CN115370069A - 一种bfrp-钢组合弦杆桁架及其组装实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种BFRP‑钢组合弦杆桁架及其组装实施方法，包括沿钢管长度方向附着BFRP的上弦杆（管），所述沿钢管长度方向附着BFRP上弦杆（管），是BFRP经高温处理抽取纤维直接附着于钢管之上的组合管；垂直钢管长度方向缠绕BFRP的下弦杆（管），管端内部有正旋扣螺纹；所述垂直钢管长度方向缠绕BFRP的下弦杆（管），是钢管外部沿管径浸渍环氧树脂材料缠绕BFRP的上弦及侧竖向管，管端内部有正旋扣螺纹；节点三接头连接件，所述节点三接头连接件为不锈钢制三头螺栓；节点双接头连接件，所述节点双接头连接件为不锈钢制双头螺栓；弦杆套箍螺栓连接件，所述弦杆套箍螺栓连接件为携带螺栓接头的不锈钢套管。本发明具有耐久性强、承载力高、耐高温等优越性能。
Description
技术领域
本发明属于结构工程领域，涉及一种BFRP-钢组合弦杆桁架及其组装实施方法。
背景技术
钢桁架是钢结构建筑中重要的横向承重构件，主要承担着大跨度轻型钢结构屋面荷载。钢桁架一般由上下弦杆、腹杆及端部竖杆组成，杆件通常采用钢管。通常情况下，上弦钢杆及端竖杆承受压力，而下弦钢杆承受拉力，中部腹杆受力方向随荷载作用而改变。
钢桁架具有自重轻，承载能力强，耗钢量大，形式多样，布置灵活等优点。但同其他钢构件相似，对于在复杂环境中长期服役的钢桁架而言，锈蚀这一耐久性问题几乎不可避免，这会直接影响钢桁架的受力性能。尤其是承受压力的上弦及承受拉力的下弦杆件，锈蚀可能带来更大影响。为避免此类现象的发生，常规做法为在杆件表面涂刷防锈漆或镀锌，但涂层或镀层在各类复杂环境长期服役过程中依然会发生龟裂及脱落。若全部杆件采用不锈钢材料，成本较高，不适合大规模应用。
纤维增强复合材料(FRP，Fiber Reinforced Polymers)是一种新型建筑材料，具有防腐防锈、轻质高强的特性，将其制作成桁架可避免桁架锈蚀发生。但扔存在各种问题。
如公开号为CN208933015U的专利文件中，公开了一种GFRP桁架，该专利杆件采用GFRP材料，虽然GFRP材料强度高于钢材，但延性较差，且桁架节点处采用胶粘粘接和聚丙烯-不锈钢复合夹板固定的方式连接，该项专利显然无法克服GFRP在长期的高应力作用下的蠕变问题，同时也存在胶体和螺栓紧固力不同步的问题。
在公开号为CN108825605的专利文件中，公开了一种碳纤维复合材料桁架与支杆的装配方法，该方法将复合材料杆件胶结、栓接或胶栓连接在主体结构上。该方法削弱了接头处的复合材料杆件强度，且仍无法解决FRP杆件蠕变导致连接不紧密问题。
在公开号为CN111173194A的专利文件中，公开了一种FRP桁架节点结构的实施方法，该方法侧重于FRP桁架的特殊节点构造，通过钢箱、钢管插入FRP管及灌注微膨胀混凝土的方式处理FRP桁架节点，这种节点虽连接紧密，但构造过于复杂，现场组装难度仍较大。
综上所述，现有公开专利中，桁架结构形式和节点工作原理与本发明完全不同。本发明提供一种耐腐防锈、低碳环保、轻质高强、施工方便且耐高温的新型结构，对于BFRP材料的进一步推广应用具有重要意义。
发明内容
发明目的：
