CN104912070A - 高性能frp锚杆的制造工艺及抗扭承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供高性能FRP锚杆的制造工艺及抗扭承载力计算方法。高性能FRP锚杆的制造工艺，包括以下步骤:步骤1：制作纤维带；步骤2、送纱；步骤3、浸胶；步骤4、成型；步骤5、缠绕成肋；步骤6、加热固化。本发明的高性能FRP锚杆的制造工艺，在FRP筋拉挤成型后，纤维带由绕线轴紧紧缠绕在FRP筋表面，并随着FRP筋共同进入加热通道进行固化，在安装锚杆时纤维带与其包裹的FRP筋相互支撑、协同抗扭，增强了锚杆的整体抗扭性能。其中，纤维带包括纤维束及经过加热固化的热固性树脂基体。本发明的高性能FRP锚杆的制造工艺步骤简单，能够规模化生产合格的FRP锚杆，生产成本低。同时，本发明还提供高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法。

Description

高性能FRP锚杆的制造工艺及抗扭承载力计算方法

技术领域

本发明涉及一种高性能纤维增强复合材料锚杆的制造工艺及承载力的计算方法。

背景技术

锚杆支护是煤矿护壁、隧道、土坡和基坑支护的重要形式。由于钢锚杆重量大且易锈蚀，尤其是在煤矿支护中，钢材与金属工具、掘进机械或岩石的碰撞可能产生火花，引起瓦斯爆炸事故。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)筋由纤维和聚合物基体两部分组成，属于各向异性材料，具有轻质高强、耐腐蚀、低松弛和抗疲劳性能好以及成型工艺简单等优点，以FRP筋作为煤矿护壁、隧道、土坡和基坑支护结构中的锚杆，能够显著提高锚杆支护的承载力和耐久性，具有良好的经济和社会效益。

但是FRP锚杆安装过程中会受到扭矩的作用，扭矩在FRP筋的截面上产生剪切力。由于FRP筋抗剪强度较低，安装过程中的FRP锚杆易发生受扭破坏。围绕FRP锚杆安装过程中的受扭破坏问题，国内外已进行了相关研究，例如，为了降低安装预紧过程中的扭矩，在FRP筋锚杆的锚尾安装压痕金属套管。但是，锚尾安装压痕金属套管使锚尾部分的加工复杂、成本较高且效率较低。因此，开发一种加工简单、抗扭性能好的高性能FRP锚杆对促进FRP锚杆在支护工程中的应用具有重要意义。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种科学的技术解决方案。

发明内容

技术人员经过大量的分析和试验发现，将纤维带缠绕在FRP筋的表面能够一定程度上提升FRP锚杆的抗扭能力。但是，实际工程使用中，FRP锚杆安装过程中的受扭破坏仍时有发生，经过进一步的深入研究发现了造成这一现象的原因是：FRP锚杆的FRP筋和缠绕在其上的纤维带的整体性不够，在安装FRP锚杆时的协同性较差，无法相互支撑协同抗扭，造成整体抗扭性能下降。因此，如何将纤维带和FRP筋牢固地结合在一起是提高FRP锚杆抗扭性能的关键。

同时，对不同材质的纤维带和FRP筋，无法按照设定的抗扭标准设计出高效且节省成本的高性能FRP锚杆。表面纤维带的缠绕过多将降低FRP锚杆的抗拉强度，表面纤维带的缠绕偏少则不足以提高FRP锚杆的抗扭承载力。因此，为了确定合适的纤维带缠绕量，需经过大量的试生产，根本原因是缺乏高性能FRP锚杆抗扭承载力的计算方法。研究发现，通过计算分别确定纤维带承担的扭矩和FRP筋作为FRP锚杆的一部分参与抗扭的工作系数α来解决FRP锚杆抗扭承载力的计算问题。其原理是，取绕设间距d(即相邻纤维带中心的距离)的一段长度为研究对象。对于纤维带承担的扭矩T_F，首先测定纤维带抗拉强度f_F，然后将缠绕一圈的纤维带截面投影成一个圆环形截面，将拉力投影到该圆环形截面上，假定纤维带均匀分布于筋材的表面(平均厚度即为A/d，其中A为纤维带截面积)。由于纤维带厚度很小，拉力在纤维带厚度方向大小的差异非常小，可认为拉力在纤维带厚度方向上均匀分布，其半径可近似取平均半径R₀；接着确定纤维带与垂直截面的夹角β。由于作用在圆环微面积dA＝(A/d)R₀dθ上的剪切力为f_Fcosβ(A/d)R₀dθ，其对FRP锚杆轴线O的力矩为R₀f_Fcosβ(A/d)R₀dθ，所有环形微面积dA的力矩之和等于圆环形截面扭矩即一圈纤维带承担的扭矩T_F。对于FRP筋本身承担的扭矩，可根据试验确定其在纤维带达到抗拉强度时承担的扭矩，通过拟合试验数据的方法得到该纤维带下的FRP筋作为高性能FRP锚杆的一部分参与抗扭承载的工作系数α。引入工作系数α的原因在于：大量试验表明，当FRP筋表面纤维带接近其抗拉强度时，FRP筋按照一定的比例介入抗扭承载，不同材质的纤维带具有不同的工作系数α，比如，对常用的玻璃纤维带缠绕玻璃钢锚杆，α取0.42。在表面纤维带接近其抗拉强度时，中心FRP筋承担的扭矩T_T＝αT₀；将纤维带承担的扭矩和中心FRP筋承担的扭矩相加，即可得到高性能FRP锚杆的抗扭承载力。

