CN111169050B - 一种缠绕式frp拉索锚头制备方法 - Google Patents

一种缠绕式frp拉索锚头制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，包括预处理、FRP拉索组装、缠绕和成型，通过分片式多孔夹具和金属圆盘对FRP拉索进行分段固定，为FRP拉索提供抗弯刚度，可以实现FRP拉索的自由起吊和移动，使FRP拉索模压过程中仍能保持直线，通过多个金属圆盘的作用，利用金属圆盘与圆管接触，通过圆管转动，带动金属圆盘转动，从而带动整个FRP拉索转动，进行缠绕工作，有效的避免FRP拉索制备过程中发生扭绞、错位、磨损，而且可以根据需求，调节FRP拉索的转速和截面形状的固定，通过调整浸胶纱缠绕时的张力，可实现纤维含量的变化，满足不同需求使用，所用的分片式多孔夹具、金属圆盘、螺杆等部件，均可快速安装和拆卸，从而实现重复利用，降低成本。

Description

一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法
技术领域
本发明涉及FRP拉索锚头制备技术领域，具体为一种缠绕式FRP拉索锚头 制备方法置。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)，具有轻质、 高强、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等优异性能，将其运用于大跨桥梁拉索，不仅 可以有效解决传统钢拉索自重大、耐久性不足，而且可以实现大跨桥梁向更大 跨径的发展，但是FRP拉索是各向异性材料，径向抗压强度和抗剪强度较低。 此外，纤维层间抗剪强度不足，无法直接采用钢拉索的锚固方法进行锚固，必 须针对FRP拉索性能特点开发出相应的锚固体系。
现有技术中，分为3种锚固类型，分别为粘结式、摩擦式和挤压式；粘结 式锚固体系是通过树脂等粘结材料将FRP拉索与外部套管粘结成一个整体，工 作时主要依赖于粘结材料的抗剪切变形能力，该锚固体系具有受力明确、粘结 材料对FRP拉索本体无损伤的特点，但该锚固方法仍存在灌胶工艺复杂、树脂 蠕变变形过大和抵抗疲劳性能较弱等不足；此外，随着锚固吨位的增大，锚固 长度和安装难度也相应增加；摩擦式锚固体系是在FRP拉索与套筒之间灌注膨 胀材料，固化后的膨胀材料会对套筒内的FRP拉索表面形成预压力，以增大FRP 拉索表面的摩擦力，从而实现FRP拉索的有效锚固，但该锚固方式仍存在膨胀材料本身抗压强度有限、锚固长度较长、所需空间大、在疲劳荷载、长期持荷 等作用下膨胀材料性能难以保证等诸多不足；挤压式锚固体系分为机械挤压式 和粘结挤压式，机械挤压式锚固体系绝大部分采用类似预应力钢绞线的锥形夹 片式锚具，由于FRP拉索具有各向异性的特征，与纵向抗拉强度相比，FRP拉索 的横向抗剪强度较弱，约为抗拉强度的十分之一，采用夹片式锚具进行锚固会 对FRP拉索产生径向挤压变形，在夹片式锚具加载端出现应力集中现象，容易 造成FRP拉索的横向剪切破坏先于拉伸破坏；粘结挤压式锚固体系通常采用树 脂、水泥砂浆作为荷载传递介质，与FRP拉索共同形成一个锥体，FRP拉索与荷 载传递材料同时受到内锥形钢锚杯的挤压作用，从而实现拉索整体锚固，然而， 径向压力过大会在FRP拉索加载端产生应力集中，不利于FRP拉索的受力。
综上所述，完善缠绕式大吨位FRP拉索锚头的制备方法显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，在FRP拉索锚固区分段缠 绕不同种类纤维，形成加载端刚度小、自由端刚度大的缠绕式变刚度FRP拉索 锚头，从而提升缠绕式大吨位FRP拉索的锚固效率和长期性能，降低FRP拉索 加载端应力集中。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种缠绕式FRP拉索锚头制 备方法，包括如下具体步骤；
S1、预处理：对单根FRP筋进行整体标记，包括固定区和锚固区；
