一种预应力玄武岩纤维板组合木梁及其制备方法
【专利摘要】一种预应力玄武岩纤维板组合木梁，包括木板和玄武岩纤维板，复合梁的同层木板之间沿木板的长度方向拼接成一体，沿木板的厚度方向上下相邻的两层木板的拼接处需错开，拼接处外裹粘接有玄武岩纤维布，玄武岩纤维板沿复合梁的长度方向通长设置，粘接于复合梁的最外侧木板的两侧，分别为木板内侧的第一玄武岩纤维板和木板外侧的第二玄武岩纤维板，第二玄武岩纤维板为施加了预应力的加强板。制备方法包括制作组合木梁，产生预变形、回弹产生预拉力、倒转180度，形成预应力组合木梁构件。本发明解决了传统木结构施工中整根木材用量大，成本较高，普通长度和普通径级的短木材料利用率较低，容易造成极大的材料浪费，木材的使用不合理的技术问题。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建筑工程用的组合木梁及其制备方法，特别是一种应用预应力玄 武岩纤维板组合的木梁及其制备方法。 一种预应力玄武岩纤维板组合木梁及其制备方法
【背景技术】
[0002] 如今，世界性的森林资源正在逐渐减少已经是不争的事实，木材供应的趋势也日 趋紧张。目前的建筑施工中为了保证木结构中的木梁能够达到设计要求，通常会选用截面 面积较大的整根木材，造成木材用量大，对木材的资源造成极大的浪费，成本高昂。
[0003] 木结构施工中，普通长度和普通径级的短木材料通常被做为木楞、垫板、模板等辅 助型构件，无法做为承担应力的主要结构构件，利用率较低，容易造成极大的材料浪费，木 材的使用不合理。
[0004] 玄武岩纤维材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，简称BFRP)，玄武岩纤维布 和玄武纤维板都具有几何可塑性大、轻薄、易剪裁成型等优点，非常适用于传统木构件表面 粘贴，有利于玄武岩纤维材料高强特点的发挥，在较大幅度提高承载力的同时可降低工程 造价。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种预应力玄武岩纤维板组合木梁及其制备方法，要解决传 统木结构施工中整根木材用量大，成本较高的技术问题，还要解决普通长度和普通径级的 短木材料利用率较低，造成极大的材料浪费，木材的使用不合理的技术问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种预应力玄武岩纤维板组合木梁，是多层板材粘接而成的复合梁，包括木板和玄武 岩纤维板，所述复合梁的同层木板之间沿木板的长度方向拼接成一体，沿木板的厚度方向 上下相邻的两层木板的拼接处需错开，拼接处外裹粘接有玄武岩纤维布。
[0007] 所述玄武岩纤维板沿复合梁的长度方向通长设置，粘接于复合梁的最外侧木板的 两侧，分别为木板内侧的第一玄武岩纤维板和木板外侧的第二玄武岩纤维板。
[0008] 所述第二玄武岩纤维板为施加了预应力的加强板。
[0009] 所述复合梁的同层的木板之间沿长度方向均通过端部设置的榫齿进行拼接，齿缝 处还涂满有粘结胶加强连接。