本发明针对现有技术的不足，提供了一种高性能FRP锚杆的制造工艺和高性能FRP锚杆抗扭承载力的计算方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：高性能FRP锚杆的制造工艺，包括以下步骤：

步骤1：制作纤维带：将用于制作纤维带的纤维束在浸胶槽中浸胶，然后加热固化形成纤维带；

步骤2、送纱：将用于制作FRP筋的纤维束从纱架中引出；

步骤3、浸胶：步骤2中的纤维束进入浸胶槽中充分浸润；

步骤4、成型：步骤3中经过浸胶的纤维束穿过穿纱板并且进入成型模具挤压成光圆的FRP筋；

步骤5、缠绕成肋：绕线轴将步骤1制作的纤维带均匀缠绕在FRP筋上形成高性能FRP锚杆中间体；

步骤6、加热固化：高性能FRP锚杆中间体进入加热通道加热固化形成高性能FRP锚杆。

优选的，所述步骤1的纤维带为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束，通过热固性树脂浸渍，并经加热固化后制成。

优选的，所述FRP筋中的纤维束为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束。

本发明的高性能FRP锚杆的制造工艺步骤简单，生产成本低。所生产的高性能FRP锚杆，纤维带通过热固性树脂高温固化在FPR筋上，由于热固性树脂高温固化后非常坚固，大大增加了纤维带与FPR筋结合的紧密性和牢固性，使得纤维带紧紧缠绕固定在FRP筋上，FRP筋和缠绕在其上的纤维带整体性较好，在安装高性能FRP锚杆时纤维带与其包裹的FRP筋相互支撑协同抗扭，增强了高性能FRP锚杆整体的抗扭性能。

更进一步的，步骤1纤维带中的纤维束采用玻璃纤维束或玄武岩纤维束具有高延伸率特性，能够提高峰值扭矩下的持荷时间，碳纤维束具有高抗拉强度特性，能够提高峰值扭矩增加高性能FRP锚杆的抗扭承载力，高延伸率纤维束与高抗拉强度纤维束混杂能够提高峰值扭矩下的持荷时间和高性能FRP锚杆的抗扭性能。

高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法，包括以下步骤：

步骤1、通过试验测试出纤维带的抗拉强度f_F，测量计算出一圈纤维带投影形成的圆环形截面的截面积A以及纤维带在FRP筋上的绕设间距d，测量出纤维带与FRP筋垂直截面的夹角β，测量出高性能FRP锚杆的平均半径R₀并定义θ为圆环形截面的圆心角，然后通过公式计算出一圈纤维带即所承担的扭矩T_F，公式为：

$T_F={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}{R}_0^2\mathrm{d\θ}=2\mathrm{\π}{R}_0^2{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}$

式中： $\cos \mathrm{\β}=\frac{{4R}_0\sqrt{16R_0^2+d^2}}{16R_0^2+d^2};$

步骤2、通过试验测试出无纤维带FRP筋本身的抗扭承载力T₀，并通过试验数据拟合的方式得出该纤维带条件下的FRP筋作为高性能FRP锚杆的一部分参与抗扭承载的工作系数α；表面纤维带接近其抗拉强度时，中心的FRP筋承担的扭矩T_T可按下式计算：

T_T＝αT₀

步骤3、高性能FRP锚杆的抗扭承载力T可按下式计算：T＝T_F+T_T。

本发明的高性能FRP锚杆抗扭承载力计算方法，能够方便地计算高性能FRP锚杆的抗扭承载力。对于设定的高性能FRP锚杆抗扭承载力，可以根据FRP筋和纤维带的种类进行高性能FRP锚杆的优化设计，特别是对于已经确定的FRP筋和纤维带，可以预先设计出最佳的绕设间距，以简化高性能FRP锚杆试生产过程。

