組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充frp的防屈曲耗能支撐的制作方法
【專利摘要】組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，支撐內(nèi)核截面以角鋼、槽鋼、工字型鋼、H型鋼、鋼管、鋼板、T型鋼、冷彎薄壁型鋼等為基本構(gòu)件，根據(jù)工程需要設(shè)計以及格構(gòu)式等各種各樣的組合型鋼內(nèi)芯形成。FRP橫向包裹包裹在竹纖維填充料的外圍周向，在FRP橫向包裹周向端部再次用端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，所述端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍與焊接綴板連接。各竹纖維填充料采用改性纖維膠粘劑進(jìn)行膠粘制作；在內(nèi)核鋼芯粘貼聚乙烯材料并外涂硅膠，木纖維填充料設(shè)置在竹纖維填充料與內(nèi)核鋼芯之間的空間處；加強(qiáng)端板設(shè)置在支撐的兩端部，支撐的兩端部采用鉸接形式或固接形式與框架結(jié)構(gòu)連接。通過竹木的組合結(jié)構(gòu)，使設(shè)計的支撐力學(xué)性能更佳。
【專利說明】
組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種防屈曲耗能支撐，內(nèi)填材料為竹纖維或木纖維材料，外部包裹采用FRP材料(如:玻璃纖維復(fù)合材料等)來進(jìn)行剛度上的約束，并在端部采用圓形鋼管、纖維材料等形式進(jìn)行局部增強(qiáng)，屬于結(jié)構(gòu)工程抗震涉及領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國竹類、木類資源豐富，用竹材、木材作結(jié)構(gòu)材料具有綠色、環(huán)保的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展上的創(chuàng)新。通過將竹纖維或木纖維材料作為支撐試件的填充材料，不僅在保證支撐具備足夠強(qiáng)度的同時，也可減小支撐自身的質(zhì)量，完成環(huán)保、輕質(zhì)的支撐設(shè)計。采用多層竹纖維或木纖維材料填充作為支撐鋼芯的約束，在力學(xué)性能上為支撐提供足夠的約束剛度，同時支撐的質(zhì)量也比較輕;為進(jìn)一步鞏固竹纖維或木纖維材料的填充效果，在竹纖維或木纖維填充材料的外部采用FRP纖維布進(jìn)行橫向的包裹，以及端部圓形鋼管的局部增強(qiáng)，以保證外部約束的層層套箍，保障支撐外部的約束力。FRP外包充分利用了纖維材料自身的高強(qiáng)度，輕質(zhì)量，耐腐蝕的優(yōu)勢性能，實(shí)現(xiàn)FRP纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料的組合使用，讓支撐具備輕質(zhì)、高效，便于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢；另外，在支撐端部采用圓形鋼管再次進(jìn)行局部上的增強(qiáng)(或采用FRP纖維復(fù)合材料纏繞增強(qiáng))，防止可能始于支撐兩端的撕裂破壞。局部上設(shè)計的增強(qiáng)，使支撐在重量變化不大的情況下，使整個防屈曲耗能支撐的承載能力、抗震延性能獲得一定保障。竹纖維或木纖維材料與FRP纖維材料形成的多重約束機(jī)制，有效、系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐對減震耗能的需求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計支撐約束屈服段的內(nèi)核芯材采用組合型鋼，截面根據(jù)需要可選擇單一的角鋼、槽鋼、一字型及十字型等型鋼類型，也可選擇T型、H型、方口型、格構(gòu)式組合型鋼及角鋼交錯型鋼等形式，而外部的約束機(jī)制選取竹纖維或木纖維材料、FRP纖維材料及鋼管端部加固(或采用FRP纖維復(fù)合材料纏繞增強(qiáng))的組合方式。如果條件允許，也可以采用鋼管整體外包，或FRP纖維材料整體外包的形式，可獲得更佳的約束效果。