CN115179564A - 自锁式纤维增强复合材料平行板索 - Google Patents

Abstract

本申请涉及拉杆索领域，涉及自锁式纤维增强复合材料平行板索。一种自锁式纤维增强复合材料平行板索包括：多个纤维增强复合材料片材、钢环、紧固件。钢环包括第一钢环和第二钢环；多个纤维增强复合材料片材绕过第一钢环和第二钢环，在第一钢环和第二钢环处形成闭环空间；多个纤维增强复合材料片材由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与钢环形成锚固结构。紧固件抵持于纤维增强复合材料片材的外层。通过索体部分的片材绕钢环插入索体的间隙中的方式形成锚固结构，充分发挥片材高强、高模的特点，可生产大规格，大长度的板索。板索本身存在锚固结构，避免了传统碳纤维锚具通过表面锚固的方式实现锚固，可以实现板索的自锚，方便应用。

Description

自锁式纤维增强复合材料平行板索

技术领域

本申请涉及拉杆索领域，具体而言，涉及自锁式纤维增强复合材料平行板索。

背景技术

纤维增强复合材料拉杆索是指：索体由单根恒定截面的纤维增强复合材料拉杆组成的拉索。

对单片碳纤维复材板材的锚具开发已有多种成品，部分锚具的锚固效率可达90％以上，复数板材的锚具开发并不成熟。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种自锁式纤维增强复合材料平行板索。

本申请提供一种自锁式纤维增强复合材料平行板索，包括：

多个纤维增强复合材料片材；

钢环；包括第一钢环和第二钢环；第一钢环和第二钢环相对设置；多个纤维增强复合材料片材绕过第一钢环和第二钢环，在第一钢环和第二钢环处形成闭环空间；多个纤维增强复合材料片材由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与钢环形成锚固结构；以及

紧固件，抵持于纤维增强复合材料片材的外层。

本申请自锁式纤维增强复合材料平行板索通过索体部分的片材绕钢环插入索体的间隙中的方式形成锚固结构，可充分发挥片材高强、高模的特点。进一步地，使用的纤维增强复合材料生产效率高，可生产大规格，大长度的板索。进一步地，板索本身存在锚固结构，避免了传统碳纤维锚具通过表面锚固的方式实现锚固，可以实现板索的自锚，方便应用。进一步地，片材的自锁性质决定了锚固体系不需要太多额外的锚固件，锚头更小、更轻。

在本申请的其他实施例中，上述的多个纤维增强复合材料片材的插入长度由内至外依次减小。

在本申请的其他实施例中，上述的紧固件包括钢夹片；

自锁式纤维增强复合材料平行板索包括搭接段；

搭接段包括部分多个纤维增强复合材料片材和钢夹片；钢夹片抵持于搭接段的多个纤维增强复合材料片材的外层。片材插入的长度大于钢夹片的长度，以使钢夹片完全压住搭接段。

在本申请的其他实施例中，上述的紧固件包括外压板组件；

外压板组件包括外压板、正反丝杆；

自锁式纤维增强复合材料平行板索包括斜坡段；

斜坡段包括外压板组件、内芯、部分多个纤维增强复合材料片材；外压板抵持于斜坡段的多个纤维增强复合材料片材的外层；正反丝杆连接于外压板和内芯。

在本申请的其他实施例中，上述的内芯角度在5°-45°之间；钢夹片角度应与内芯角度一致，以使内芯与钢环紧密贴合。

在本申请的其他实施例中，上述的钢夹片压住内芯与搭接段片材端部，且钢夹片前后两端倒圆角。

在本申请的其他实施例中，上述的内芯为镂空结构。

在本申请的其他实施例中，上述的钢夹片和外压板与纤维增强复合材料片材接触的内侧形成有衬胶。

在本申请的其他实施例中，上述的钢环侧的外压板过圆心且弧度与钢环相同，以使外压板完全压紧纤维增强复合材料片材。

在本申请的其他实施例中，上述的纤维增强复合材料片材由纤维和树脂基体制成；纤维为碳纤维或碳纤维与玻璃纤维的混合体；树脂基体为热塑型树脂或热固型树脂中的一种；

可选地，当纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，碳纤维与玻璃纤维的交界处设置为波浪状或者锯齿状，以增加界面粘接力。

