CN105780648A - 一种纤维增强复合材料模壳及加工方法 - Google Patents

一种纤维增强复合材料模壳及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合材料模壳及加工方法，其中模壳包括模壳本体，在所述模壳本体内沿模壳本体的长度方向固定有将所述模壳本体中部向上拱起的与所述模壳本体成一体的张拉条，该张拉条与所述模壳本体的材料相同。本发明能充分利用模壳的“反拱”变形抵消部分施工荷载作用下产生的挠度变形，主动控制提高FRP模壳的变形能力，对FRP模壳的利用效率和经济性提高具有重要作用。

Description

一种纤维增强复合材料模壳及加工方法
技术领域
本发明属于一种土木工程构件，特别涉及一种由FRP同源材料对FRP模壳进行预应力张拉形成的高刚度自平衡预应力FRP模壳，尤其适用于海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下的房屋建筑、桥梁工程、港口工程等。
背景技术
目前，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下，桥面板结构正在面临一个重大的问题，那就是钢筋（板）腐蚀。钢筋（板）的腐蚀导致桥面板在承受车辆荷载下性能退化严重，引发各种安全问题，另外桥面板维护费用也十分巨大。为了防止钢筋的腐蚀问题，研究人员已经实施了很多方法，包括采用耐腐蚀的材料进行桥面板的设计。纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，简称FRP）具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点。FRP模壳是由纤维纱按一定比例浸渍树脂，通过拉挤工艺成型的复合材料，是土木工程应用中钢筋和钢板的理想替代品，目前国内外已经有一些桥面板运用了全FRP或者FRP-混凝土组合桥面板。
尽管FRP板用于土木工程领域有着广阔的前景，但由于FRP材料弹性模量低，导致FRP板在施工阶段受变形控制。而现在的实际工程中为满足FRP型材在施工荷载作用下的刚度要求，多采用增加截面几何刚度的方法，往往造成FRP型材利用效率低等问题；也有采用高刚度FRP预应力材料作用于型材底板，但由于模量相差大和长期性能损伤，预应力效果难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，而提供一种造价小且承载力强的纤维增强复合材料模壳及加工方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种纤维增强复合材料模壳，包括模壳本体，其特征在于：在所述模壳本体内沿模壳本体的长度方向固定有将所述模壳本体中部向上拱起的与所述模壳本体成一体的张拉条，该张拉条与所述模壳本体的材料相同或两者弹性模量相差不大于30%。
所述张拉条位于所述模壳本体内部中和轴以下部位。
所述张拉条为平行布置的多根，所述张拉条通过在所述模壳本体两端同时进行张拉后使所述模壳本体中部向上拱起后与所述模壳本体固定连接。
所述张拉条通过粘接剂与所述模壳本体连接。
一种纤维增加复合材料模壳的加工方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、在所述模壳本体的两端分别设置一个挡板对所述模壳本体端部进行固定；
步骤二、在所述张拉条底部涮上胶粘剂后置于模壳本体表面，将张拉条端部从挡板穿出，张拉条的一端锚固，张拉条的另一端与张拉器连接；
步骤三、通过张拉器对张拉条施加张力，使位于两个挡板之间的模壳本体中部向上拱起；
步骤四、当张拉达到设定张力或模壳本体中部拱起弧度时停止张拉，使胶粘剂在张拉状态下固化，实现张拉条与所述模壳本体固结。
在所述胶粘剂固化后，对所述张拉条采用分级卸载的方式卸载。
本发明采用自反拱纤维增强复合材料模壳，在FRP模壳底板处张拉同样材料的FRP板条，预应力同源FRP板条产生反力后，通过反作用力传递于挡板对FRP模壳施加偏心荷载，使得所述FRP模壳偏心受压，模壳向上弯曲形成反拱；底部通过胶粘剂使得张拉后FRP板条与反拱的FRP模壳有机组合一体，共同受力。。本发明能充分利用模壳的“反拱”变形抵消部分施工荷载作用下产生的挠度变形，主动控制提高FRP模壳的变形能力，对FRP模壳的利用效率和经济性提高具有重要作用。
根据模壳截面形式，使用多组所述的FRP板条同时进行张拉，确保模壳在预应力张拉过程中不出现失稳扭曲现象。
FRP模壳主要由玄武岩纤维、基体树脂及相应的填料助剂按照一定比例混合拉挤而成。
同源FRP板条采用同源玄武岩纤维粗纱拉挤成型。为保证FRP板条便于施加预应力和锚固，FRP板条采用矩形截面；FRP板条宽度需要保证板条与FRP模壳接触面的粘结力；FRP板条的厚度足以保证预应力张拉的要求（即达到施工荷载所需挠度），另外FRP板条应力适中不超过极限强度的60%。
胶粘剂一种环氧树脂具有高粘结性能的结构胶，涂刷厚度需保证胶粘剂抵抗FRP板条与FRP模壳间传递应力产生的剪切变形。
有益效果：本发明采用张拉同源FRP材料对FRP模壳施加预应力使模壳预先形成“反拱”，“反拱”后的模壳将具有很大刚度，从而抵抗施工荷载下的变形。具体优势如下：
首先，采用和FRP模壳底板同样材料的FRP板条，通过多根FRP板条同时主动预应力施加后与FRP模壳形成一体，两者由于弹性模量相同，在粘结界面上不会造成过大的应力集中，有利于应力的逐渐过渡；
其次，后期混凝土浇筑在模壳中，对预应力FRP板条起到良好的约束作用，保证预应力的长期效果。通过该方法的研究，由于预应力提升了FRP模壳的刚度，可以有效降低FRP模壳材料用量40-60%，同时保证结构变形要求；
最后，由于模壳和板条均采用标准的模具进行拉挤成型，预应力施加工具也采用设计好的同种标准设备，因此各个FRP模壳的预应力效果相差很小，便于后期施工过程中模壳的整体装配。
附图说明
图1为本发明模壳结构示意图；
图2为图1正截面结构示意图；
图3为本发明模壳张拉装置示意图；
图4为图3张拉装置锚固端构造图；
图5为本发明模壳张拉过程中受力示意图；
其中：1、张拉条，2、模壳本体，3、胶粘剂，4、挡板，5、夹具，6、张拉杆，7、隔空板，8、千斤顶，9、力传感器，10、调节螺栓。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐明本发明，应理解本实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1、图2、图3、图4所示。
本发明纤维增强复合材料模壳，包括模壳本体2和通过胶粘剂3与模壳本体2内固定在一起的张拉条1。其中，模壳本体1中部具有通过对张拉条进行张拉后形成的向上拱起，该张拉条1与模壳本体2的材料相同。张拉条为FRP板条。
FRP板条位于模壳本体1内部中和轴以下部位。FRP板条为平行布置的多根，FRP板条通过在模壳本体1两端同时进行张拉后使模壳本体中部向上拱起后与模壳本体1固定连接。
本发明模壳的加工方法是：
先将FRP模壳和FRP板条的表面进行打磨，除去脱模剂，保证预应力板条和模壳间的粘结；再在FRP模壳底板预应力板条粘贴处涂刷一层底胶，保证底板基体充分浸渍胶粘剂；在FRP模壳的两端用两块挡板4进行封住，挡板4与FRP模壳端部紧贴并垂直于水平面，同时两端保持在同一中心线上，防止张拉过程中发生平面外弯曲；然后标定好FRP板条粘贴区域，在FRP板条粘贴区域内连续、均匀涂刷胶粘剂，以确保粘结强度能够充分发挥、应力有效地传递；将涂刷好胶粘剂的FRP板条逐个有序的放置在FRP模壳底板处，FRP板条两端从FRP模壳挡板洞口穿出，同时用力紧按FRP板条，使之充分与FRP模壳接触，另外每根FRP板条应与FRP模壳平行保证预应力施加方向的一致性；待上述工作完成之后进行张拉端锚固，调整好各FRP板条的锚固长度，采用螺栓上紧夹具5对FRP板条进行锚固，在夹片和板条之间放置1mm厚度硅胶垫，保证FRP板条受压均匀不出现局部破坏等；然后按图3所示进行隔空板7、千斤顶8的安装；随后进行锚固端安装，依次安装力传感器9、调节螺栓10，最后用夹具5进行板条端部锚固。待装配好之后，进行分级张拉，并进行预张拉，根据力传感器示数调整各个FRP板条的荷载相同，确保三根FRP板条同步张拉，随后已设定好的荷载级进行分级加载；张拉完成之后持荷固化，待胶粘剂固化之后，采取同样方法进行分级卸载，完全放张之后撤去加载装置。
本发明针对传统纤维增强复合材料（FRP）模壳刚度低，施工荷载下变形较大的特点，提供了一种提升刚度的自反拱纤维增强复合材料（FRP）模壳。本发明提出的采用同源FRP材料的预应力FRP模壳设计，能够防止传统预应力张拉引起的应力集中，明显改善桥面板受力性能，提高FRP材料的利用效率，降低工程造价。