[0010] 一种预应力玄武岩纤维板组合木梁的制备方法，制备步骤如下： 步骤一、将每段木板的端部开榫齿； 步骤二、在榫齿上涂满粘结胶，并沿木板的长度方向对相邻的两块木板的榫齿进行拼 接和粘接，使多段木板连接为一层木板； 步骤三、在榫齿拼接处外裹粘接玄武岩纤维布，上下相邻的两层木板的榫齿拼接处错 开，以避免薄弱连接区重合； 步骤四、沿厚度方向将多层木板通过粘结胶进行由下至上的复合粘接，直至上侧倒数 第二层木板； 步骤五、在上侧倒数第二层的上表面涂粘结胶并粘接第一玄武岩纤维板； 步骤六、在第一玄武岩纤维板的上表面涂粘结胶并粘接最外侧木板，成为多层复合 板； 步骤七、将多层复合板的两端分别固定在支座上，对多层复合板的跨中部位施加垂直 向下的荷载，使得多层复合板产生预变形； 步骤八、在持载的情况下，在多层复合板的上表面涂粘结胶并粘接第二玄武岩纤维板 形成复合梁； 步骤九、在自然条件下养护，直至第二玄武岩纤维板与多层复合板可以共同工作后释 放荷载，利用复合梁的回弹产生预拉力； 步骤十、将复合梁倒转180度使受拉区向下，形成预应力玄武岩纤维板组合木梁。
[0011] 与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果： 本发明的预应力玄武岩纤维板组合木梁采用将多段、多层普通长度、普通径级的木板 拼接并与新型轻质高强玄武岩纤维材料复合形成组合大跨梁，有效利用了原本无法利用的 短木材料，使得对木材的使用更加充分合理。对受拉区最外侧玄武岩纤维板施加预应力，提 高了组合木梁的承载能力和抗弯刚度，减小梁的挠度变形，更好地实现大跨度，有效发挥了 新材料玄武岩纤维轻质高强的优点，满足建筑结构对大跨度木梁的需求，在古旧建筑改造 以及新建木结构中均具有广阔的应用前景，有效地节约了资源。
[0012] 本发明的预应力玄武岩纤维板组合木梁承载力高、跨度大、制作方便，既适用于既 有建筑改造更换木构架，也适用于新建木结构，具有客观的经济效益、同时还具有良好的环 保效益、社会效益。
[0013] 本发明的预应力玄武岩纤维板组合木梁在持载的情况下进行预弯，于组合木梁的 受压面上胶贴玄武岩纤维材料，使得其与组合木梁共同工作，利用梁的回弹产生预拉力，预 应力施加精度容易控制，制备方法简单易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0015] 图1是本发明沿板材长度方向的榫齿连接的俯视结构示意图。
[0016] 图2是本发明沿板材长度方向拼接粘接后的俯视结构示意图。
[0017] 图3是图2的侧视结构示意图。
[0018] 图4是本发明沿板材厚度方向的侧视结构示意图。
[0019] 图5是图4的A处局部放大图。
[0020] 图6是本发明施工方法中步骤六完成后多层复合板的结构示意图。
[0021] 图7是本发明施工方法中步骤七的示意图。
[0022] 图8是本发明施工方法中步骤八的示意图。
[0023] 图9是本发明施工方法中步骤十完成后的示意图。
[0024] 附图标记：1 -木板、1. 1 -最外侧木板、2 -玄武岩纤维板、2. 1 -第一玄武岩纤维 板、2. 2 -第二玄武岩纤维板、3 -榫齿、4 一粘结胶、5 -玄武岩纤维布、6 -荷载、7 -支座、 8 -多层复合板。
【具体实施方式】
[0025] 实施例参见图1?2所示，一种预应力玄武岩纤维板组合木梁，是多层板材粘接而 成的复合梁，包括木板1和玄武岩纤维板2,所述复合梁的同层木板之间沿木板的长度方向 拼接成一体，沿木板的厚度方向上下相邻的两层木板通过粘结胶进行拼接，拼接处需错开， 参见图3所示，拼接处外裹粘接有玄武岩纤维布5。
[0026] 参见图4?5所示，所述玄武岩纤维板2沿复合梁的长度方向通长设置，粘接于复 合梁的最外侧木板1. 1的两侧，分别为木板内侧的第一玄武岩纤维板2. 1和木板外侧的第 二玄武岩纤维板2. 2， 所述第二玄武岩纤维板2. 2为施加了预应力的加强板。
