一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板抗弯性能和热工性能研究

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目前,集承载、保温和隔声等功能的一体化墙板已经在国内和国外普遍使用,国内一体化外墙板的主要有改良砖墙、砌块墙、单一材料墙板和复合墙板几种体系,但上述墙体均面临着资源日渐稀缺等严峻挑战,不符合我国落实节约资源与保护环境基本国策和建设环境友好型社会与资源节约型社会发展方针。中国林业资源丰富,木材具有可再生性、强重比高和热工性能好等特点,将正交胶合木(Cross-Laminated Timber,简称CLT)作为建筑用材,有利于提高我国林业资源的利用率,符合我国绿色建筑的发展方向。相比于传统用钢筋网对结构进行增强,复合碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)后的构件整体不仅保有轻质的特点还拥有更好的力学性能。本文依托于国家重点研发计划课题《一体化关键预制构件及新型木竹组合结构》,研究了一种将轻质环保的碳纤维增强复合材料与木材组合且集节能和防护等功能的一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板。本文对一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板的抗弯性能和热工性能进行了研究分析,其主要工作如下:(1)通过胶合工艺试生产四种不同种类的一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板;通过受弯性能试验对试验板的破坏形态、跨中荷载-挠度曲线、极限抗弯承载力和面板跨中截面荷载-应变曲线等主要力学性能试验数据进行研究分析;研究了聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene,简称EPS)厚度、CLT板组坯方式和配置CFRP与否3个参数对一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板力学性能的影响情况。(2)通过复合材料等效板理论将多层叠合面板简化成单层正交异性板,在此基础上再将其简化成各向同性板,考虑面板的抗弯能力对试验板进行理论计算分析;利用ABAQUS有限元分析软件对长宽尺寸为3000mm×600mm的一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板进行抗弯性能数值模拟,研究不同单层木板厚度和不同EPS芯层厚度对墙板抗弯性能的影响情况。(3)通过热流计法测定墙体的导热系数,经过结露检验该墙板符合使用要求。研究了EPS厚度、CLT板组坯方式和配置CFRP与否3个参数对一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板热工性能的影响情况;通过数值模拟对一体化木/碳纤维增强复合材料夹芯板热工性能进行了研究分析;结合前文工作,基于层次分析的模糊综合评价法对墙板进行优化设计,确定了墙板的最优设计方案。
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