CN101560816B

CN101560816B - Frp筋纤维布缠接同轴连接方法

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Publication number: CN101560816B
Application number: CN2009100512954A
Authority: CN
Inventors: 袁国青; 董国华; 马剑; 周国然; 时蓓玲; 吴峰
Original assignee: Tongji University; CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science and Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tongji University; CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science and Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: CN101560816A

Abstract

一种FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其将需连接的筋材对中固定，保证不滑动错位，随后在需连接的筋材的对接部分缠绕纤维布以连接筋材，并在纤维布缠绕段的两端及中间接头处缠绕纤维束/带，之后再在缠绕好的筋材纤维布复合材料外表面缠绕涤纶薄膜，并在薄膜尾端封口，待树脂固化后撕去涤纶薄膜，同轴连接完成。本发明的连接方法具有连接接头尺寸小、重量轻、强度高、耐腐蚀、施工简便等特点。

Description

FRP筋纤维布缠接同轴连接方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及复合材料的连接技术，尤其是FRP筋的同轴连接方法。

背景技术

传统的钢筋混凝土结构在使用过程中会出现裂纹或微裂纹，当遭遇海水或含盐的雪水(为化雪而撒盐形成含盐雪水)或含腐蚀性的气液时会使钢筋锈蚀，从而导致结构承载能力的下降或完全丧失；在周围存在高频电磁场时，钢筋会由于偶流效应产生热量，导致热应力而使混凝土开裂破坏；广泛应用于水利水电工程、深基础、地下结构、边坡稳定、矿井巷道支护等等中的钢锚杆可能由于与地下水和地层的化学成分相互作用而腐蚀，严重影响锚杆的使用寿命；另外钢锚杆重量大，制造、运输和安装困难，且对需要回采的矿井巷道钢锚杆易损坏刀具。

针对钢筋或钢锚杆存在的这些缺点，为提高工程结构的耐久性，降低结构的全寿命成本，工程师和科学家已进行了很多探索，譬如采用不锈钢钢筋或涂敷环氧树脂钢筋代替传统的钢筋等等，一定程度上解决了一些问题，但仍未能彻底解决问题。由于纤维增强聚合物(FiberReinforced Polymer，以下简记为FRP)具备材料性能的可设计性、比强度高、耐腐蚀、不导电、不导磁、易于切割等优越性能，因此用其制作的筋材和锚杆成为较彻底地解决上述问题的一条有效途径；但FRP属于脆性材料，且各向异性，不同纤维增强时其模量差别也较大，FRP筋及锚杆与混凝土、土体或岩体的锚固性能也不同于钢筋及钢锚杆，要将其应用到实际工程中去有一系列基础性的问题和应用层面的问题需要研究。

由于运输、生产条件的限制，从工厂生产出来的钢筋及FRP筋的长度均是有限的，而实际工程中要求的筋材长度往往很长，因此筋与筋的连接问题便成了一个不可避免的问题。

钢筋的连接方式有绑扎搭接连接、焊接和机械连接几种，但由于热固性FRP筋不具备可焊性、冷弯性；热塑性FRP筋虽可以焊接，但其实质是基体的焊接，而起主要承力作用的纤维并不能焊接，且FRP筋强度和刚度是各向异性的，挤压强度和层间性能都较弱，属脆性材料，破坏时无实质性的屈服变形，载荷重分配的能力差，因此适合于钢筋连接的如焊接、带肋钢筋套筒挤压连接、钢筋锥螺纹连接、钢筋镦粗及滚压直螺纹连接、熔融金属充填套筒连接等连接方式不适合于FRP筋。搭接绑扎连接在FRP筋混凝土结构中虽也可应用，但在钢筋混凝土规范中明确规定：对轴心受拉及小偏心受拉杆件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头；当受拉钢筋的直径大于28mm及受压钢筋的直径大于32mm时，不宜采用绑扎搭接接头；需进行疲劳验算的构件，其纵向受拉钢筋不得采用绑扎搭接接头等等，因此对FRP筋混凝土结构也必须研究开发有效的同轴连接方法，以满足实际工程的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，有效实现FRP筋之间的连接并具有足够的承载能力。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其包括以下步骤：

1)将需连接的筋材在同轴对心支架上实施对中固定，保证在缠绕纤维布时不滑动、不错动；

2)在两根筋材的对接部位用合适的纤维布浸渍树脂后对称地进行环向缠绕；

3)在纤维布缠绕连接段的两端及中间部位再各缠一定长度和厚度浸渍了树脂的纤维束/带；

4)最后用涤纶薄膜条在刚缠好的复合材料连接段外表全长度范围紧密搭接缠绕覆盖一层后，薄膜尾端再用胶带纸缠绕一圈封口；

5)待树脂固化后撕去涤纶薄膜，连接施工即告完成。

所述的纤维布为等腰梯形几何形状，缠绕后两端形成梯度过渡段，缠绕时可先均匀涂敷适量的树脂也可边缠绕边涂敷树脂，缠绕完毕后在两端可自然形成梯度过渡段，可避免产生明显的应力集中。