本发明目的是提供一种新型BFRP-钢组合弦管桁架及其组装技术方法。该种新型桁架突破了仅利用FRP材料替代钢材作为弦杆的的思维局限，采用低碳环保的BFPR材料辅助钢材的组合管件作为桁架的杆件，具有耐腐防锈、节能环保、轻质高强等优势。其节点采用节点套件，杆件旋拧组装的方式，克服了传统节点连接紧密性差、构造复杂等劣势，具有较高的推广价值。
技术方案：
本发明公开了一种BFRP-钢组合弦杆桁架结构及其组装方法，包括沿钢管长度方向附着BFRP纤维的上弦杆(管)，所述沿钢管长度方向附着BFRP纤维的上弦杆(管)，是BFRP材料经高温处理抽取纤维直接附着于钢管之上的组合管材；垂直钢管长度方向缠绕BFRP纤维的下弦杆(管)，管端内部有正旋扣旋拧螺纹；所述垂直钢管长度方向缠绕BFRP纤维的下弦杆(管)，是钢管外部沿管径浸渍环氧树脂材料缠绕BFRP纤维的上弦及侧竖向管件，管端内部有正旋扣旋拧螺纹；节点三接头螺栓连接件，所述节点三接头螺栓连接件为不锈钢制三头螺栓；节点双接头螺栓连接件，所述节点双接头螺栓连接件为不锈钢制双头螺栓；弦杆套箍螺栓连接件，所述弦杆套箍螺栓连接件为携带螺栓接头的不锈钢套管。
进一步地，所述BFRP-钢组合杆件内径与连接件螺栓外径相吻合，BFRP-钢杆(管)件通过旋拧方式连接于不锈钢连接件上。
进一步地，杆(管)件旋拧前需在连接件上涂抹环氧树脂以防止水侵入内部钢管。
进一步地，上弦与下弦套管连接件采用反扣螺栓，腹杆在旋拧过程中同时紧固上下两弦。
本发明还提供了一种此种新型桁架结构组装施工方法，该方法包括以下步骤：
(1)将沿钢管长度方向附着BFRP纤维的上弦杆(管)和垂直钢管长度方向缠绕BFRP纤维的下弦杆(管)以及腹杆、端杆按既定长度制作完成，并准备好不锈钢螺栓连接件。
(2)将顶端连接件螺栓头涂抹环氧树脂，并将垂直钢管长度方向缠绕BFRP纤维的下弦杆(管)、中竖腹杆旋拧入连接件。
(3)将弦杆套箍螺栓连接件由套箍穿入上弦杆至既定设计位置。
(4)将双头不锈钢螺栓连接件旋拧于上弦杆两端部。
(5)将弦杆套箍螺栓连接件由套箍穿入下弦杆至既定设计位置。
(6)利用腹杆及端杆连接上下弦的套箍连接件，并旋拧至各上下套箍连接件紧固完成。
有益效果：
本发明提供一种BFRP-钢组合弦杆桁架及其组装方法可获得如下有益效果：
(1)有效避免桁架弦杆发生锈蚀，增加构件耐久性
BFRP材料为绿色建材，具有极强的耐腐蚀性能。桁架结构一般多用于跨度较大的工业厂房之中，因此其服役环境多为露天环境，或具备一定腐蚀因素的耦合复杂环境。这就对桁架，特别是承担弯矩的弦杆提出了较高的耐腐要求，而既有的钢弦杆显然无法满足这一要求。采用BFRP-钢复合管作为弦杆则可有效避免弦杆锈蚀，增加构件耐久性能。
(2)有效增加桁架承载能力
BFRP材料一般抗拉强度在600-1500MPa之间，高于钢材的极限抗拉强度，因此采用纤维方向与钢管方向同向的BFRP-钢复合管作为下弦杆可以有效的增加下弦杆的抗拉强度，同时上弦压杆采用BFRP横向缠绕复合钢管，避免上弦杆件发生屈曲，因此本发明可以使桁架的极限承载力大幅提高。
(3)有效减小桁架自重，增加构件跨度
BFRP材料轻质高强，其极限抗拉强度最大可达钢材极限抗拉强度的2.5倍，但同时其单位体积密度仅为钢密度的26％，按极限强度及单位体积密度折算，承受相同荷载的BFRP材料重量仅为同等钢材重量的12％。因此本发明可有效的减轻桁架的重量，不但有利于抗震效应，而且有利于大跨度空间结构建筑的应用要求。
(4)有效延长高温作用下桁架的破坏时间