支撐的截面可以根據(jù)實(shí)際工程需要，設(shè)計成方型、圓型、菱形或三角形。竹纖維或木纖維材料之間采用改性纖維膠粘劑進(jìn)行粘結(jié)，形成竹纖維或木纖維填充塊，以獲得良好的套箍效果。在支撐鋼內(nèi)芯與竹纖維或木纖維填充材料之間，粘貼聚乙烯材料并外涂硅膠(或采用鈣基潤滑脂加聚乙烯薄膜作為無粘結(jié)材料)，以保證內(nèi)核鋼芯與竹纖維或木纖維填充料之間的無粘結(jié)接觸。支撐竹纖維或木纖維材料約束的外部采用橫向交錯搭接的FRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹，使得竹纖維或木纖維填充料可獲得良好的套箍效果，外包的橫向FRP纖維材料，可以按照工程需要進(jìn)行布置，如:采用(90+45/30+90)或(90+90+45/30)等布置方式。在支撐端部約六分點(diǎn)的位置再次采用圓形鋼管進(jìn)行局部增強(qiáng)，也可采用FRP纖維復(fù)合材料纏繞增強(qiáng)，以避免端部出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，以及支撐局部的屈曲失穩(wěn)。這種端部的設(shè)計可防止支撐局部出現(xiàn)的鼓起或纖維達(dá)到極限應(yīng)力而發(fā)生的撕裂，造成試件失效。支撐試件的每一層外包纖維增強(qiáng)布，采用改性纖維膠粘劑進(jìn)行膠粘，需通過嚴(yán)格的制作工藝保證膠粘質(zhì)量。在條件允許的情況下，采用統(tǒng)一的木材或竹材作為填充料，便于形成整體的填料，材料的力學(xué)性能更穩(wěn)定。如果設(shè)計條件受到限制，如采用某些型鋼的內(nèi)芯，由于型鋼截面具有一定弧度，可能會造成制作處粘結(jié)強(qiáng)度不夠緊密，容易形成間隙。為了解決竹纖維材料彎曲弧度受限的問題， 可采用竹材和木材組合的形式進(jìn)行設(shè)計，組合方式充分利用木材便于制作，宜加工成弧形形狀。竹材和木材的組合可以自由、大膽設(shè)定，不受限制，但需根據(jù)設(shè)計采用鋼芯形式和外包約束形式進(jìn)行自由設(shè)計，以便得到自己想要的理想截面，這種竹木組合的方式，靈活度高，制作簡便，完全能將基礎(chǔ)層面的理念，在工程實(shí)踐中解決掉，實(shí)現(xiàn)了新型竹木組合結(jié)構(gòu)的實(shí)踐性。因此，采用木材與竹材結(jié)合的方式，可以有效地解決密實(shí)度問題，既利用木材便于加工的優(yōu)勢(采用花梨木等高硬度木材)，又可利用竹材力學(xué)性能好的優(yōu)勢，使輕質(zhì)支撐的設(shè)計理念得以實(shí)現(xiàn)。新型竹木組合結(jié)構(gòu)，制作工藝簡單、操作方便。在設(shè)計新型竹木結(jié)構(gòu)支撐時的注意問題、把握原則:盡可能采用同一種材料，以保證材料的相關(guān)性，使得填充材料具有一樣的泊松比、彈性模量、溫度線膨脹系數(shù)等等;在圓弧處采用木材，其余地方采用竹材，力學(xué)性能更好;木材和竹材的比例盡量均衡，有條件的話做成大塊，如果設(shè)計條件限制，則采用小型的局部連接構(gòu)件;為了使設(shè)計截面更加精細(xì)，每層竹材與每層木材之間，可采用交錯重疊，層層環(huán)繞的布置原則，如:層層包裹的方式?？傊?，通過竹木的組合結(jié)構(gòu)，使設(shè)計的支撐力學(xué)性能更佳。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP 的防屈曲耗能支撐，支撐內(nèi)核截面以角鋼、槽鋼、工字型鋼、H型鋼、鋼管、鋼板、T型鋼、冷彎薄壁型鋼等為基本構(gòu)件，根據(jù)工程需要設(shè)計成T型、H型、L型、[型等實(shí)腹式，以及格構(gòu)式等各種各樣的組合型鋼內(nèi)芯，如:型剛、鋼板焊接的組合截面，型鋼與型鋼、型鋼和鋼板實(shí)腹式的組合截面，以及格構(gòu)式的組合截面形成。