[0027] 参见图1所示，所述复合梁的同层的木板1之间沿长度方向均通过端部设置的榫 齿3进行拼接，参见图2所示，齿缝处还涂满有粘结胶4加强连接。
[0028] -种预应力玄武岩纤维板组合木梁的制备方法，采用预弯法，制备步骤如下： 步骤一、将每段木板的端部开榫齿3。
[0029] 步骤二、在榫齿3上涂满粘结胶4,并沿木板的长度方向对相邻的两块木板的榫齿 进行拼接和粘接，使多段木板连接为一层木板。
[0030] 步骤三、在榫齿拼接处外裹粘接玄武岩纤维布5,上下相邻的两层木板的榫齿拼接 处错开，以避免薄弱连接区重合。
[0031] 步骤四、沿厚度方向将多层木板通过粘结胶4进行由下至上的复合粘接，直至上 侧倒数第二层木板。
[0032] 步骤五、在上侧倒数第二层的上表面涂粘结胶4并粘接第一玄武岩纤维板2. 1。
[0033] 步骤六、在第一玄武岩纤维板2. 1的上表面涂粘结胶4并粘接最外侧木板1. 1，成 为多层复合板8 ;完成后的结构参见图6所示。
[0034] 步骤七、参见图7所示，将多层复合板8的两端分别固定在支座7上，对多层复合 板8的跨中部位施加垂直向下的荷载6,荷载施加部位可设置在多层复合板8的下表面跨 中，使用千斤顶进行加载，使得多层复合板产生预变形。
[0035] 步骤八、参见图8所示，在持载的情况下，在多层复合板的上表面涂粘结胶4并粘 接第二玄武岩纤维板2. 2形成复合梁。
[0036] 步骤九、在自然条件下养护，直至第二玄武岩纤维板2. 2与多层复合板8可以共同 工作后释放荷载，利用复合梁的回弹产生预拉力。
[0037] 步骤十、参见图9所示，将复合梁倒转180度使受拉区向下，形成预应力玄武岩纤 维板组合木梁。
[0038] 本发明中，最外侧木板1. 1的两侧分别胶贴玄武岩纤维板2形成组合木梁的受拉 区；受拉区胶粘玄武岩纤维板2的目的是为了提高组合木梁抗弯能力及整体刚度。
[0039] 制备过程中，也可以于步骤七中先在多层复合板8上表面跨中区域先涂满粘结胶 4,点粘第二玄武岩纤维板2. 2,达到粘接强度后进行加载，然后在持载的情况下，在多层复 合板8的上表面上跨中区域以外部位涂粘结胶4,完全粘贴第二玄武岩纤维板2. 2,接着再 进行步骤九。
[0040] 本发明附图中以5层木板，2层玄武岩纤维板为例说明，实际应用中预应力玄武岩 纤维板组合木梁厚度方向木板的层数取决于梁的厚度尺寸，梁的厚度尺寸取决于梁的长度 (跨度)，一般取梁的长度的1/15到1/20。
[0041] 本发明中粘结胶可使用环氧树脂胶。
[0042] 本发明采用了两个方向的组合方式， 沿梁的长度方向的组合方式： 对于大跨度木梁，由于待拼接木材为多段普通长度、普通径级的板材，其长度较短，纵 向需拼接，拼接方式采取榫齿连接方式，在受拉区为提高拼接节点的抗拉能力，用玄武岩纤 维布裹敷加强。
[0043] 沿梁的厚度方向的组合方式： 组合木梁用若干个按前述长度组合方式已拼接好的木板材沿厚度方向组坯，为了提高 受拉区的胶结木板的抗拉能力及整体受力性能，分别选择在受拉区次一层及最底层胶贴一 层玄武岩纤维板。另外为了提高木梁整体受力性能，横向相邻板的接头需错缝。