可选地，当纤维为碳纤维时，钢环的外径大于等于纤维增强复合材料片材厚度的100倍；可选地，当纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，钢环的外径大于等于纤维增强复合材料片材中碳纤维厚度的100倍。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为目前常规的夹持式锚具的结构示意图；

图2为目前常规的粘接式锚具的结构示意图；

图3为目前常规的自锚式拉索的结构示意图；

图4为目前常规多层片材锚固体系需要使用波形夹片的结构示意图；

图5为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的结构示意图；

图6为图5的部分结构示意图；

图7为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的内芯角度示意图；

图8为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的钢夹片示意图；

图9为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的纤维增强复合材料片材示意图；

图10为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的受力分析示意图；

图11为本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索的片材受力分析示意图。

图标：100-自锁式纤维增强复合材料平行板索；110-纤维增强复合材料片材；111-第一片材、112-第一片材的端部；113-第二片材、114-第二片材的端部；115-第三片材、116-第三片材的端部；120-钢环；121-第一钢环；122-第二钢环；123-闭环空间；130-内芯；140-紧固件；141-钢夹片；142-外压板组件；1421-外压板；1422-正反丝杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，已有的碳纤维复材板材的锚具主要有以下几种：

参照图1，夹持式：

依靠索体表面与锚固构件内表面之间的摩擦力来平衡索体的拉力，具体有：常用夹片或波纹夹片。

然而，这种锚具复材筋/索表面挤压力大；应力集中明显，锚固效率不高；夹持式通过索体表面与锚固构件内表面之间的摩擦力提供锚固效果，即增加锚具和板索的接触面积或增加锚具对板索的压力。增加接触面积会使得锚具过大，不仅大幅增加成本而且不适用于大部分施工工况。

并且这种常规锚具碳纤维复材相对于钢材横向剪切强度较低，碳纤维复材拉索在受力过程中易发生径向剪切破坏，增加锚具对板索的压力存在较大风险。

相对于这种常规锚具，本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，主要通过自锁式板索的特殊结构，充分利用板索之间摩擦力提供拉力，夹片对板索的压力较小且无需较大的接触面积，所以锚头较小，易于施工，并且不会对板索产生损伤。

参照图2，粘接式：

主要依靠粘结材料与索体表面的粘结力来平衡索体的拉力。

然而，这种锚具锚固长度大、粘接材料固化时间长、灌胶工艺复杂、对温度、湿度的长期效应敏感。

相对于这种常规锚具，本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，含有锚固结构，现场可直接应用，不存在灌胶导致的“粘接材料固化时间长”、“灌胶工艺复杂”、“对温度、湿度的长期效应敏感”等问题。

参照图3，自锚式拉索：

一种自锚式碳纤维拉索，包括碳纤维索体和锚具，碳纤维索体是由单向碳纤维预浸料依次层叠环绕固化形成的具有多层碳纤维层的索体，碳纤维索体的纤维方向与碳纤维索体的长度方向相同，其中，碳纤维索体的两端形成封闭环，碳纤维索体在位于两个封闭环之间的部分为索体主体；两个锚具分别包括钢内芯、钢夹板和紧固件；两个锚具的钢内芯分别一一对应地位于两个封闭环中并与相应的封闭环的内表面贴合；两个锚具的钢夹板分别对应地设置在封闭环的外表面上；两个锚具的紧固件分别将对应的钢夹板与钢内芯紧固。

然而，这种自锚式拉索是由单向碳纤维预浸料依次层叠环绕固化成型，但由于其特殊的结构(V型板部加圆环结构)无法使用机器设备生产，只能人工铺层，生产效率过低。此外，由于其人工铺层的原因，对于10米以上的拉索，不仅难以保证纤维方向，而且铺层极为不便，几乎不能完成生产。

相对于这种常规锚具，本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，直接应用碳纤维片材锚固，生产效率高，且不受长度限制。

