CN100390369C - 纤维增强塑料钢绞线复合筋 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是纤维增强塑料钢绞线复合筋。它包括芯部和纤维增强塑料两层，所述的芯部是细钢绞线或超细高强钢丝束，所述的纤维增强塑料是包裹在芯部外的单向纤维增强塑料包裹层。本发明是利用钢绞线和FRP材料各自特点，对两种材料进行复合，制作出一种新型纤维增强塑料(FRP)-钢绞线复合筋，其克服单一材料各自的不足，具有轻质、高强、高模量、耐腐蚀、高延伸率，以及伪延性等优点，是加筋混凝土、桥梁拉索等土木工程结构中钢材的安全、可靠的替代材料。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种土木工程用结构材料。具体地说是一种在土木工程结构中具有优良的力学和耐久性指标的纤维增强塑料(FRP)-钢绞线复合筋。
(二)背景技术
纤维增强塑料，以下简称FRP，是以连续纤维组成的复合材料。这种连续纤维首先浸渍在用于粘合纤维的聚合物中，然后加工成所需要的形状。根据纤维种类的不同，纤维增强塑料可分为碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料和芳纶纤维增强塑料及混杂增强塑料等。纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性。其中，纤维增强塑料棒材可做成普通钢筋的形状，被认为是钢筋的一种可能的替代材料；对于光面的FRP棒，可以代替桥梁拉索中的钢绞线或高强钢丝。纤维增强塑料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料适于服役环境、耐久性、抗疲劳等方面要求高的重要工程结构，如地下结构、海洋工程，水利工程等。目前在美国、日本、加拿大等发达国家已经成立了纤维增强塑料研究会，初步制定了结构设计的规范，并成功地用于了实际工程。
对于各种纤维的FRP材料来说，除了碳纤维的模量较大(跟钢材差不多)，其他的模量较小。同时由于各种纤维增强塑料都是线弹性材料，其破坏过程中没有屈服，破坏形式为脆性破坏，从而造成了在使用过程中破坏没有预兆，降低了该材料使用的安全性。在混凝土工程中使用只有通过超筋设计才能提高结构的安全性能，但是这样造成了材料的浪费。另外，利用多种不同模量和极限延伸率的纤维进行混杂可以提高FRP材料的模量和延性问题，但是对于混杂纤维FRP材料来说，其屈服过程是以部分纤维的失效来实现的，这样造成其在这段过程中发生脆性破坏的可能性非常大，极为不安全。
所以，FRP材料以其自身的优点，在土木行业中有广阔的应用前景。同时由于其自身的特点，在一定程度上也制约了其在土木工程中的应用。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可以弥补，由于单纯纤维造成的FRP筋的不足，可以替代钢筋或钢绞线作为受力构件的纤维增强塑料钢绞线复合筋。
本发明的目的是这样实现的：它包括芯部和纤维增强塑料两层，所述的芯部是细钢绞线或超细高强钢丝束，所述的纤维增强塑料是包裹在芯部外的单向纤维增强塑料包裹层。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、纤维增强塑料包裹层的表面带有类似钢筋的肋。
2、纤维增强塑料包裹层的表面为光滑的棒形。
3、所述的纤维增强塑料是碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种。