[0044] 预弯法施加预应力： 预弯法的原理为：将木梁构件固定在两端支座上，利用加载设备对构件跨中下表面施 加垂直向下荷载。使构件产生一定的预变形。在持载的情况下，将玄武岩纤维板粘贴在受 压面上。自然条件下养护至增强材料同构件可以共同工作，释放荷载，利用梁的回弹产生预 拉力。最后将梁倒转180度，形成预应力梁构件。该方法不仅施工简单，而且预应力施加精 度控制较好。由于预弯的方式相当于给木梁一个与预定外荷载方向相反的预应力主弯矩。 使木梁受压区纤维先受拉，受拉区纤维先受压，由玄武岩纤维板张拉和木梁受压弯形成一 个内力平衡体系，从而有效地发挥了高强玄武岩纤维板的强度，能够提高构件的极限承载 力和抗弯刚度，减少了木梁的变形。特别是对于玄武岩纤维板，由于常用木材的极限拉应变 仅在=1000#左右，而玄武岩纤维材料的极限应变在= 1S000//左右，极限应变相差较 大，如不施加预应力则受拉区木纤维拉断，玄武岩纤维仍没有完全发挥作用。如果能够在玄 武岩纤维板与受拉区木纤维之间建立应变相位差=￡..-<，则在木梁受弯破坏时，两 者同时达到了极限应变，完全发挥了材料的强度，因此也是最经济的。
[0045] 我国现存有大量木结构历史建筑，如殿堂、阁楼、民居、戏楼、寺庙、佛塔、桥梁等。 它们是中华民族文化的重要组成部分，是我国乃至世界的宝贵财富，具有很高的历史、文 化、艺术和科学价值，这些木结构历史建筑的使用年代久远，且大都饱经沧桑。环境因素和 木材自身的材性缺陷，均使得构件承载能力逐渐减退，易出现弯曲、裂缝、断裂等现象，为保 证其正常使用，需要对其进行相应地维护和修复。使这些国家瑰宝不致遭受严重破坏、甚至 倒塌，更好地完整地保存下去。
[0046] 另外，为更好地传承弘扬中华民族文化，新建木结构仿古建筑越来越多。同时，木 结构建筑具有亲近自然、舒适耐久、抗震安全、设计灵活、施工周期短等特性，更以节能、生 态、环保而著称。木结构建筑在装配式住宅、建筑节能、建筑抗震方面有着无可比拟的巨大 优势，符合国家低碳建筑的产业政策。在全球倡导低碳环保的大背景下，中国绿色建筑的发 展已成为一种大趋势，现代木结构建筑以及与之相关的木产业走上前台。
[0047] 本发明预应力玄武岩纤维板组合木梁为历史建筑木结构的加固维修、新建木结构 仿古建筑和现代木结构建筑提供了一种更为经济合理有效的技术方法，可有效的保护历史 建筑木结构，以保护文化遗产，发展文化旅游产业，促进现代木结构建筑发展，促进绿色建 筑的发展，促进经济发展，具有显著的经济效益和社会效益。
[0048] 本发明在工程上的应用表现在： 一、某实验工程中对古建筑群落的修缮保护 为了对该实验工程中的古建筑群落进行修缮保护，对其木构架进行了抗震性能分析与 加固修复设计。全面分析了该古建筑木构架的结构特性，对其结构损伤情况进行了检测鉴 定，分析了该损伤木结构的抗震性能。在此基础上采用玄武岩纤维板组合木梁对损伤的木 梁、节点等进行加固修复。
[0049] 二、某实验工程古建筑木构架加固修复 该实验工程的大量木梁构件存在腐朽、虫蛀、开裂及节点榫卯松动等损伤，严重影响建 筑物正常使用，存在较大安全隐患。实验当地缺乏可用的原尺寸木梁，需要从外地购进，造 成工期长，费用很高。经设计分析，采用预应力玄武岩纤维板组合木梁，对损伤木梁进行了 替换，满足了加固要求，节约了大量费用，取得了显著的经济社会效益。
[0050] 三、某实验工程木结构古民居建筑群落修繕 该实验工程的木结构古民居建筑群落由于历史长期自然环境的侵蚀又缺乏维修，存 在较大的安全隐患，已严重影响建筑物的正常使用。对该建筑群落木结构损伤情况进行了 检测诊断与鉴定，采用玄武岩纤维板组合木梁对损伤的木梁进行了替换，采用玄武岩纤维 布加固技术对损伤的木柱、节点等进行加固，并进行有限元分析，得到相应结构的地震反 应，分析损伤木结构加固前后的抗震性能。
