CN107366388A - 一种封闭式矩形截面frp箍筋及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种封闭式矩形截面FRP箍筋及其制作方法，它涉及建筑与桥梁结构技术领域。本发明为解决现有传统拉挤成型工艺制备的圆形截面FRP箍筋弯曲段强度低以及搭接连接方式容易导致粘结滑移破坏的问题。箍筋包括箍筋体箍筋体为采用浸润树脂的FRP束沿箍筋周长方向逐层缠绕成型，箍筋体沿垂直于周长方向的横截面形状为矩形。方法包括选择模具；浸胶；缠绕；固化；脱模；切割。本发明用于建筑混凝土施工。

Description

一种封闭式矩形截面FRP箍筋及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种封闭式矩形截面FRP箍筋及其制作方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是目前应用最广的土木工程结构，由作为增强材料的钢筋和混凝土基体组成。在温度、湿度、二氧化碳气体、氯离子等环境因素作用下，混凝土内部的碱性降低会引起钢筋锈蚀，锈蚀产物体积膨胀进而导致混凝土保护层受拉开裂，在侵蚀性介质和应力共同作用下，钢筋锈蚀加剧且力学性能明显退化，最终导致钢筋混凝土结构在未达到设计基准期的情况下提前丧失了使用功能，特别是暴露在侵蚀性环境下的厂房、桥梁及海洋结构。国内外调查表明，钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性失效的首要原因，给世界各国带来巨额经济损失。2015年我国启动了“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目，对全国包括交通、建筑、水利等30多个行业进行调查研究，初步统计结果表明钢筋锈蚀成本约占当年GDP的3.34％，总额超过21000亿元。
为从根本上避免钢筋锈蚀的问题，材料替换方法被认为是最有效的技术途径。纤维增强复合材料Fiber-Reinforced Polymer,FRP具有质量轻、抗拉强度高、抗疲劳、耐腐蚀性好以及可设计性强的优点，采用FRP筋替代传统钢筋作为混凝土结构的增强材料，避免钢筋锈蚀引起的耐久性问题，符合未来工程结构的发展方向。由于箍筋处于构件截面的外边缘，最先受到侵蚀性介质的不利影响，箍筋的锈蚀进一步引起纵筋锈蚀，致使结构逐步丧失耐久性，采用FRP箍筋替代钢箍筋可有效解决耐久性问题。
FRP筋是由纤维材料与树脂基体材料按一定比例混合，并经过拉挤成型工艺形成的高性能复合材料。然而，传统拉挤成型工艺制备的圆形截面FRP箍筋在弯曲成型的过程中，其弯曲段内层纤维会发生褶皱，从而引起FRP箍筋弯曲段应力集中，造成FRP箍筋弯曲段强度相对于FRP筋平直段强度大幅度降低。此外，传统拉挤成型工艺制备的FRP箍筋是非闭合的，需要足够的搭接长度。当混凝土保护层剥落后，非闭合的FRP箍筋会发生粘结滑移破坏，从而造成其对混凝土的约束效果以及抗剪性能显著下降。针对传统圆形截面FRP箍筋弯曲段强度低和非闭合的缺陷，本发明提出一种可有效避免上述问题的新型封闭式矩形截面FRP箍筋，并对其截面形式和成型工艺进行优化。
发明内容
本发明为了解决现有传统拉挤成型工艺制备的圆形截面FRP箍筋弯曲段强度低以及搭接连接方式容易导致粘结滑移破坏的问题，进而提出一种封闭式矩形截面FRP箍筋及其制作方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种封闭式矩形截面FRP箍筋包括箍筋体，箍筋体为采用浸润树脂的FRP束沿箍筋周长方向逐层缠绕成型，箍筋体沿垂直于周长方向的横截面形状为矩形。
一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法包括如下步骤：
步骤一：选择模具：根据所需箍筋体的尺寸及形状选择合适的模具；
步骤二：浸胶：将FRP束从纱架中引出，放入浸胶槽中，然后再浸胶槽中加入热固性树脂基体，将FRP束充分浸润；
步骤三：缠绕：将浸胶后的FRP束逐层缠绕在模具的外表面上；
步骤四：固化：将缠绕好后的FRP束连同模具一同放入到高温固化炉内固化；
步骤五：脱模：将固化后的FRP束和模具放到脱模机上进行脱模，使固化完毕的FRP束与模具相互脱离；
步骤六：切割：将脱模后的FRP束放在数控机床上，切割成指定宽度的箍筋体。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明提供了一种封闭式矩形截面FRP箍筋，应用于混凝土结构中，可以采用一种形式或者某几种不同形状的箍筋进行组合使用。同时本发明还提供封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，相对基于拉挤成型的圆形截面FRP箍筋，封闭式矩形截面FRP箍筋采用连续缠绕成型，可有效缓解其弯曲段应力集中，受力过程中不会出现传统FRP箍筋滑移的现象，能充分利用FRP箍筋抗拉强度，增强约束效果和抗剪切性能，提高FRP箍筋利用效率，使结构构件的延性可以提高100％以上。
