
1. 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结构层，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。2. 根据权利要求1所述的组合梁/板结构，其特征在于:所述连接柱为空心。3. 根据权利要求2所述的组合梁/板结构，其特征在于:所述连接柱的截面为多边形或 圆形。4. 根据权利要求1、2或3所述的组合梁/板结构，其特征在于: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。5. 根据权利要求1所述的组合梁/板结构，其特征在于:所述仿生蜂窝结构层的材料为 FRP或钢材。6. 根据权利要求1所述的组合梁/板结构，其特征在于: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。7. -种如权利要求1至6任一所述组合梁/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。
【文档编号】E04C3/293GK105908898SQ201610424915
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】陈锦祥, 张晓明, 拓万永
【申请人】东南大学