CN106639122A - 一种内嵌闭口型钢的frp复合结构 - Google Patents

一种内嵌闭口型钢的frp复合结构 Download PDF

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马国伟
李之建
李鹏飞
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Abstract

本发明公开了一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，该复合结构由内部的型钢和外部的FRP组成。通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢外部，使型钢与FRP能够共同受力，可大幅度提高FRP的刚度和延性；内嵌闭口型钢的FRP复合结构承受荷载的过程如下，在初始阶段，型钢保证本结构具有较高的刚度；型钢屈服后，该复合结构仍具有明显的刚度和承载能力；随着荷载增大，FRP中的纤维达到其极限拉应变发生断裂，型钢继续承载直到破坏，使该FRP复合结构具有良好的延性。外部FRP保护内嵌型钢免受环境腐蚀。此FRP复合结构综合了钢材的高弹性模量、高延性和FRP的高强度、耐腐蚀优点，具有良好的应用前景。

Description

一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构
技术领域
本发明属土木、交通、水利等领域的材料研发，具体涉及到一种用于土木工程的内嵌闭口型钢的FRP复合结构。其特点在于质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高。
背景技术
闭口型钢构件是建筑中最常用的结构单元之一，它包括箱形钢、方管钢和圆管钢等。闭口型钢构件因弹性模量大、延性好等优点在土木工程领域得到了广泛应用，但其存在耐腐蚀性差，自重较大等问题。纤维增强聚合物(FRP)以其高强度、轻质和优异的耐腐蚀性能等优点，在土木工程结构中广泛应用，并受到工程界的广泛关注。FRP由具有抗拉作用的连续纤维束和具有粘结作用的聚合物基体组成。然而，FRP的抗剪强度远小于其抗拉强度，应力应变曲线没有屈服点，属于脆性破坏。而且FRP的弹性模量较低，在正常使用阶段挠度偏大。FRP多年来的持续高价格导致FRP的研究和应用受到了实际经济因素的制约。将FRP和钢进行复合可以使两者各自优点得到综合利用，制备出质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高的FRP复合结构。
此前，有人曾提出钢-FRP复合筋结构，这种结构的提出是以改善耐腐蚀性为出发点，并未充分考虑钢与FRP的联合承载作用。与此同时，钢-FRP复合筋的制备工艺仅适用于简单的圆形小截面筋材的成型。闭口型FRP构件在工程中已有广泛应用，但仍存在刚度低、延性差、成本高，在荷载作用下变形大且呈脆性破坏等问题。目前仍没有综合利用钢与闭口型FRP构件各自优势的复合结构。
本发明提出了一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构。内嵌闭口型钢的FRP复合结构的型钢和FRP通过拉挤模具一体成型。型钢与FRP间粘结强度高，生产效率高，型钢与FRP能够共同受力，属于耐腐蚀、高延性结构。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高的内嵌闭口型钢的FRP复合结构。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，该复合结构由内部的型钢和外部的FRP组成。通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢内外表面，使型钢与FRP能够共同受力。
所述FRP层由连续纤维和热固性树脂复合而成，连续纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。
所述的型钢为箱形钢或方管钢。
根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP材料与型钢的体积比。
所述型钢先通过浸胶，再通过拉挤热固化成型工艺将FRP成型并固化到闭口型钢的内外表面。
拉挤成型工艺采用与闭口型钢形状相对应的成型模具。
一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构的制备工艺为：送纱→纤维浸胶→型钢浸胶→纤维集束→型钢置入→通过模具拉挤成型→热固化成型→切割成所需成品。
通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢内外表面，使型钢与FRP能够共同受力；内嵌闭口型钢的FRP复合结构承受荷载的过程如下，在初始阶段，型钢保证本结构具有较高的刚度；型钢屈服后，该复合结构仍具有明显的刚度和承载能力；随着荷载增大，FRP中的纤维达到其极限拉应变发生断裂，型钢继续承载直到破坏，使该FRP复合结构具有良好的延性。外部FRP保护内嵌型钢免受环境腐蚀。此FRP复合结构综合了钢材的高弹性模量、高延性和FRP的高强度、耐腐蚀优点，具有良好的应用前景。本结构适用于对耐腐蚀性要求高的钢结构中。
附图说明
图1是一种内嵌箱形钢的FRP复合结构示意图；
图2是图1构件的横截面图。
具体实施方式
箱形钢为闭口型钢的一种形式，下面以箱形钢为例，结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述。
如图1和图2所示，本实例提供一种内嵌箱形钢的FRP复合结构，包括箱形钢1、紧固在箱形钢1外的FRP层2。
将浸润环氧树脂的箱形钢和纤维束按照一定比例一起送入拉挤模具，然后采用热固化工艺进行固化成型。所述纤维束与加热固化后的环氧树脂基体的体积比为2-3。所述的FRP层2截面积占内嵌箱箱形钢的FRP复合结构的总截面积的35-40％。
FRP通过拉挤成型工艺固化在箱形钢外部，成型模具为箱形模具。
内嵌箱形钢的FRP结构主要制备工艺为：送纱→纤维浸胶→箱形钢浸胶→纤维集束→箱形钢置入→通过模具拉挤成型→热固化成型→切割成所需成品。
本发明一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构采用传统拉挤热固化成型工艺，设备改造要求不大，可在现行的拉挤设备上进行生产，应用前景广泛。

Claims (7)

1.一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：该结构由内部的闭口型钢和外部的FRP层组成；通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢的内外表面，使型钢与FRP能够共同受力；
所述FRP层由连续纤维和热固性树脂复合而成，连续纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：闭口型钢为箱形钢或方管形钢。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP材料与型钢的体积比。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：所述型钢先通过浸胶，再通过拉挤热固化成型工艺将FRP成型并固化到型钢的内外表面。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：拉挤成型工艺采用与闭口型钢形状相对应的成型模具。
6.根据权利要求5所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：该复合结构的制备工艺为：送纱→纤维浸胶→型钢浸胶→纤维集束→型钢置入→通过模具拉挤成型→热固化成型→切割成所需成品。
7.根据权利要求6所述的一种内嵌闭口型钢的FRP复合结构，其特征在于：通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢内外表面，使型钢与FRP能够共同受力；内嵌闭口型钢的FRP复合结构承受荷载的过程如下，在初始阶段，型钢保证本结构具有较高的刚度；型钢屈服后，该复合结构仍具有明显的刚度和承载能力；随着荷载增大，FRP中的纤维达到其极限拉应变发生断裂，型钢继续承载直到破坏，使该FRP复合结构具有良好的延性。外部FRP保护内嵌型钢免受环境腐蚀。
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