S2、FRP拉索组装：通过分片式多孔夹具和开孔金属圆盘将多根FRP筋分段 集束成FRP拉索，形成组装件；
S3、缠绕：通过动力装置驱动组装件转动，带动浸胶纱在锚固区进行连续 缠绕；
S4、成型：缠绕完毕后，将组装件吊运至模压设备处，经模压-加热-固化， 形成缠绕式锚头。
优选的，所述步骤S1中，单根FRP筋的直径大于4mm，其中，整体标记是 沿着FRP筋长度方向进行标记，确定分片式多孔夹具的夹持固定位置和两端的 锚固区位置，锚固区用于缠浸胶纱绕。
优选的，所述步骤S2中，所述分片式多孔夹具包括多个夹片，且多个夹片 之间通过螺丝和螺母固定，多个所述夹片之间设有通孔，通过通孔均匀分布固 定在多根FRP筋外侧，将多根FRP筋固定成一定的截面形状的FRP拉索，开孔 金属圆盘套接在多根FRP筋外侧，并与分片式多孔夹具通过螺杆和螺母相连。
优选的，所述步骤S3中的动力装置包括金属框架、驱动电机、皮带和圆管， 驱动电机通过驱动电机底座固定在金属框架一端，所述金属框架顶端转动安装 有圆管，所述圆管的数量为两个，所述圆管一端通过皮带与驱动电机输出轴相 连，通过驱动电机带动圆管转动。
优选的，沿所述金属框架长度方向等间距布置有带底座的外球面轴承，两 个所述圆管均依次穿过带底座的外球面轴承，固定在金属框架顶端。
优选的，组装件放置在两个所述圆管顶端，并通过开孔金属圆盘与圆管接 触，所述金属框架远离驱动电机一端安装有从动电机，所述从动电机通过从动 电机底座与金属框架相连，所述从动电机输出轴安装有挡板，并通过所述挡板 与FRP拉索端部相连，所述从动电机输出轴、挡板和FRP拉索的中心线均处于 同一条直线上。
优选的，所述步骤S3中，带动浸胶纱在锚固区进行连续缠绕，具体步骤为， 首先将浸胶纱一端缠绕在FRP拉索靠近从动电机的一端，浸胶纱另一端由张力 纱架控制，接着控制FRP拉索转动，从而带动浸胶纱被连续缠绕在FRP拉索的 锚固区上，当缠绕到不同纤维交界处时，从纤维交界处向两侧缠绕。
优选的，所述浸胶纱是浸润树脂后的纤维粗纱，纤维粗纱种类包括碳纤维、 玄武岩纤维和玻璃纤维，树脂种类包括环氧树脂和乙烯基树脂。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方 便；
1、通过分片式多孔夹具和金属圆盘对FRP拉索进行分段固定，为FRP拉索 提供抗弯刚度，可以实现FRP拉索的自由起吊和移动，使FRP拉索模压过程中 仍能保持直线。
2、通过多个金属圆盘的作用，利用金属圆盘与圆管接触，通过圆管转动， 带动金属圆盘转动，从而带动整个FRP拉索转动，进行缠绕工作，有效的避免 FRP拉索制备过程中发生扭绞、错位、磨损，而且可以根据需求，调节FRP拉索 的转速和截面形状的固定，通过调整浸胶纱缠绕时的张力，可实现纤维含量的 变化，满足不同需求使用。
3、所用的分片式多孔夹具、金属圆盘、螺杆等部件，均可快速安装和拆卸， 从而实现重复利用，降低成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发 明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明缠绕式FRP拉索锚头制备方法流程图；
图2是本发明分片式多孔夹具和金属圆盘的结构示意图；
图3是本发明组装件的结构示意图；
图4是本发明缠绕式大吨位FRP拉索锚头制备装置侧视图；
图5是本发明缠绕式大吨位FRP拉索锚头制备装置正视图；
图6是本发明带底座的外球面轴承的结构示意图；
图7是本发明挡板的结构示意图；
图8是本发明FRP拉索荷载-应变曲线图；
图9是本发明FRP拉索荷载-平均应变变异系数图；
图中标号：1、分片式多孔夹具；2、FRP拉索；3、开孔金属圆盘；4、螺杆； 5、螺帽；6、螺丝；7、圆管；8、带底座的外球面轴承；9、皮带；10、金属框 架；11、驱动电机；12、驱动电机底座；13、变刚度锚头；14、锚固区；15、 挡板；16、从动电机；17、从动电机底座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的 优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，包括如下具体 步骤；
