CN101768915B - 复合材料弓形结构梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料弓形结构梁，解决工程上重机械化带来的不便，减少制造成本和运输时间，并且能使得各种材料的性能得到最充分的发挥，它包括混凝土桥面板(1)，其特征是所述混凝土桥面板(1)的下方设有一个或多个FRP外壳(5)，各FRP外壳(5)内均设有混凝土拱(3)，并在混凝土拱(3)外围的空间内填充硬质泡沫(2)，各FRP外壳(5)底部铺设有钢纤维织物(4)。本发明具有轻质、高强、抗腐蚀、运输方便、安装方便、制造方便等优点，可用于承受荷载等级较高的公路桥梁与承受重载列车的铁路桥梁，也可用于临时救灾抢险、军事抢建等工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质、高强、耐腐蚀的复合材料弓形结构梁，可以作为桥梁的主梁结构件应用于公路桥梁或铁路桥梁中，属于复合结构领域。
背景技术
在我国土木建筑领域，采用高强纤维板或布(碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等)加固(混凝土、钢、木)结构已经有10多年的历史，高强纤维轻质高强的特性利用率相对较低。也有采用碳纤维筋和预应力技术，建造混凝土结构和斜拉桥的示范工程，比较充分地发挥了碳纤维筋轻质高强和耐腐蚀的性能。最近，我国也有紧跟国外发达国家的步伐，开始了复合材料桥面板的设计与研发，如：清华大学、东南大学、同济大学等，将复合材料桥面板搁置在钢梁或混凝土梁上，形成组合结构桥梁，但受我国桥型限制，且复合材料桥面板价格较贵，同时桥面板与梁的剪力连接缺乏深入研究，因此目前在我国较少使用。近期也有混凝土-复合材料组合结构的研究，一般为混凝土梁、板与拉挤成型的工字形、H形、口字形等复合材料梁的组合结构，它们之间通过剪力连接件使两者协同工作。组合结构受力时，混凝土梁、板受压，复合材料梁受拉，结构的刚度与强度大部分由复合材料梁所选用的纤维种类与尺寸布置所决定，但由于价格因素，一般采用玻璃纤维材料，刚度往往较低，其强度不能充分发挥，在实际工程中的应用并不多。另外，我国也建成了近十座复合材料人行桥，均为手糊工艺的GFRP蜂窝夹心板组合箱梁，刚度较低；北京密云的FRP桥也由于刚度较低而被改造为FRP-混凝土组合箱梁桥。由此可见，传统方法难以作为承受较大荷载的公路或铁路桥梁，因此可以说我国目前在复合材料公路与铁路桥梁领域的研究应用基本还处于空白或起步阶段。
发明内容
本发明的目的是为了适应桥梁工程施工迅速、耐腐蚀等要求，开发一种新型轻质的复合材料弓形结构梁，解决工程上重机械化带来的不便，减少制造成本和运输时间，并且能使得各种材料的性能得到最充分的发挥。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
一种复合材料弓形结构梁，它包括混凝土桥面板，其特征是所述混凝土桥面板的下方设有一个或多个FRP外壳，各FRP外壳内均设有混凝土拱，并在混凝土拱外围的空间内填充硬质泡沫，各FRP外壳底部铺设有钢纤维织物。
所述FRP外壳为纤维布层和树脂固化而成，纤维布层包括：单轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维以及杂交纤维布；树脂包括：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
所述FRP外壳的最外层铺设有一层聚四氟乙烯布。
所述混凝土拱的形状为圆弧形、椭圆形、抛物线形或悬链线形。
所述钢纤维织物采用金属纤维、钢筋或钢丝制成。
本发明的有益效果有：
用本发明复合材料弓形结构梁与其它类型结构梁相比，其最大的特点是：重量轻、强度高、防火、抗腐蚀、运输便捷、设计合理、拼装施工简便迅速，可用于承受荷载等级较高的公路桥梁与承受重载列车的铁路桥梁，也可用于临时救灾抢险、军事抢建等工程领域。同时该复合材料弓形结构梁可工业化生产，可按要求生产不同规格(强度、跨度和高度可变)的结构梁。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明图1A-A线处的断面结构示意图。
图3为本发明组成的桥梁跨中横断面示意图。
附图中：1、混凝土桥面板；2、硬质泡沫；3、混凝土拱；4、钢纤维织物；5、FRP外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
本发明的复合材料弓形结构梁，它包括混凝土桥面板1、混凝土拱3和FRP外壳5，在FRP外壳5的下方铺设有钢纤维织物4或细钢筋，混凝土拱3和FRP外壳5之间的空间里是硬质泡沫2，分别在混凝土拱3的上部和下部，参见图1和图2。针对FRP外壳，可以在真空导入工艺进行前在最外层铺设一层聚四氟乙烯布，以使得该复合材料弓形结构梁具备良好的防火性能。用多根(5根、7根等)复合材料弓形结构梁拼装成桥梁，然后在其上面浇注混凝土桥面板，梁的结构形式就像一支上了弦的弯弓放在一个玻璃钢盒子中。这种结构形式可以充分发挥各种材料的特性：混凝土受压、钢纤维受拉、FRP受剪。