参照图5和图6，本申请实施方式提供一种自锁式纤维增强复合材料平行板索100，包括：多个纤维增强复合材料片材110、钢环120、内芯130、以及紧固件140。

进一步地，钢环120包括第一钢环121和第二钢环122；第一钢环121和第二钢环122相对设置。

进一步地，多个纤维增强复合材料片材110绕过第一钢环121和第二钢环122，在第一钢环121和第二钢环122处形成闭环空间123。进一步地，多个纤维增强复合材料片材110由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与钢环120形成锚固结构。

进一步地，内芯130设置在闭环空间123。

进一步地，紧固件140抵持于纤维增强复合材料片材110的外层，连接于内芯130。

本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，多个纤维增强复合材料片材110由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与钢环120形成锚固结构，避免了传统碳纤维锚具通过表面锚固的方式实现锚固，可以实现板索的自锚。

进一步地，参照图10和图11，本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，多个纤维增强复合材料片材110由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中，在拉伸载荷作用下，相邻的片材受力方向相反，形成一种自锁结构，因此摩擦力主要依靠片材间的摩擦。

进一步地，参照图10和图11，本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，多个纤维增强复合材料片材110由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中，在拉伸载荷作用下，斜坡段会形成一个向外的载荷，在与钢夹片同时作用下，增大片材的径向载荷，增大摩擦力。并且该过程随着拉伸载荷的增大，径向载荷也会增大，摩擦力也越大，因此板索整体的锚固效率较高。

进一步地，多个纤维增强复合材料片材110的插入长度由内至外依次减小。

本申请的自锁式纤维增强复合材料平行板索100，多个纤维增强复合材料片材110间存在间隙，能够避免应力集中。进一步地，钢环120处的片材在缠绕后存在细微间隙，拉索在受力后由于钢环是直接和内层片材接触的，所以内层片材留设一定滑动的余量。

示例性地，参照图6，图6示出了纤维增强复合材料片材110绕过钢环120的方式，具体包括：第一片材111、第一片材的端部112；第二片材113、第二片材的端部114；第三片材115、第三片材的端部116。

进一步地，在本申请一些实施方式中，紧固件140包括钢夹片141和外压板组件142。

进一步地，自锁式纤维增强复合材料平行板索100包括搭接段。

进一步地，搭接段包括部分多个纤维增强复合材料片材110和钢夹片141；钢夹片141抵持于搭接段的多个纤维增强复合材料片材110的外层。片材插入的长度大于钢夹片的长度，以使钢夹片完全压住搭接段。

上述搭接段片材端部也是由长至短依次缠绕，可以进一步避免了应力集中。

进一步地，上述的钢夹片141的作用更重要地在于塑型定位，不需提供过大的压力，能够避免破坏纤维增强复合材料片材110。

需要说明的是，上述“不需提供过大的压力”是指相比于常规的夹持式的锚固方式，本申请方案不完全依靠钢夹片锚固，所以不需要压得太紧。即本申请方案，上述钢夹片141是压紧片材的，只是不需要太紧，要避免压伤板材。进一步地，外压板组件142包括外压板1421、正反丝杆1422。

进一步地，自锁式纤维增强复合材料平行板索100包括斜坡段。

进一步地，斜坡段包括外压板组件142、内芯130、部分多个纤维增强复合材料片材110；外压板1421抵持于斜坡段的多个纤维增强复合材料片材110的外层；正反丝杆1422连接于外压板1421和内芯130。

外压板1421和内芯130压紧的斜坡段和钢夹片141夹住的搭接段均增大摩擦力，因此可以避免使用波形夹片。

现有技术中，参照图4，常规多层片材锚固体系需要使用波形夹片。然而，因为索体处的片材紧密贴合，并且该缠绕工艺会导致夹片处的片材厚度是索体部位的两倍，夹片处的片材会在较小的长度内出现大角度的弯折(尤其是最外层的片材)导致应力集中，在拉伸载荷的作用下外层片材会优先破断，最终索体整体拉断力远小于片材实际的强度。