利用FRP材料的高强轻质、耐腐蚀和耐疲劳性能好等优异性能，相对基于拉挤成型的圆形截面FRP箍筋，配置封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土结构具有以下优点：
1、有效避免混凝土结构中钢筋锈蚀问题的产生，提高了混凝土结构的耐久性和安全性。特别适用于侵蚀性环境中的基础设施，如海洋工程、桥梁、码头等。考虑结构的全寿命设计，采用新型封闭式矩形截面FRP箍筋代替钢箍筋，避免钢筋锈蚀问题带来的高额维修费用，可获得明显的技术经济效益。
2、增加了对混凝土核心区的约束性能。钢箍筋屈服以后，由于其约束应力保持恒定，其约束效果不再增加；FRP是线弹性材料，其约束应力随着变形的增加而不断增大，能取得比钢箍筋更加优越的约束作用。另外，相对于钢箍筋，新型封闭式矩形截面FRP箍筋有效约束区域大，约束效果更佳。
3、相对于传统拉挤成型的非闭合式FRP箍筋，新型封闭式矩形截面FRP箍筋采用缠绕成型，避免了其弯曲段纤维褶皱的发生，减缓了其弯曲段应力集中；由于新型封闭式矩形截面FRP箍筋采用连续纤维一次缠绕而成，避免了粘结滑移，能充分利用FRP箍筋抗拉强度，增强约束效果，提高了FRP箍筋的材料利用效率。
4、新型封闭式矩形截面FRP箍筋是在工厂预先成型，可根据需求，将各种形式的新型封闭式矩形截面FRP箍筋进行组合，形成复合式新型封闭式矩形截面FRP箍筋，显著提升制作精度，大幅度降低了现场施工难度。
附图说明
图1是本发明封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法工艺流程图；
图2是本发明中FRP束2在被切割成指定宽度的箍筋体1时的结构示意图；
图3是本发明中箍筋体1的形状为矩形或菱形时的结构示意图；
图4是本发明中箍筋体1的形状为圆形时的结构示意图；
图5是本发明中圆形箍筋体1和矩形箍筋体1组合使用时的结构示意图；
图6是本发明中多个不同尺寸的矩形箍筋体1组合使用时的结构示意图；
图7是本发明的一个实施例，在同一截面上配置单个圆形箍筋体1的混凝土构件示意图；
图8是本发明的一个实施例，在同一截面上配置多个圆形箍筋体1的混凝土构件的截面示意图；
图9是本发明的一个实施例，在同一截面上配置单个矩形箍筋体1的混凝土构件示意图；
图10是本发明的一个实施例，在同一截面上配置不同尺寸的矩形箍筋体1组合的混凝土构件的截面示意图；
图11是本发明的一个实施例，在同一截面上配置圆形箍筋体1和矩形箍筋体1组合的混凝土构件的截面示意图。
图中箍筋体1；FRP束2；浸胶槽3；纱架4；滤嘴5；模具6；筋材7。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3至图11说明本实施方式，本实施方式所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋包括箍筋体1，箍筋体1为采用浸润树脂的FRP束2沿箍筋周长方向逐层缠绕成型，箍筋体1沿垂直于周长方向的横截面形状为矩形。
具体实施方式二：结合图3至图11说明本实施方式，本实施方式所述箍筋体1矩形横截面的厚度D为3mm～10mm，箍筋体1矩形横截面的宽度B为10mm～30mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
本实施方式中箍筋体1矩形横截面的厚度D和箍筋体1矩形横截面的宽度B的范围值均为常用的较优范围值，在实际应用过程中可根据实际需求进行选择，并不局限于上述范围值内。
具体实施方式三：结合图3至图11说明本实施方式，本实施方式所述箍筋体1沿周长方向的横截面形状为封闭的圆形、菱形或矩形。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。
本实施方式所述的圆形包括椭圆形，矩形包括方形。
本实施方式所述的箍筋体1采用FRP束2依次缠绕而成，无搭接段。其矩形横截面面积和宽厚比可根据实际需求而选取。对于矩形的封闭式矩形截面FRP箍筋，其倒角半径和厚度比值可根据成型工艺、实际施工可行性以及力学性能需求来确定。组合使用时可将不同形状不同尺寸的箍筋体1粘结成一体。
第一实施例
如图7所示，对于中小型圆形截面的混凝土构件，可沿构件纵向每隔间距S设置单个圆形箍筋体1。筋材7可以采用钢筋或FRP筋，并与圆形箍筋体1形成骨架。将上述骨架配置在混凝土中，可以获得低成本、高性能的中小型截面的混凝土结构。圆形箍筋体1的圆心和混凝土构件的圆心重合。由此，可保证采用圆形封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土构件整体对称以及各向性能一致。