本发明中混凝土桥面板1是通过弓形梁上部伸出的锚固装置来把弓形梁连接起来，提高弓形梁的整体受力性能。当弓形梁拼装完成后在上方进行浇注桥面板的，其厚度根据要求进行调整。本发明的硬质泡沫2包括：聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫等，它主要起传递荷载的作用。它是能起大大减轻结构重量和增加结构刚度的作用，使结构的设计优化达到最佳。混凝土拱3是当FRP外壳、高强连续钢纤维织物4和硬质泡沫2一起真空导入固化成型后进行灌注的，是在真空导入前用充气气囊给混凝土留下空间。混凝土拱3是结构最主要的承受荷载构件，所以它的制作尤为重要，可以根据不同需要配置成不同强度的混凝土。本发明的钢纤维织物4的一般抗拉强度大约是2700MPa，是普通钢筋的十倍。钢纤维织物4放在梁底起拉力增强的作用，有很多种不同密度的钢纤维织物，也可采用高强钢筋或钢丝，可以根据设计和施工的需要来选择不同密度的连续钢纤维织物，放置于梁的底部起到承受拉力作用，相当于混凝土拱3这张“弓”的“弦”。钢纤维织物4和混凝土拱3一起提供超过90％结构的强度和刚度。本发明FRP外壳5是由纤维布层与树脂固化而成，它包括：单轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及杂交纤维布与不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂。纤维布层的铺设方向与层数可根据需要灵活调整，也可根据需要铺设不同种类的纤维。
本发明的制备方法多样，可以采用手糊工艺、真空袋成型工艺、真空导入成型工艺制备，现以真空导入成型工艺为例：
a.FRP外壳的模具：一共六块模具，底边一块，顶板一块，侧面四块，其中长边两块，短边两块。其中一块长边模具与底边模具的一边焊接固定，另一块长边模具与底边活动相连，使其可以绕底边转动，铺纤维布之前放倒可以转动的长边模具，这样纤维布就可以整齐的铺在模具上而不会发生褶皱；
b.在最外面先铺真空导入使用的真空袋，然后铺一层聚四氟乙烯织物，以使复合材料弓形结构梁具有防火性能。然后铺多层纤维布(包括：单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及杂交纤维布等)，用夹具夹紧多出侧边模具的纤维布；
c.在梁的底部，向铺好的纤维布上面铺连续钢纤维织物，钢纤维可以根据需要铺任意层；
d.钢纤维铺好后，立起长边的模具，向模具内放置泡沫，一共四块泡沫，对称放置。在上下层泡沫中间放置一个拱形的充气气囊，然后封好真空袋，盖上顶板；
e.通过真空导入成型工艺将树脂(包括：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂等)灌入到真空袋中。在常温常压下将树脂固化，待树脂固化成型后，取走导入装置；
f.取出气囊，往气囊留下的空间内灌入自密实混凝土，形成混凝土拱3，混凝土拱的截面尺寸由气囊尺寸大小决定；
g.由多个弓形梁拼接起来形成一段桥梁，在其上面浇注混凝土桥面板1。
其中：桥面板面板的厚度和配合比，硬质泡沫2的种类与大小，树脂的种类，混凝土拱3的形状和截面尺寸，钢纤维织物4的层数，FRP外壳5的组成和厚度均可根据需要灵活调整。
本发明涉及的其它未说明部份与现有技术相同。
Claims (6)
1.一种复合材料弓形结构梁，它包括混凝土桥面板(1)，其特征是所述混凝土桥面板(1)的下方设有一个或多个FRP外壳(5)，各FRP外壳(5)内均设有混凝土拱(3)，并在混凝土拱(3)外围的空间内填充硬质泡沫(2)，各FRP外壳(5)底部铺设有钢纤维织物(4)。
2.根据权利要求1所述的复合材料弓形结构梁，其特征是所述FRP外壳(5)为纤维布层和树脂固化而成，纤维布层包括：单轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维以及杂交纤维布；树脂包括：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料弓形结构梁，其特征是所述FRP外壳(5)的最外层铺设有一层聚四氟乙烯布。
4.根据权利要求1或2所述的复合材料弓形结构梁，其特征是所述混凝土拱(3)的形状为圆弧形、椭圆形、抛物线形或悬链线形。
5.根据权利要求3所述的复合材料弓形结构梁，其特征是所述混凝土拱(3)的形状为圆弧形、椭圆形、抛物线形或悬链线形。
6.根据权利要求5所述的复合材料弓形结构梁，其特征是所述硬质泡沫(2)材质为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫或碳泡沫。
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