附图说明

图1是本发明实施例中高性能FRP锚杆的结构示意图。

图2是本发明实施例中纤维带的环向应力分布示意图。

图3是本发明实施例中高性能FRP锚杆抗扭强度-时间曲线图。

图4是本发明实施例中无纤维带FRP筋抗扭强度-时间曲线图。

图中：1、FRP筋；2、纤维带。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

高性能FRP锚杆制造工艺的实施例，包括以下步骤:

步骤1：制作纤维带：将用于制作纤维带的玻璃纤维束在浸胶槽中的环氧乙烯基酯树脂浸润，然后加热固化形成纤维带；

步骤2、送纱：将用于制作FRP筋的玻璃纤维束从纱架中引出；

步骤3、浸胶：步骤2中的玻璃纤维束进入浸胶槽的环氧乙烯基酯树脂中充分浸润；

步骤4、成型：步骤3中经过浸胶的玻璃纤维束穿过穿纱板并且进入成型模具挤压成光圆的FRP筋；

步骤5、缠绕成肋：绕线轴将纤维带均匀缠绕在FRP筋上形成高性能FRP锚杆中间体；

步骤6、加热固化：高性能FRP锚杆中间体进入加热通道加热固化，形成高性能FRP锚杆。

对于给定的抗扭强度标准，可以根据纤维束的种类以及自身参数来确定绕设的间距及角度，从而确定绕线轴的转速和FRP筋的牵引速度，这样能够防止出现不达标产品并且避免浪费材料，降低生产成本。确定纤维带绕设的间距及角度的方法如下：通过公式计算出一圈纤维带(即一个绕设间距d长度内的纤维带)所承担的扭矩T_F，公式为：

$T_F={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}{R}_0^2\mathrm{d\θ}=2\mathrm{\π}{R}_0^2{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}$

式中： $\cos \mathrm{\β}=\frac{{4R}_0\sqrt{16R_0^2+d^2}}{16R_0^2+d^2};$

通过公式计算出中心的FRP筋所承担的扭矩T_T，公式为：

T_T＝αT₀；

高性能FRP锚杆的抗扭承载力T的计算公式为：T＝T_F+T_T。

通过上述三个公式，并且通过测量或试验或给定得到必要的参数后(本实施例中α取0.42)，很容易求出纤维带绕设的间距及角度，从而确定绕线轴的转速和FRP筋的牵引速度。

本实施例的制造工艺生产高性能FRP锚杆，纤维带缠绕并经热固性树脂固化在FRP筋上。由于热固性树脂固化后非常坚固，大大增加了纤维带与FRP筋结合的紧密性和牢固性，FRP筋和缠绕在其上的纤维带形成一个整体，在安装高性能FRP锚杆时纤维带与其包裹的FRP筋相互支撑协同抗扭，增强了高性能FRP锚杆整体的抗扭性能，能够达到所需要的抗扭承载力。

在高性能FRP锚杆制造工艺的其他实施例中，与上述实施例不同的是，纤维带中的纤维束还可以是玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束；FRP筋中的纤维束还可以是玄武岩纤维束、芳纶纤维束或碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束；热固性树脂还可以采用双酚A乙烯基酯树脂等。

实施例2

高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法的实施例，结合图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤1、通过试验测试出纤维带的抗拉强度f_F，测量计算出一圈纤维带投影形成的圆环形截面的截面积A以及纤维带在FRP筋上的绕设间距d(即相邻纤维带中心的距离)，测量出纤维带与FRP筋垂直截面的夹角β，测量出高性能FRP锚杆的平均半径R₀并定义θ为圆环形截面的圆心角。然后，通过公式计算出一圈纤维带(即一个绕设间距d长度内的纤维带)所承担的扭矩T_F，公式为：

$T_F={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}{R}_0^2\mathrm{d\θ}=2\mathrm{\π}{R}_0^2{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}$

式中： $\cos \mathrm{\β}=\frac{{4R}_0\sqrt{16R_0^2+d^2}}{16R_0^2+d^2};$

步骤2、通过试验测试出无纤维带FRP筋本身的抗扭强度T₀，并通过对试验数据的拟合得出该纤维带条件下的FRP筋作为FRP锚杆的一部分参与抗扭承载的工作系数α(对于常用的缠绕玻璃纤维带的玻璃钢锚杆，可取0.42)；FRP筋截面上的应力沿半径方向为线性分布，在其表面纤维带接近其抗拉强度时，锚杆中心FRP筋承担的扭矩T_T可按下式计算：