上述这种使用波形板虽然能增加机械咬合力和摩擦力，但碳纤维等复合材料横向耐冲击能力较差，在使用波形夹板是有较大的损伤风险。

并且上述这种锚固体系最后为保证锚固效率仍需层合固化，工艺复杂。

进一步地，在本申请一些实施方式中，参照图7和图8，内芯130角度在5°-45°之间；钢夹片141角度应与内芯130角度一致，以使内芯130与钢环120紧密贴合。

示例性地，内芯130角度为10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或者45°；钢夹片141角度与前述内芯130角度一一对应，保持相同。

进一步地，在本申请一些实施方式中，钢夹片141压住内芯130与搭接段片材端部，且钢夹片141前后两端倒圆角。

钢夹片141压住内芯130与搭接段片材端部保证紧固效果，钢夹片141前后两端倒圆角，避免应力集中。

进一步地，在本申请一些实施方式中，内芯130为镂空结构。

内芯130为镂空结构可以减重，使得整个自锁式纤维增强复合材料平行板索100轻量化。

进一步地，在本申请一些实施方式中，钢夹片141和外压板1421与纤维增强复合材料片材110接触的表面形成有衬胶(图未示)。

进一步地，在本申请一些实施方式中，钢环120侧的外压板1421过圆心且弧度与钢环120相同，以使外压板1421完全压紧纤维增强复合材料片材110。

外压板1421内表面衬胶能够保护碳纤维索体不被擦伤。钢环120侧的外压板1421过圆心且弧度与钢环120相同，可完全压紧纤维增强复合材料片材110。

在图示的实施方式中，上下两个外压板1421通过正反丝杆1422压紧纤维增强复合材料片材110。

进一步地，在本申请一些实施方式中，纤维增强复合材料片材110由纤维和树脂基体制成；纤维为碳纤维或碳纤维与玻璃纤维的混合体；树脂基体为热塑型树脂或热固型树脂中的一种。

进一步地，在本申请一些实施方式中，当纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，碳纤维与玻璃纤维的交界处设置为波浪状或者锯齿状，以增加界面粘接力。

进一步地，在本申请一些实施方式中，当纤维为碳纤维时，钢环的外径大于等于纤维增强复合材料片材厚度的100倍。

进一步地，在本申请一些实施方式中，当纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，钢环的外径大于等于纤维增强复合材料片材中碳纤维厚度的100倍。

参照图9，在图示的实施方式中，当纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，碳纤维与玻璃纤维的交接处如“土豆”状，增加界面粘接力。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的纤维增强复合材料片材110的厚度为0.05-2毫米；进一步可选地，上述的纤维增强复合材料片材110的厚度为0.2-2毫米；进一步可选地，上述的纤维增强复合材料片材110的厚度为0.5-2毫米。

示例性地，上述的纤维增强复合材料片材110的厚度为0.1毫米、0.3毫米、0.6毫米、0.8毫米、1.0毫米或者1.5毫米。

进一步地，在本申请一些实施方式中，整个自锁式纤维增强复合材料平行板索100喷漆处理。

进一步地，在本申请一些实施方式中，纤维增强复合材料片材110选择碳纤维拉挤板材，但为增加锚头部分的弯曲性能，可换用碳/玻混杂板材，可大幅减小片材的弯曲半径，减小锚头尺寸。

进一步地，在本申请一些实施方式中，为了缩减搭接段长度，搭接段和钢环120处可以灌胶处理或是在搭接段片材间垫波形板等增加摩擦力。

进一步地，在本申请一些实施方式中，为了减重，可以去除内芯，但需要延长搭接段。

进一步地，在本申请一些实施方式中，为了保证索体直线度，减少板材的应力差，可以在拉挤板材之间填充轻质板材。

进一步地，在本申请一些实施方式中，整个自锁式纤维增强复合材料平行板索100喷漆，能够防止片材纤维增强复合材料片材110的紫外老化以及金属锈蚀。

进一步地，在本申请一些实施方式中，自锁式纤维增强复合材料平行板索100按照以下方式组装：

多个纤维增强复合材料片材110绕过第一钢环121和第二钢环122，多个纤维增强复合材料片材110由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与钢环形成锚固结构；多个纤维增强复合材料片材的插入长度由内至外依次减小。通过内芯130和外压板1421固定，多个纤维增强复合材料片材110紧密贴合，不存在间隙。钢夹片141抵持于搭接段的多个纤维增强复合材料片材110的外层。