[0051] 四、某实验工程古戏楼木构架保护和修缮 该实验工程全面分析了古戏楼木构架的结构特性，研究其地基及台基、柱脚节点、柱架 的侧脚和生起、铺作层等构造做法的隔震、耗能减震情况；对其结构损伤情况进行了检测鉴 定，地震波输入天津波及埃而森特罗波，对其进行有限元分析，得到相应结构的地震反应， 分析了该损伤木结构的抗震性能；在此基础上采用玄武岩纤维板组合木梁对损伤的木梁进 行了替换，对节点等进行加固修复。
[0052] 通过多个实验工程，预应力玄武岩纤维板组合木梁为历史建筑木结构的加固维 修、新建木结构仿古建筑和现代木结构建筑提供了一种更为经济合理有效的技术方法，不 但提高了结构的承载能力及抗震性能，还增强了结构的耐腐蚀能力和耐久性，计算方法简 单，施工简便，在我国的木结构建筑中具有良好的推广应用价值。
【权利要求】
1. 一种预应力玄武岩纤维板组合木梁，是多层板材粘接而成的复合梁，其特征在于： 包括木板（1)和玄武岩纤维板（2)，所述复合梁的同层木板之间沿木板的长度方向拼接成 一体，沿木板的厚度方向上下相邻的两层木板的拼接处需错开，拼接处外裹粘接有玄武岩 纤维布（5)， 所述玄武岩纤维板（2)沿复合梁的长度方向通长设置，粘接于复合梁的最外侧木板 (1. 1)的两侧，分别为木板内侧的第一玄武岩纤维板（2. 1)和木板外侧的第二玄武岩纤维板 (2. 2)， 所述第二玄武岩纤维板（2. 2)为施加了预应力的加强板。
2. 根据权利要求1所述的一种预应力玄武岩纤维板组合木梁，其特征在于：所述复合 梁的同层的木板（1)之间沿长度方向均通过端部设置的榫齿（3)进行拼接，齿缝处还涂满 有粘结胶（4)加强连接。
3. -种根据权利要求1?2任意一项所述的预应力玄武岩纤维板组合木梁的制备方 法，其特征在于，制备步骤如下： 步骤一、将每段木板的端部开榫齿（3); 步骤二、在榫齿（3)上涂满粘结胶（4)，并沿木板的长度方向对相邻的两块木板的榫齿 进行拼接和粘接，使多段木板连接为一层木板； 步骤三、在榫齿拼接处外裹粘接玄武岩纤维布（5)，上下相邻的两层木板的榫齿拼接处 错开，以避免薄弱连接区重合； 步骤四、沿厚度方向将多层木板通过粘结胶（4)进行由下至上的复合粘接，直至上侧倒 数第二层木板； 步骤五、在上侧倒数第二层的上表面涂粘结胶（4)并粘接第一玄武岩纤维板（2. 1); 步骤六、在第一玄武岩纤维板（2. 1)的上表面涂粘结胶（4)并粘接最外侧木板（1. 1)， 成为多层复合板（8); 步骤七、将多层复合板（8)的两端分别固定在支座（7)上，对多层复合板（8)的跨中部 位施加垂直向下的荷载（6)，使得多层复合板产生预变形； 步骤八、在持载的情况下，在多层复合板（8)的上表面涂粘结胶（4)并粘接第二玄武岩 纤维板（2. 2)形成复合梁； 步骤九、在自然条件下养护，直至第二玄武岩纤维板（2. 2)与多层复合板（8)可以共同 工作后释放荷载，利用复合梁的回弹产生预拉力； 步骤十、将复合梁倒转180度使受拉区向下，形成预应力玄武岩纤维板组合木梁。
【文档编号】B32B21/10GK104120832SQ201410382845
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】麻建锁, 蔡焕琴, 白润山, 李志强 申请人:河北建筑工程学院