基本信息
- 项目名称：
- 新型嵌入式钢筋增强竹结构
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目提出一种新型嵌入式钢筋增强竹结构，针对竹结构，尤其竹材受弯构件，通过嵌入式技术，将钢筋复合于竹材截面受拉部分，利用钢筋较高的弹性模量和良好的延性，重点解决竹结构刚度低、力学性能离散、破坏模式脆性等应用缺陷，提高竹材对于结构工程的适用性。新型嵌入式钢筋增强竹结构优点显著，易加工、易于工业化生产、施工速度快等，可作为木结构的替代形式。
- 详细介绍：
- 在当前发展低碳经济的大背景下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是土木工程科技发展的必然方向。竹材最大的优势是绿色环保和原材料可再生，竹材具有较高的强重比，可达钢材的3~6倍，远胜于混凝土等材料，竹材变形能力强，同时又具有较高的强重比、较好的弹性与韧性，利用竹质工程材料建造的竹结构建筑、桥梁体系已经得到了实践应用，竹结构具有施工速度快，构件、节点易标准化，易工业化生产的优点。但是，作为竹结构的主要受力构件，无论是采用竹帘胶合板、竹材层积材，还是竹材重组材加工制作，其在应用中存在以下问题： 竹材的弹性模量低，竹材受弯构件的设计都为截面的刚度控制，按挠度限值（GB50005-2003《木结构设计规范》规定，梁和格栅的挠度限值为L/250）验算的极限承载力大约是按强度验算极限承载力的20%~30%，造成材料较低的强度利用率，截面设计较大，经济性差；竹梁截面下部受拉区的缺陷对强度降低的影响较大，造成实际力学性能较离散，往往由于受拉区的局部缺陷提前破坏；竹梁的破坏模式典型特征是底部受拉区竹纤维达到极限拉应变，破坏模式较脆，破坏过程较短暂，与结构构件对延性的需求不相符。 针对竹材工程材料力学性能的不足，需寻求改善与增强的技术措施，才能提高其对工程结构的适用性，如中国专利第“02120518.3”号，提出了一种“重组竹材胶合板制造方法”，用该方法制造的竹材胶合板，提高了强度和利用率，但其弹性模量基本未得到提高；又如中国专利第“200520010970.6”号，公开了一种“一种毛竹玻璃纤维复合梁柱”，通过在毛竹四周填充之后包覆玻璃纤维树脂层，对毛竹进行增强，提高其寿命，节约材料，但该技术针对毛竹的原竹，其难以适应现代工程结构的要求。 相对于竹材，钢材具有较高的弹性模量和较好的延性。普通钢材的弹性模量在210GPa左右，大约是竹材的20倍左右，钢材在受力时表现为弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其屈服阶段的屈服平台赋予了钢材极大的延性，钢材的极限应变高达10万个微应变，如此高的极限应变使得钢结构作为受力结构构件时，表现出非常好的延性，另外，工程领域广泛应用的钢筋混凝土结构，正是利用钢筋与混凝土的取长补短，使得钢筋混凝土结构仍然可以表现出良好的延性，虽然混凝土是脆性材料。 本项目提出嵌入式钢筋增强竹结构，针对竹结构，尤其竹材受弯构件，通过嵌入式技术，将钢筋复合于竹材截面受拉部分，利用钢筋较高的弹性模量和良好的延性，重点解决竹结构刚度低、力学性能离散、破坏模式脆性等应用缺陷。 本项目新颖独到，具有原创性。可以广泛应用于土木工程领域的梁、柱等承重构件。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品发明的目的： 针对竹材工程材料力学性能的不足，需寻求改善与增强的技术措施，本项目提出嵌入式钢筋增强竹结构，针对竹结构，尤其竹材受弯构件，通过嵌入式技术，将钢筋复合于竹材截面受拉部分，利用钢筋较高的弹性模量和良好的延性，重点解决竹结构刚度低、力学性能离散、破坏模式脆性等应用缺陷。 基本思路： 1、由于竹材具有与木材相似的优良特性，且再生能力更强，资源更广； 2、采用复合与增强的思想，提出通过嵌入式技术实现钢筋与竹结构的共同工作，实现对现有普通竹结构的增强； 3、竹子可再生能力强，生长周期短，环保节能，同时在力学性能方面有较高的强重比、较好的弹性与韧性及加工性能。 创新点： 采用钢筋来增强竹结构，钢筋的配置，较大程度地改善原竹构件力学性能离散及脆性的破坏模式，且计算理论简单明确，此外竹子再生能力强，生长周期短，绿色环保。 技术关键： 竹构件压制成型→开槽→嵌入钢筋→浸胶→竹条封面。 主要技术指标： （1）嵌入式钢筋增强竹结构最大承载力可提高20%以上； （2）嵌入式钢筋增强竹结构同级荷载下的位移可减小20%以上； （3）嵌入式钢筋增强竹结构在最大承载力之后可在较大持续位移加载下保持80%以上的极限荷载，下降至80%以下的荷载时的极限位移值达到大幅度提高； （4）钢筋良好的延性可改变竹结构本身的脆性破坏模式，实现良好的延性。
科学性、先进性