T_T＝αT₀；

步骤3、高性能FRP锚杆的抗扭承载力T可按下式计算：T＝T_F+T_T。

具体计算时，采用现有手段拟合试验数据，取绕设固定有不同宽度、不同厚度以及不同绕设间距纤维带的多根高性能FRP锚杆，并按照步骤1所述公式计算表面纤维带所能承担的扭矩T_F；然后，利用电液伺服扭转试验机对高性能FRP锚杆进行扭转试验，在纤维带达到抗拉强度时记录扭矩T；利用电液伺服扭转试验机测试无纤维带FRP筋本身能够承担的最大扭矩T_T。利用以上数据和步骤2与步骤3中的公式，即可拟合得到工作系数α(对于常用的缠绕玻璃纤维带的玻璃钢锚杆，可取0.42)。

本发明的高性能FRP锚杆抗扭承载力计算方法，能够方便计算高性能FRP锚杆的抗扭承载力。对于设定的高性能FRP锚杆抗扭承载力，可以根据FRP筋和纤维带的种类进行高性能FRP锚杆的优化设计，特别是对于已经确定的FRP筋和纤维带，可以预先设计出最佳的绕设间距d，有效简化了高性能FRP锚杆试生产的过程。

试验：为测试表面缠绕固定纤维带对FRP筋抗扭性能的影响，采用上述生产工艺生产出五根高性能FRP锚杆和五根与高性能FRP锚杆同样直径同样材质的无纤维带FRP筋，纤维带为玻璃纤维带。利用电液伺服试验机分别对FRP锚杆和FRP筋进行抗拉强度试验和抗扭性能试验，试验结果见表1、图3和图4。

表1高性能FRP锚杆力学性能试验结果

表1中的计算值指的是利用高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法计算出的值，由表1以及图3、图4可以看出，无纤维带FRP筋的抗拉强度较高，抗扭承载力较低，且达到抗扭承载力后很快发生劈裂破坏；高性能FRP锚杆的抗拉强度虽然略有降低，但抗扭性能得到了明显提高，且达到受扭峰值后具有一定的持荷能力，同时，试验结果与采用高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法所计算的结果非常接近。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.高性能FRP锚杆的制造工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：制作纤维带：将用于制作纤维带的纤维束在浸胶槽中浸胶，然后加热固化形成纤维带；

步骤2、送纱：将用于制作FRP筋的纤维束从纱架中引出；

步骤3、浸胶：步骤2中的纤维束进入浸胶槽中充分浸润；

步骤4、成型：步骤3中经过浸胶的纤维束穿过穿纱板并且进入成型模具挤压成光圆的FRP筋；

步骤5、缠绕成肋：绕线轴将步骤1制作的纤维带均匀缠绕在FRP筋上形成高性能FRP锚杆中间体；

步骤6、加热固化：高性能FRP锚杆中间体进入加热通道加热固化形成高性能FRP锚杆。

2.根据权利要求1所述的高性能FRP锚杆的制造工艺，其特征在于：所述步骤1的纤维带为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束，通过热固性树脂浸渍，并经加热固化后制成。

3.根据权利要求1所述的高性能FRP锚杆的制造工艺，其特征在于：所述FRP筋中的纤维束为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束。

4.高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、通过试验测试出纤维带的抗拉强度f_F，测量计算出一圈纤维带投影形成的圆环形截面的截面积A以及纤维带在FRP筋上的绕设间距d，测量出纤维带与FRP筋垂直截面的夹角β，测量出高性能FRP锚杆的平均半径R₀并定义θ为圆环形截面的圆心角，然后通过公式计算出一圈纤维带即所承担的扭矩T_F，公式为：

$T_F={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}{R}_0^2\mathrm{d\θ}=2\mathrm{\π}{R}_0^2{f}_F\cos \mathrm{\β}\frac{A}{d}$

式中： $\cos \mathrm{\β}=\frac{{4R}_0\sqrt{16R_0^2+d^2}}{16R_0^2+d^2};$

步骤2、通过试验测试出无纤维带FRP筋本身的抗扭承载力T₀，并通过试验数据拟合的方式得出该纤维带条件下的FRP筋作为高性能FRP锚杆的一部分参与抗扭承载的工作系数α；表面纤维带接近其抗拉强度时，中心的FRP筋承担的扭矩T_T可按下式计算：

T_T＝αT₀

步骤3、高性能FRP锚杆的抗扭承载力T可按下式计算：T＝T_F+T_T。