S1、预处理：对单根FRP筋进行整体标记，包括固定区和锚固区；
S2、FRP拉索组装：通过分片式多孔夹具1和开孔金属圆盘3将多根FRP筋 分段集束成FRP拉索2，形成组装件；
S3、缠绕：通过动力装置驱动组装件转动，带动浸胶纱在锚固区进行连续 缠绕；
S4、成型：缠绕完毕后，将组装件吊运至模压设备处，经模压-加热-固化， 形成缠绕式锚头。
在步骤S1中，首选对单根FRP筋进行预处理，本实施例中，采用的单根FRP 筋的直径大于4mm，沿着FRP筋长度方向进行整体标记，确定分片式多孔夹具1 的夹持固定位置和两端的锚固区14位置，锚固区14用于缠浸胶纱绕，其中， 浸胶纱是浸润树脂后的纤维粗纱，纤维粗纱种类包括碳纤维、玄武岩纤维和玻 璃纤维，树脂种类包括环氧树脂和乙烯基树脂，通过缠绕纤维粗纱，填充多根 FRP筋之间的间隙以及提高内层筋与外层筋之间的协同受力能力。
在步骤S2中，如图2a所示，分片式多孔夹具1包括多个夹片，如图2b所 示，将多个夹片之间通过螺丝6和螺母5固定一个整体，多个夹片之间设有通 孔，本实施例中，通孔直径比FRP筋的直径大1-2mm，开孔边距为2-6mm，通过 通孔均匀分布固定在多根FRP筋外侧，将多根FRP筋固定成一定的截面形状的 FRP拉索2，通孔的开设数量包括7孔、19孔、37孔和61孔，本实施例中，采 用的是37孔，且将多根FRP筋固定成一定的截面形状为正六边形，但是不仅限 于正六边形，从而保持所有FRP筋之间的间隙均匀，且确保FRP筋在缠绕过程 中不会发生相互错动，为后续FRP拉索2锚头缠绕和模压提供刚度支撑，开孔 金属圆盘套接在多根FRP筋外侧，开孔金属圆盘3的作用在于可以在两个圆管 之间实现滚动，如图2c所示，开孔金属圆盘3中心设有大孔，套接多根FRP筋， 边部设有多个小孔，与分片式多孔夹具通过螺杆4和螺母5相连，如图3所示， 将多个分片式多孔夹具1和开孔金属圆盘3均与固定在多根FRP筋外侧，从而 将多根FRP筋分段处理，并集束成FRP拉索2，形成组装件。
在步骤S3中，如图4-5所示，动力装置包括金属框架10、驱动电机11、 皮带9和圆管7，驱动电机11通过驱动电机底座12固定在金属框架10一端， 金属框架10顶端转动安装有圆管7，圆管7的数量为两个，圆管7一端通过皮 带9与驱动电机11输出轴相连，通过驱动电机11带动圆管7转动，其中，如 图6所示，沿金属框架10长度方向等间距布置有带底座的外球面轴承8，带底 座的外球面轴承8通过底座与金属框架10相连，两个圆管7均依次穿过带底座 的外球面轴承8，其中圆管7的外径与带底座的外球面轴承8的内径相同或略小， 保证圆管稳定的穿过并固定在底座的外球面轴承8内部，从而完成圆管7的安 装，组装件放置在两个圆管7顶端，并通过开孔金属圆盘3与圆管7接触，金 属框架10远离驱动电机11一端安装有从动电机16，从动电机16通过从动电机 底座17与金属框架10相连，从动电机16输出轴安装有挡板15，如图7所示， 挡板15的作用在于避免在绕纱区缠绕浸胶纱时，靠近从动电机16的浸胶纱不 会塌陷，并通过挡板15与FRP拉索2端部相连，从动电机16输出轴、挡板15 和FRP拉索2的中心线均处于同一条直线上。
在步骤S3中，带动浸胶纱在锚固区14进行连续缠绕，具体步骤为，首先 将浸胶纱一端缠绕在FRP拉索2靠近从动电机的一端，浸胶纱另一端由张力纱 架控制，接着控制FRP拉索2转动，从而带动浸胶纱被连续缠绕在FRP拉索2 的锚固区14上，当缠绕到不同纤维交界处时，从纤维交界处向两侧缠绕，当一 端锚头缠绕完毕后，即可将组装件吊运至模压设备处，通过步骤S4，经模压- 加热-固化工序，形成一体化变刚度缠绕式锚头13，随后，将组装件的未缠绕锚 头的一端与从动电机16连接，并重复上一个锚头的制备过程，当FRP拉索2两 端的锚头均制备完后成，即可组装件，回收分片式多孔夹具1和开孔金属圆盘3， 缠绕式大吨位FRP拉索2制备完成。