BFRP材料还有一个重要特性即为其绝缘隔热效应，钢材主要的劣势之一即为耐高温性能差，在火灾发生时，钢构件可能在高温作用下较快的发生屈曲现象，导致桁架提前丧失承载能力。本发明中采用BFRP-钢复合管作为上下弦杆及侧竖杆件，可以充分利用BFRP隔热特性，在高温环境下，有效延长桁架内芯钢管温度升高及破坏时间。
(5)该组装方法简便，易于组装施工
该组装方法易于工业化生产及现场组装操作，桁架杆件间采用螺栓连接，螺栓头涂抹环氧树脂，牢固密实性好。弦杆与腹杆间采用弦杆套箍螺栓连接件连接，避免BFRP-钢组合上下弦杆破环。
附图说明：
图1为组装式BFRP-钢复合弦杆(管)桁架组成示意图。
图2为上弦杆及中杆的组装方法示意。
图3为套箍上弦杆连接件。
图4为下弦杆组装方法。
组装式BFRP-钢复合弦杆(管)桁架上弦杆及端竖杆由上弦BFRP纤维横向缠绕复合钢管；下弦杆采用BFRP纤维纵向附着复合钢管及为涂刷防锈漆的钢腹杆(管)组装而成，具有承载力高、耐久性强、隔热性好等优势。桁架采用螺栓接头旋拧连接，节点处螺栓旋拧之前涂抹环氧树脂防水。如附图1，截面1-1为BFRP纤维横向缠绕复合弦杆(管)截面，截面2-2为BFRP纤维纵向附着复合弦杆(管)。
具体实施方式
本发明所设计桁架杆件之间采用带有螺纹的钢连接件进行组装连接，为保证管件内部不存在潮湿锈蚀现象，在管件端头的螺栓拧紧前，在螺栓头部涂刷环氧树脂。杆件组装具体操作如下：
(1)上弦管(杆)组装
先将钢制三向螺栓接头涂抹环氧树脂，再将提前制作好的BFRP纤维横向缠裹上弦杆(管)及桁架中竖杆(管)顺时针旋拧，使弦杆(管)及中竖腹杆端头闭合相交(附图2)；
(2)上弦连接件就位
将套式连接件串套进上弦杆(管)至指定位置，并用扳手逆时针拧紧下短紧固螺栓，并将弦杆端连接件旋入弦杆端部(附图3)；
(3)与下弦管(杆)拼装
将依上述1、2方法组装的下弦杆(管)及组装好的上弦杆(管)位置对应，采用涂刷防锈漆的钢腹杆连接两端连接件并顺时针旋拧，上下连接件螺纹均设计为反扣，腹杆旋拧过程应使连接件与弦杆、腹杆与上下弦杆均朝紧固方向旋拧，以保证桁架整体稳定，节点密实无缝隙(附图4)。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种耐腐轻质高强BFRP-钢管组合弦管桁架组装安装方法，其特征在于：所述的上下弦管与端腹杆管以螺纹不锈钢连接件相连，其他腹杆既是桁架构件，同时又作为加强连接上弦腹杆的连接构件，中腹杆与弦管以带有螺纹件的套管相连，在腹杆旋拧中即保护了弦管BFRP外壳不受破坏，又起到管件连接作用。
2.根据权利要求1所述耐腐轻质高强BFRP-钢组合弦管桁架组装方法，其特征在于：上下弦管与端腹杆管以螺纹不锈钢连接件相连，连接件螺纹段长度与管件内螺纹段长度匹配，螺纹段长度5mm < L < 10m。
3.根据权利要求1所述耐腐轻质高强BFRP-钢组合弦杆桁架组装方法，其特征在于：中腹杆与弦管以带有螺纹件的套管相连，套管内径与弦管外径吻合，套管径厚比D/t范围（1/20-1/10）区间。
4.根据权利要求1所述耐腐轻质高强BFRP-钢管组合弦管桁架组装方法，其特征在于：优先组装上弦管及接头，和下弦管和接头，再利用螺纹旋拧，组装中腹杆，以达到紧固组装之目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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