[發明專利]一種內嵌閉口型鋼的FRP復合結構

在審

• 申請號: 201710054149.1
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106639122A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 馬國偉;李之建;李鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: E04C1/00
• 分類號: E04C1/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬土木、交通、水利等領域的材料研發，具體涉及到一種用于土木工程的內嵌閉口型鋼的FRP復合結構。其特點在于質量輕、耐腐蝕、性價比高、延性高、強度和彈性模量高。

背景技術

閉口型鋼構件是建筑中最常用的結構單元之一，它包括箱形鋼、方管鋼和圓管鋼等。閉口型鋼構件因彈性模量大、延性好等優點在土木工程領域得到了廣泛應用，但其存在耐腐蝕性差，自重較大等問題。纖維增強聚合物(FRP)以其高強度、輕質和優異的耐腐蝕性能等優點，在土木工程結構中廣泛應用，并受到工程界的廣泛關注。FRP由具有抗拉作用的連續纖維束和具有粘結作用的聚合物基體組成。然而，FRP的抗剪強度遠小于其抗拉強度，應力應變曲線沒有屈服點，屬于脆性破壞。而且FRP的彈性模量較低，在正常使用階段撓度偏大。FRP多年來的持續高價格導致FRP的研究和應用受到了實際經濟因素的制約。將FRP和鋼進行復合可以使兩者各自優點得到綜合利用，制備出質量輕、耐腐蝕、性價比高、延性高、強度和彈性模量高的FRP復合結構。

此前，有人曾提出鋼-FRP復合筋結構，這種結構的提出是以改善耐腐蝕性為出發點，并未充分考慮鋼與FRP的聯合承載作用。與此同時，鋼-FRP復合筋的制備工藝僅適用于簡單的圓形小截面筋材的成型。閉口型FRP構件在工程中已有廣泛應用，但仍存在剛度低、延性差、成本高，在荷載作用下變形大且呈脆性破壞等問題。目前仍沒有綜合利用鋼與閉口型FRP構件各自優勢的復合結構。

本發明提出了一種內嵌閉口型鋼的FRP復合結構。內嵌閉口型鋼的FRP復合結構的型鋼和FRP通過拉擠模具一體成型。型鋼與FRP間粘結強度高，生產效率高，型鋼與FRP能夠共同受力，屬于耐腐蝕、高延性結構。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種質量輕、耐腐蝕、性價比高、延性高、強度和彈性模量高的內嵌閉口型鋼的FRP復合結構。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種內嵌閉口型鋼的FRP復合結構，該復合結構由內部的型鋼和外部的FRP組成。通過拉擠熱固化成型工藝將FRP固化在型鋼內外表面，使型鋼與FRP能夠共同受力。

所述FRP層由連續纖維和熱固性樹脂復合而成，連續纖維為玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維。

所述的型鋼為箱形鋼或方管鋼。

根據所需力學性能指標，按照復合材料理論計算FRP材料與型鋼的體積比。

所述型鋼先通過浸膠，再通過拉擠熱固化成型工藝將FRP成型并固化到閉口型鋼的內外表面。

拉擠成型工藝采用與閉口型鋼形狀相對應的成型模具。

一種內嵌閉口型鋼的FRP復合結構的制備工藝為：送紗→纖維浸膠→型鋼浸膠→纖維集束→型鋼置入→通過模具拉擠成型→熱固化成型→切割成所需成品。

通過拉擠熱固化成型工藝將FRP固化在型鋼內外表面，使型鋼與FRP能夠共同受力；內嵌閉口型鋼的FRP復合結構承受荷載的過程如下，在初始階段，型鋼保證本結構具有較高的剛度；型鋼屈服后，該復合結構仍具有明顯的剛度和承載能力；隨著荷載增大，FRP中的纖維達到其極限拉應變發生斷裂，型鋼繼續承載直到破壞，使該FRP復合結構具有良好的延性。外部FRP保護內嵌型鋼免受環境腐蝕。此FRP復合結構綜合了鋼材的高彈性模量、高延性和FRP的高強度、耐腐蝕優點，具有良好的應用前景。本結構適用于對耐腐蝕性要求高的鋼結構中。

附圖說明

圖1是一種內嵌箱形鋼的FRP復合結構示意圖；

圖2是圖1構件的橫截面圖。

具體實施方式

箱形鋼為閉口型鋼的一種形式，下面以箱形鋼為例，結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行詳細的闡述。

如圖1和圖2所示，本實例提供一種內嵌箱形鋼的FRP復合結構，包括箱形鋼1、緊固在箱形鋼1外的FRP層2。

將浸潤環氧樹脂的箱形鋼和纖維束按照一定比例一起送入拉擠模具，然后采用熱固化工藝進行固化成型。所述纖維束與加熱固化后的環氧樹脂基體的體積比為2-3。所述的FRP層2截面積占內嵌箱箱形鋼的FRP復合結構的總截面積的35-40％。

FRP通過拉擠成型工藝固化在箱形鋼外部，成型模具為箱形模具。

內嵌箱形鋼的FRP結構主要制備工藝為：送紗→纖維浸膠→箱形鋼浸膠→纖維集束→箱形鋼置入→通過模具拉擠成型→熱固化成型→切割成所需成品。

本發明一種內嵌閉口型鋼的FRP復合結構采用傳統拉擠熱固化成型工藝，設備改造要求不大，可在現行的拉擠設備上進行生產，應用前景廣泛。