第二实施例
如图8所示，对于大尺寸圆形截面的混凝土构件，可沿构件纵向每隔间距S设置多个圆形箍筋体1。筋材7可以采用钢筋或FRP筋，并与圆形箍筋体1形成骨架。为获得较好的综合性能，可沿外部圆形箍筋体1配置稍多一些筋材11。将上述骨架配置在混凝土中，可以获得低成本、高性能的大尺寸截面的混凝土结构。内部以及外部圆形箍筋体1的圆心和混凝土构件的圆心重合。由此，可保证采用圆形封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土构件整体对称以及各向性能一致。
综上，第一实施例和第二实施例中，可根据混凝土构件的截面尺寸来灵活设置位于同一截面的封闭式矩形截面FRP箍筋即箍筋体1的个数，沿构件纵向圆形箍筋体1的间距S可依据剪力水平、构造要求和施工可行性来确定。
对于矩形截面的混凝土构件，可配置矩形或圆形封闭式矩形截面FRP箍筋，其结构类型不限，下面以第三至第五实施例为例列举其中三种结构形式。
第三实施例
如图9所示，对于中小型方形截面的混凝土构件，可沿构件纵向每隔间距S设置单个方形箍筋体1。筋材7可以采用钢筋或FRP筋，并与方形箍筋体1形成骨架。将上述骨架配置在混凝土中，可以获得低成本、高性能的中小型截面的混凝土结构。方形箍筋体1的中心和混凝土构件的中心重合。由此，可保证采用方形封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土构件整体对称以及各向性能一致。
第四实施例
如图10所示，对于大尺寸方形截面的混凝土构件，可将方形和矩形箍筋体1粘合一起，形成复合封闭式矩形截面FRP箍筋(如图6)并将其配置在混凝土构件中。箍筋体1纵向间距为S。筋材7可以采用钢筋或FRP筋，并与箍筋体1形成骨架。将上述骨架配置在混凝土中，可以获得低成本、高性能的大尺寸截面的混凝土结构。箍筋体1的中心和混凝土构件的中心重合。由此，可保证采用封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土构件整体对称以及各向性能一致。
沿混凝土构件截面宽度和高度方向，内部矩形箍筋体1的尺寸和数量可根据混凝土构件截面的形式和尺寸灵活设置，如此可以避免尺寸过大而造成套箍效率低下的问题，并且使得截面形式灵活多样。
第五实施例
如图11所示，对于大尺寸方形截面的混凝土构件，可将圆形和方形箍筋体1粘合一起，形成复合封闭式矩形截面FRP箍筋(如图5)并将其配置在混凝土构件中。复合箍筋体1沿构件纵向间距为S。筋材7可以采用钢筋或FRP筋，并与箍筋体1形成骨架。将上述骨架配置在混凝土中，可以获得低成本、高性能的大尺寸截面的混凝土结构。箍筋体1的中心和混凝土构件的中心重合。由此，可保证采用封闭式矩形截面FRP箍筋的混凝土构件整体对称以及各向性能一致。
参照第二实施例，沿混凝土构件截面宽度和高度方向，内部圆形箍筋体1可以设置多个，从而获得综合性能优异的大尺寸截面的混凝土结构。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法包括如下步骤：
步骤一：选择模具6：根据所需箍筋体1的尺寸及形状选择合适的模具6；
步骤二：浸胶：将FRP束2从纱架4中引出，放入浸胶槽3中，然后再浸胶槽3中加入热固性树脂基体，将FRP束2充分浸润；
步骤三：缠绕：将浸胶后的FRP束2逐层缠绕在模具6的外表面上；
步骤四：固化：将缠绕好后的FRP束2连同模具6一同放入到高温固化炉内固化；
步骤五：脱模：将固化后的FRP束2和模具6放到脱模机上进行脱模，使固化完毕的FRP束2与模具6相互脱离；
步骤六：切割：将脱模后的FRP束2放在数控机床上，切割成指定宽度的箍筋体1。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中模具6的表面光洁度高于1.6。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。
本实施方式中的模具6通常采用钢制模具，模具6的表面光洁度高于1.6，如此设计模具6的表面光滑光洁，以便于后期脱模，防止发生粘连或影响箍筋体1的表面光滑度。模具6应采用耐高温材料制作，如模具6的表面光洁度小于1.6时，则可在模具6表面涂抹黄油，便于脱模。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中FRP束2与热固性树脂基体的体积比为0.82:1～1.2:1。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四或五相同。
如此设计根据实验结果得知，在此体积比的条件下，FRP束2固化后其强度效果最佳。