所述的纤维布的大小根据被连接筋材的规格、性能等及拟采用的缠接用纤维布的规格和性能，以及实施连接后接头部位应具备的承载能力计算确定。(

所述纤维布为纵横向的纤维比例为4∶1、7∶1或11∶1的单向纤维布或无纬布，纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维。

所述纤维束/带在纤维布缠绕段的两端的外部一侧各设置有梯度过渡段。

所述涤纶薄膜包覆于复合材料连接段外表全长度范围，薄膜尾端采用胶带缠绕封口。

所述纤维束/带浸渍树脂后缠绕于筋材的纤维布缠绕段的两端及中间接头处，或者纤维束/带边涂覆树脂边缠绕于筋材的纤维布缠绕段的两端及中间接头处。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明的方法采用了全FRP复合材料作为连接材料，具有连接接头尺寸小、重量轻、强度高、耐腐蚀、可用于有消磁要求的结构、施工简便等优点。

附图说明

图1为本发明筋材置于连接用同轴对心支架上对中的结构示意图。

图2为本发明连接用同轴对心支架的侧面结构示意图。

图3为连接用纤维布的结构示意图。

图4为本发明纤维布缠绕同轴连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

将两根拟连接的FRP筋1在特制的连接用同轴对心支架2(如图1)上进行对中定位，固定在支架2上的筋材要求在后续的缠绕纤维布时不滑动、不错位，然后根据被连接筋材1的规格、性能等选择合适的缠接用纤维布3规格(可选用纵横向的纤维比例为4∶1、7∶1或11∶1的单向纤维布或无纬布等，纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等)，并根据在接头部位环向缠绕浸渍了树脂的纤维布3固化后所得复合材料应具备不低于FRP筋本体的抗拉能力，及该纤维布复合材料与两段杆体的胶接咬合面能有效传递不低于FRP筋本体承载能力的荷载的要求，同时测定单向纤维布的力学性能，计算纤维布3的尺寸大小(以公称直径为13mm的GFRP筋为例，若其抗拉强度为750MPa，4∶1纤维布(0.4mm厚)/E-42(环氧树脂)复合材料主纤维方向的拉伸强度为365.8MPa，GFRP筋与外缠纤维布间胶接面的剪切强度为15MPa，单层纤维布复合材料厚0.5mm，则二分之一的上底长度L＝750×6.5/(2×15)＝162.5，考虑一定的安全系数L可取200mm，下底长度b可取360mm；高度h＝3.14×6.5²×750/(0.5×365.8)＝544mm，考虑一定安全系数h可取700mm。)，还应注意制备试件时主纤维方向应与筋材1纵向保持良好的平行关系。为了避免由于截面突变而引起的应力集中问题，布的形状宜选用等腰梯形状(如图3)，使缠绕纤维布3后在两端形成梯度过渡段(如图4)。该连接的传力机理是剪切传力，剪切面上剪应力的分布规律，可能在接头的两端首先达到剪切强度而出现滑移，而实际筋材1表面高低不平，外缠纤维布复合材料连接层可能因此而开裂，为避免纤维布复合材料连接层在两端及中间部位首先发生脱粘破坏，致使外缠的纤维布复合材料崩裂，从而使整个连接失效，在缠好纤维布后，随即在在纤维布缠绕连接段的两端及中间部位再各缠一定长度和厚度浸渍了树脂的纤维束/带4，其与纤维布一样可以选择先浸渍树脂然后再缠绕或者边缠绕边涂覆树脂，该纤维束/带缠绕时最外侧的两端也采用梯度过渡段(如图4)，有效约束外缠纤维布复合材料连接层可能的环向位移。最后用涤纶薄膜条在刚缠好的复合材料连接段外表全长度范围紧密搭接缠绕覆盖一层，薄膜尾端再用胶带纸缠绕一圈封口，待树脂固化后撕去涤纶薄膜，连接施工即告完成。

如图1、图2所示，特制的连接用同轴对心支架2由左右两平台21、22和底座20组成，两平台面位于同一平面上，两平台一侧各开有一条90度V型槽5，槽深16毫米，两V型槽5位于同一平面和同一直线上，两平台的间距应比连接段长度长10厘米，平台的两端侧各安装两个手动连杆式快速夹钳6(本发明中采用了型号为GH-203F的手动连杆式快速夹钳)，手动连杆式快速夹钳6上的压头应位于V型槽5的中心线上，压头的高度依据筋材的直径可上下调节。支架高度应适合工人连续作业的需要。