FRP拉索制备完成后进行测试检验：
如图8所示为FRP拉索静力拉伸试验后的荷载-应变曲线，其中图8a，为采 用手工方法制备的19根FRP拉索的静力拉伸试验结果，图8b为采用本实施制 备的37根FRP拉索的静力拉伸试验结果，从锚固FRP筋数量角度考虑，采用本 实施制备的37根FRP拉索具有更大的锚固难度，对比图8a和图8b试验结果可 知，采用本实施制备的37根拉索的荷载-应变曲线相对集中，提升FRP拉索的 长度一致性以及多根筋协同受力性能；
如图9所示，分析了由两种方法制备的拉索在不同加载阶段的平均应变变 异系数，与手工制备的19根FRP拉索平均应变变异系数，采用本实施制备的37 根拉索在不同加载阶段具有更小的变异系数和离散程度，对于FRP拉索的制备 效果具有显著的提升作用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本 发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人 员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，其特征在于：包括如下具体步骤；
S1、预处理：对单根FRP筋进行整体标记，包括固定区和锚固区；
S2、FRP拉索组装：通过分片式多孔夹具和开孔金属圆盘将多根FRP筋分段集束成FRP拉索，形成组装件，其中，所述分片式多孔夹具包括多个夹片，且多个夹片之间通过螺丝和螺母固定，多个所述夹片之间设有通孔，通过通孔均匀分布固定在多根FRP筋外侧，将多根FRP筋固定成一定的截面形状的FRP拉索，开孔金属圆盘套接在多根FRP筋外侧，并与分片式多孔夹具通过螺杆和螺母相连；
S3、缠绕：通过动力装置驱动组装件转动，带动浸胶纱在锚固区进行连续缠绕，动力装置包括金属框架、驱动电机、皮带和圆管，驱动电机通过驱动电机底座固定在金属框架一端，所述金属框架顶端转动安装有圆管，所述圆管的数量为两个，所述圆管一端通过皮带与驱动电机输出轴相连，通过驱动电机带动圆管转动，其中，组装件放置在两个所述圆管顶端，并通过开孔金属圆盘与圆管接触，所述金属框架远离驱动电机一端安装有从动电机，所述从动电机通过从动电机底座与金属框架相连，所述从动电机输出轴安装有挡板，并通过所述挡板与FRP拉索端部相连，所述从动电机输出轴、挡板和FRP拉索的中心线均处于同一条直线上；
S4、成型：缠绕完毕后，将组装件吊运至模压设备处，经模压-加热-固化，形成缠绕式锚头。
2.根据权利要求1所述的一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，单根FRP筋的直径大于4mm，其中，整体标记是沿着FRP筋长度方向进行标记，确定分片式多孔夹具的夹持固定位置和两端的锚固区位置，锚固区用于缠浸胶纱绕。
3.根据权利要求1所述的一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，其特征在于：沿所述金属框架长度方向等间距布置有带底座的外球面轴承，两个所述圆管均依次穿过带底座的外球面轴承，固定在金属框架顶端。
4.根据权利要求1所述的一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，带动浸胶纱在锚固区进行连续缠绕，具体步骤为，首先将浸胶纱一端缠绕在FRP拉索靠近从动电机的一端，浸胶纱另一端由张力纱架控制，接着控制FRP拉索转动，从而带动浸胶纱被连续缠绕在FRP拉索的锚固区上，当缠绕到不同纤维交界处时，从纤维交界处向两侧缠绕。
5.根据权利要求1所述的一种缠绕式FRP拉索锚头制备方法，其特征在于：所述浸胶纱是浸润树脂后的纤维粗纱，纤维粗纱种类包括碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维，树脂种类包括环氧树脂和乙烯基树脂。
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