本实施方式在浸润时，应在常温环境中进行。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中FRP束2为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维中的一种或几种，热固性树脂基体为环氧树脂或乙烯基质树脂。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中FRP束2浸胶完成后，首先穿过滤嘴5，去除多余的胶，并将FRP束2均匀展开。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。
如此设计保证FRP束2能够均匀排展开，以便于后期缠绕。
具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤三中FRP束2的缠绕角度α为88°～90°。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四、五、七或八相同。
如此设计以便于在缠绕过程中合理控制FRP束2的疏密程度。
具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述步骤四中FRP束2和模具6在高温固化炉内首先在120℃条件下加热3小时，然后在160℃条件下加热4小时，直至FRP束2完全固化。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。
如此设计以保证FRP束2完全固化。

Claims (10)

1.一种封闭式矩形截面FRP箍筋，其特征在于：所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋包括箍筋体(1)，箍筋体(1)为采用浸润树脂的FRP束(2)沿箍筋周长方向逐层缠绕成型，箍筋体(1)沿垂直于周长方向的横截面形状为矩形。
2.根据权利要求1所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋，其特征在于：所述箍筋体(1)矩形横截面的厚度(D)为3mm～10mm，箍筋体(1)矩形横截面的宽度(B)为10mm～30mm。
3.根据权利要求1或2所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋，其特征在于：所述箍筋体(1)沿周长方向的横截面形状为封闭的圆形、菱形或矩形。
4.一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一：选择模具(6)：根据所需箍筋体(1)的尺寸及形状选择合适的模具(6)；
步骤二：浸胶：将FRP束(2)从纱架(4)中引出，放入浸胶槽(3)中，然后再浸胶槽(3)中加入热固性树脂基体，将FRP束(2)充分浸润；
步骤三：缠绕：将浸胶后的FRP束(2)逐层缠绕在模具(6)的外表面上；
步骤四：固化：将缠绕好后的FRP束(2)连同模具(6)一同放入到高温固化炉内固化；
步骤五：脱模：将固化后的FRP束(2)和模具(6)放到脱模机上进行脱模，使固化完毕的FRP束(2)与模具(6)相互脱离；
步骤六：切割：将脱模后的FRP束(2)放在数控机床上，切割成指定宽度的箍筋体(1)。
5.根据权利要求4所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤一中模具(6)的表面光洁度高于1.6。
6.根据权利要求4或5所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤二中FRP束(2)与热固性树脂基体的体积比为0.82:1～1.2:1。
7.根据权利要求6所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤二中FRP束(2)为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维中的一种或几种，热固性树脂基体为环氧树脂或乙烯基质树脂。
8.根据权利要求7所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤二中FRP束(2)浸胶完成后，首先穿过滤嘴(5)，去除多余的胶，并将FRP束(2)均匀展开。
9.根据权利要求4、5、7或8所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤三中FRP束(2)的缠绕角度(α)为88°～90°。
10.根据权利要求9所述一种封闭式矩形截面FRP箍筋的制作方法，其特征在于：所述步骤四中FRP束(2)和模具(6)在高温固化炉内首先在120℃条件下加热3小时，然后在160℃条件下加热4小时，直至FRP束(2)完全固化。
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