本发明的基本原理是根据FRP材料设计原理，在纤维增强塑料(FRP)-钢绞线复合筋中，芯部的钢绞线束是与其他外层包裹纤维一起进入模具，经过热处理成型工艺，使之成为一个整体。由于芯部的钢绞线与外部的FRP材料固结良好，使其一起协同变形。对于钢绞线来说其弹性应变在1％左右，而一般纤维的极限应变在2～3％。因此该筋在受拉的过程中经历以下三个阶段是：在应变达到1％之前，根据FRP混杂原理，以及两者的复合比例，钢绞线和纤维共同承担荷载，该筋的弹性模量介于钢绞线和纤维之间，这一段为弹性阶段；随着应变的增加，在达到纤维的极限应变之前，由于钢绞线屈服的发生，从而造成该筋弹性模量的降低，从而产生了类似于屈服的特性。这一阶段为该筋的屈服段，该阶段没有纤维的破坏，也是钢绞线与纤维共同承担荷载，因此该过程为安全过程，同时循环加载不会造成整体力学性能的降低。这也是该筋与混杂FRP筋的最大区别。一旦应变超过纤维的极限应变，纤维开始断裂，纤维退出工作，荷载重新分布到钢绞线上，最终以钢绞线被拉断结束。由于该筋成型配比为一个复合过程，因此该筋的力学性能是可以设计的，根据FRP筋的混杂理论，根据纤维种类不同造成纤维弹性模量不同，调整钢绞线与纤维的配比，可以制作出不同力学性能的筋材。该种混杂筋克服了单纯FRP材料模量低、延性差、没有屈服段而造成安全性差和成本高的缺点，同时继承了FRP筋轻质、高强和高耐久性的优点。因此该种纤维增强塑料(FRP)-钢绞线复合筋是钢筋、钢绞线的理想替代材料，成为新一代土木工程结构材料。
(四)附图说明
图1是本发明的实施方案的结构示意图；
图2是图1的左视图。
(五)具体实施方案
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1和图2，纤维增强塑料(FRP)-钢绞线复合筋的结构组成包括单向FRP材料包裹层1，芯部的细钢绞线束2。本发明的产品可以采用这样的方法来制作：将细钢绞线束与浸润树脂的纤维，如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等，按照一定的比例，一起送入拉拔模具，根据树脂的不同，按照不同的成型工艺机型成型。成型结束后钢绞线和外层FRP材料有机的固结成一体。该产品根据应用的不同，其表面可以是光面的，主要用于制作桥梁拉索等索类结构；将其表面制作出类似钢筋的肋，提高与混凝土的粘结锚固，用于加筋混凝土结构中。
所述的芯材为多束细钢绞线，为了增加其与外包裹层FRP材料的粘结作用可以采用超细的高强钢丝束。
所述的外包裹FRP层为单向纤维走向。其作用有两种，一是承担荷载作用，二是保护芯材免于腐蚀。可选的纤维种类有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等。
所述的芯材与包裹FRP层的配比要根据要求的力学性能指标，按照FRP材料混杂理论进行配比计算。
所述纤维种类选择的依据是该筋的力学性能指标、使用环境要求和成本。低模量纤维的选用会造成该筋整体模量的降低；对于混凝土工程中的加强筋，玻璃纤维的选用会造成该筋耐久性能的降低；高级纤维的选用虽然在一定程度上可以提高该筋的性能，但是增加了其成本。因此，要根据力学性能要求、使用环境和成本等方面进行综合的纤维选用。
所述外层的FRP包裹层的树脂可以为热固性或热塑性，其中热固性树脂的选用可以提高该筋的整体力学性能，但是使得该筋不具备二次热加工的能力；选用热塑性树脂可以使得改进进行二次热加工，进行弯折，更为适用一定工程的需要。
在混凝土工程中，为了提高该筋与混凝土的粘结，将其表面制作出肋；而对于拉索用筋为表面光滑的棒材。
Claims (4)
1.一种纤维增强塑料钢绞线复合筋，其特征是：它包括芯部和纤维增强塑料两层，所述的芯部是细钢绞线或超细高强钢丝束，所述的纤维增强塑料是包裹在芯部外的单向纤维增强塑料包裹层。
2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料钢绞线复合筋，其特征是：纤维增强塑料包裹层的表面带有类似钢筋的肋。
3.根据权利要求1所述的纤维增强塑料钢绞线复合筋，其特征是：纤维增强塑料包裹层的表面为光滑的棒形。
4.根据权利要求1、2或3所述的纤维增强塑料钢绞线复合筋，其特征是：所述的纤维增强塑料是碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种。
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