Claims (6)

1.一种纤维增强复合材料模壳，包括模壳本体，其特征在于：在所述模壳本体内沿模壳本体的长度方向固定有将所述模壳本体中部向上拱起的与所述模壳本体成一体的张拉条，该张拉条与所述模壳本体的材料相同或两者弹性模量相差不大于30%。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料模壳，其特征在于：所述张拉条位于所述模壳本体内部中和轴以下部位。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料模壳，其特征在于：所述张拉条为平行布置的多根，所述张拉条通过在所述模壳本体两端同时进行张拉后使所述模壳本体中部向上拱起后与所述模壳本体固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的纤维增强复合材料模壳，其特征在于：所述张拉条通过粘接剂与所述模壳本体连接。
5.一种如权利要求1-4任一所述纤维增加复合材料模壳的加工方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、在所述模壳本体的两端分别设置一个挡板对所述模壳本体端部进行固定；
步骤二、在所述张拉条底部涮上胶粘剂后置于模壳本体表面，将张拉条端部从挡板穿出，张拉条的一端锚固，张拉条的另一端与张拉器连接；
步骤三、通过张拉器对张拉条施加张力，使位于两个挡板之间的模壳本体中部向上拱起；
步骤四、当张拉达到设定张力或模壳本体中部拱起弧度时停止张拉，使胶粘剂在张拉状态下固化，实现张拉条与所述模壳本体固结。
6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，在所述胶粘剂固化后，对所述张拉条采用分级卸载的方式卸载。
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