需要说明的是，组装时，通过垫板、F夹临时固定等方式使各片材长度一致，在锚固端钢夹片定位完成后，再撤去临时的垫板等工装。这样可确保索体部分的碳纤维片材长度一致，避免出现应力差。

本申请自锁式纤维增强复合材料平行板索100通过索体部分的片材绕钢环插入索体的间隙中的方式形成锚固结构，可充分发挥片材高强、高模的特点。进一步地，使用的碳纤维片材生产效率高，可生产大规格，大长度的板索。进一步地，板索本身存在锚固结构，避免了传统碳纤维锚具通过表面锚固的方式实现锚固，可以实现板索的自锚，方便应用。进一步地，片材的自锁性质决定了锚固体系不需要太多额外的锚固件，锚头更小、更轻。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，包括：

多个纤维增强复合材料片材；

钢环；包括第一钢环和第二钢环；所述第一钢环和所述第二钢环相对设置；所述多个纤维增强复合材料片材绕过所述第一钢环和所述第二钢环，在所述第一钢环和所述第二钢环处形成闭环空间；所述多个纤维增强复合材料片材由内向外交替、对称插入索体片材的空隙中与所述钢环形成锚固结构；以及

紧固件，抵持于所述纤维增强复合材料片材的外层。

2.根据权利要求1所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述多个纤维增强复合材料片材的插入长度由内至外依次减小。

3.根据权利要求1或2所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述紧固件包括钢夹片；

所述自锁式纤维增强复合材料平行板索包括搭接段；

所述搭接段包括部分所述多个纤维增强复合材料片材和所述钢夹片；所述钢夹片抵持于所述搭接段的所述多个纤维增强复合材料片材的外层；所述片材插入的长度大于所述钢夹片的长度，以使所述钢夹片完全压住所述搭接段。

4.根据权利要求3所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述紧固件包括外压板组件；

所述外压板组件包括外压板、正反丝杆；

所述自锁式纤维增强复合材料平行板索包括斜坡段；

所述斜坡段包括所述外压板组件、部分所述多个纤维增强复合材料片材；所述外压板抵持于所述斜坡段的所述多个纤维增强复合材料片材的外层；所述正反丝杆连接于所述外压板。

5.根据权利要求4所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述自锁式纤维增强复合材料平行板索包括内芯；所述内芯设置在所述闭环空间；所述内芯为镂空结构。

6.根据权利要求5所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述内芯角度在5°-45°之间；所述钢夹片角度应与所述内芯角度一致，以使所述内芯与所述钢环紧密贴合。

7.根据权利要求5所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述钢夹片压住所述内芯与搭接段片材端部，且所述钢夹片前后两端倒圆角。

8.根据权利要求4所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述钢夹片和所述外压板与所述纤维增强复合材料片材接触的内侧形成有衬胶。

9.根据权利要求4所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述钢环侧的所述外压板过圆心且弧度与所述钢环相同，以使所述外压板完全压紧所述纤维增强复合材料片材。

10.根据权利要求1所述的自锁式纤维增强复合材料平行板索，其特征在于，

所述纤维增强复合材料片材由纤维和树脂基体制成；所述纤维为碳纤维或碳纤维与玻璃纤维的混合体；所述树脂基体为热塑型树脂或热固型树脂中的一种；

可选地，当所述纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，所述碳纤维与所述玻璃纤维的交界处设置为波浪状或者锯齿状，以增加界面粘接力；

可选地，当所述纤维为碳纤维时，所述钢环的外径大于等于所述纤维增强复合材料片材厚度的100倍；可选地，当所述纤维为碳纤维与玻璃纤维的混合体时，所述钢环的外径大于等于所述纤维增强复合材料片材中碳纤维厚度的100倍。

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