- 本项目提出嵌入式钢筋增强竹结构，针对竹结构，尤其竹材受弯构件，通过嵌入式技术，将钢筋复合于竹材截面受拉部分，利用钢筋较高的弹性模量和良好的延性，重点解决竹结构刚度低、力学性能离散、破坏模式脆性等应用缺陷。 与现有技术比，本项目克服了现有竹结构的一些公知的缺陷，具有以下显著进步： 1、嵌入式钢筋增强竹结构利用钢筋较高的弹性模量和抗拉强度大幅度地提高了原有竹构件的刚度和承载力，利用钢筋较好的延性使原有竹构件满足对延性的需求； 2、嵌入式钢筋增强竹结构开槽后有多个面参与钢筋与树脂的粘结，界面面积增大、界面粘结性能强，不易发生剥离破坏； 3、嵌入式钢筋增强竹结构的增强钢筋嵌入到构件内部不易发生截面筋材位置的偏移，定位准确，产品质量可靠； 4、嵌入式钢筋增强竹结构不会改变竹结构原有的外形美观性。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年2月，通过校大学生科技创新项目立项审批； 2011年3月，“一种嵌入式钢筋增强竹结构”实用新型专利申请受理（申请号：201120055389.1）； 2011年3月，经江苏省科技查新咨询中心查新证实未见相关文献报道（查新报告编号：201132B2501772）； 2011年4月，在江苏省盐城市，通过了盐城市交通运输局组织的科技成果会议鉴定，鉴定结果为总体达到国内领先水平。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 合作转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1 技术特点和优势： 本项目不改变传统竹结构的制造工艺，采用后嵌入工艺，实现钢筋与竹材的复合。竹材绿色环保、生长周期短，钢筋与竹材在力学性能上优势互补。 2 适用范围： 可以广泛应用于土木工程领域的梁、柱等承重构件，在一定程度上能够成为钢筋混凝土良好的替代材料。 3 推广前景的技术性说明： 新型嵌入式钢筋增强竹结构，利用钢筋较高的强度、较高的弹性模量以及便利的加工性能，改善竹材构件力学性能，提高竹材对于结构工程的适用性。本成果为村镇住宅等建筑结构提供新途径，并为桥梁工程领域的开拓应用奠定基础，且符合我国当前节能、绿色的建筑主题。 4 市场分析和经济效益预测： 从经济角度讲，虽然竹材结构建筑所用的材料成本与混凝土或砖石结构房相当，但由于盖房的工人数量少、施工时间短、人工成本低、装修费用也低，且结构体系轻质高强，可减轻建筑结构自重的30%，大大降低基础的造价。竹结构虽然直接造价略高，但综合效益却明显高于传统的建筑体系。
同类课题研究水平概述
- 竹木结构的增强与应用研究： （1）木结构的增强研究 现实中的木结构建筑，由于木材自身的缺陷和周围环境的影响，很容易承载力下降，并且出现弯曲劈裂，底部折断等的破坏。目前，最新的技术是利用纤维布和纤维筋进行增强，还有一种在板层间加入纤维板的增强结构，通过不同的加入位置实现不同的增强效果，应用于不同的结构中，这方面的研究国内外学者都进行了大量的试验，并取得了一定成果。 当前，一些高校研究机构提出并研究了竹材增强木结构，竹材能弥补木材缺乏和再生能力差的缺点，木材则克服了竹材加工效率低等的劣势。竹木复合材料是指将竹材与木材以相同或不同的结构单元形式进行组合及胶接而成的复合板材或方材。竹材与木材都是天然生长的非均质有机材料，都具有各向异性，两者在力学性质上有很多相似之处，所以比较容易制成复合材料。但是产品大部分用于载重汽车和客车车厢底板，集装箱底板和建筑水泥模板等，其力学性能还不足以满足建筑承重构件要求。 （2）竹复合结构与其增强技术研究 竹材的增强的研究也相对比较少，同样是板材的研究更多。有研究提出一种钢竹复合板，是在竹编板之间加入金属网的一种增强，可以用在车船底板、建筑高强模板等的领域；为了达到在建筑中应用目的，有研究提出一种竹/玻璃钢复合建筑材料，是以竹子为主要原料，加玻璃纤维和填充材料复合形成的一种三维复合材料承力构件和覆盖构件，通过几种材料间互补的材料性能，获得性能更强的复合材料，具有较好的抗弯、抗冲击性能和强的承载能力。 针对竹材工程材料力学性能的不足，为改善与增强竹结构，以提高其对工程结构的适用性，国内也出现几种改善技术，如中国专利第“02120518.3”号，提出了一种“重组竹材胶合板制造方法”，用该方法制造的竹材胶合板，提高了强度和利用率，但其弹性模量基本未得到提高；又如中国专利第“200520010970.6”号，公开了一种“一种毛竹玻璃纤维复合梁柱”，通过在毛竹四周填充之后包覆玻璃纤维树脂层，对毛竹进行增强，提高其寿命，节约材料，但该技术针对毛竹的原竹，其难以适应现代工程结构的要求，这无疑使其发明的现实意义大打折扣。 以上国内外最新研究进展促使我们进一步从各个角度思考竹结构的增强工艺和发展方向，以提高竹结构在土木工程领域的综合使用性能。