为保证连接的成功，该缠接段必须满足以下三个条件：

1.纤维布/树脂缠接段的纵向强度不低于筋材本体的强度；

2.纤维布/树脂与筋材之间的粘结、咬合力不低于筋材本体的极限承载力；

3.在纤维布/树脂缠接段的两端及中间部位需用纤维束/带进行适当加强，以避免在这些部位因高的剪应力和剥离应力的联合作用而提前失效。

将被连接的两根筋材1夹持在专用支架2上，使之能实现同轴拼接定位，计算确定缠接用纤维单向布3的长度和宽度后裁剪好备用，调配树脂，将纤维单向布3涂覆树脂后从较宽的一边开始对称地缠接到两根筋材1的拼接部位，进而采用纤维束/带4在刚缠接好的纤维布3的两端及中间部位缠绕若干圈，以有效约束纤维布3的环向变形，最后用涤纶薄膜条在刚缠好的复合材料连接段外表全长度范围紧密搭接缠绕覆盖一层，薄膜尾端再用胶带纸缠绕一圈封口，待树脂固化后撕去涤纶薄膜，连接施工即告完成。。

FRP筋纤维布缠绕同轴连接实施步骤如下：

首先，将两根被连接的FRP筋材固定到连接用同轴对心支架上，使之同轴定位；

第二，根据筋材的直径和强度、单向纤维布的强度和厚度等计算纤维布的长度和宽度，并用剪刀裁下备用。纤维布的形状为上宽下窄的梯形状，上部的宽度是基准长度加两端的过渡段长度(过渡段长度一般可取2～5cm)，下部的宽度取基准长度。纤维布的形状如图3所示。

第三，配制树脂，涂适量树脂于裁下的纤维布(以公称直径为13mm的GFRP筋为例，若其抗拉强度为750MPa，4∶1纤维布(0.4mm厚)/E-42(环氧树脂)复合材料主纤维方向的拉伸强度为365.8MPa，GFRP筋与外缠纤维布间胶接面的剪切强度为15MPa，单层纤维布复合材料厚0.5mm，则二分之一的上底长度L＝750×6.5/(2×15)＝162.5，考虑一定的安全系数L可取200mm，下底长度b可取360mm；高度h＝3.14×6.5²×750/(0.5×365.8)＝544mm，考虑一定安全系数h可取700mm。)上，将纤维布从较宽的一边开始对称地缠绕于筋材的连接部位。

第四，紧接着在刚缠好的纤维布缠绕连接段的两端及中间部位各缠绕一定宽度和厚度的纤维束或带(以公称直径为13mm的GFRP筋为例，若其抗拉强度为750MPa，缠绕用0.1mm厚的玻璃纤维布带/E-42的主纤维方向的拉伸强度为400MPa，该纤维布带制成复合材料后厚0.125mm，则缠绕纤维带的厚度应为750×6.5²/(2×400×200)＝0.198mm，考虑一定安全系数缠3层即可)。

第五，用涤纶薄膜条(取0.04mm厚，50mm宽的涤纶薄膜即可)在刚缠好的复合材料连接段外表全长度范围紧密搭接缠绕覆盖一层，薄膜尾端再用胶带纸缠绕一圈封口，以防止纤维束/带松懈以及起到与外界水气或异物隔绝作用。

第六，可选择自然环境下固化，也可采用适宜的加热加速固化的方法固化。

第七，树脂固化后撕去涤纶薄膜，连接施工即告完成。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)将需连接的筋材对中固定；

2)在需连接的筋材的对接部分缠绕浸渍了树脂的纤维布以连接筋材；

3)在纤维布缠绕段的两端及中间接头处缠绕浸渍了树脂的纤维束/带；

4)在缠绕好的筋材纤维布复合材料外表面缠绕涤纶薄膜，并在薄膜尾端封口；

5)待树脂固化后撕去涤纶薄膜，同轴连接完成。

2.如权利要求1所述的FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：所述的纤维布为等腰梯形几何形状，缠绕后两端形成梯度过渡段，缠绕时其纤维布先均匀涂敷适量的树脂后缠绕于待连接的筋材对接处，或者其纤维布边缠绕于待连接的筋材对接处边涂敷树脂。

3.如权利要求1所述的FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：所述纤维布为纵横向的纤维比例为4∶1、7∶1或11∶1的单向纤维布或无纬布，纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维。

4.如权利要求1所述的FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：所述纤维束/带在纤维布缠绕段的两端的外部一侧各设置有梯度过渡段。

5.如权利要求1所述的FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：所述涤纶薄膜包覆于复合材料连接段外表全长度范围，薄膜尾端采用胶带缠绕封口。

6.如权利要求1所述的FRP筋纤维布缠接同轴连接方法，其特征在于：所述纤维束/带浸渍树脂后缠绕于筋材的纤维布缠绕段的两端及中间接头处，或者纤维束/带边涂覆树脂边缠绕于筋材的纤维布缠绕段的两端及中间接头处。