[0005]該支撐包括端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1、FRP橫向包裹2、竹纖維填充料3、聚乙烯材料并外涂硅膠4、內(nèi)核鋼芯5、加強(qiáng)端板6、改性纖維膠粘劑7、焊接綴板8、外包方鋼塊9、鋼板10、 槽鋼11、木纖維填充料12; FRP橫向包裹2包裹在竹纖維填充料3的外圍周向，在FRP橫向包裹 2周向端部再次用端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1進(jìn)行加強(qiáng)，所述端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1外圍與焊接綴板8連接。各竹纖維填充料3采用改性纖維膠粘劑7進(jìn)行膠粘制作，以保證填充料整體的作用效果;在內(nèi)核鋼芯5粘貼聚乙烯材料并外涂硅膠4,以保證內(nèi)核鋼芯5與竹纖維填充料 3之間的無粘結(jié)接觸，木纖維填充料12設(shè)置在竹纖維填充料3與內(nèi)核鋼芯5之間的空間處;加強(qiáng)端板6設(shè)置在支撐的兩端部，支撐的兩端部采用鉸接形式或固接形式與框架結(jié)構(gòu)連接。鋼板10焊接在內(nèi)核鋼芯5水平方向的端部兩側(cè)，槽鋼11焊接在內(nèi)核鋼芯5豎直方向的端部兩偵I鋼板10、槽鋼11相配合組成內(nèi)核鋼芯5的端部增強(qiáng)結(jié)構(gòu);外包方鋼塊9設(shè)置在端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1對角處。
[0006]內(nèi)核鋼芯5端部連接過渡段的長度和竹纖維或木纖維填充料3的搭接長度，根據(jù)需要形成三種不同的構(gòu)造方式:端部不搭接方式、端部部分搭接方式和完全搭接方式。
[0007]所述聚乙烯材料并外涂硅膠4能用鈣基潤滑脂加聚乙烯薄膜替換。
[0008]所述內(nèi)核鋼芯5為T型或H型或方口型或格構(gòu)式組合型鋼或角鋼交錯型鋼。
[0009]外包方鋼塊9與端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)1之間采用直角連接或圓弧型連接或螺栓連接。
【附圖說明】
[0010]圖1為T型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐(內(nèi)核由兩個角鋼切割構(gòu)成)俯視圖。
[0011]圖2為H型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐(內(nèi)核可由兩個槽鋼切割構(gòu)成)俯視圖。
[0012]圖3為方口型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐(內(nèi)核由兩個角鋼或槽鋼切割構(gòu)成)俯視圖。
[0013]圖4為格構(gòu)式組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐(內(nèi)核由鋼板與槽鋼切割組合構(gòu)成)俯視圖。
[0014]圖5為角鋼交錯型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐(內(nèi)核由兩個角鋼切割構(gòu)成)俯視圖。
[0015]圖6為組合型鋼內(nèi)核(T型、H型、方口型和格構(gòu)式組合型鋼)纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐主視圖。
[0016]圖7為角鋼交錯型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐主視圖。
[0017]圖8T型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐A-A截面細(xì)部尺寸。
[0018]圖9H型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐A-A截面細(xì)部尺寸。
[0019]圖10方口型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐A-A截面細(xì)部尺寸。
[0020]圖11格構(gòu)式組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐A-A截面細(xì)部尺寸。
[0021]圖12角鋼交錯型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐A-A截面細(xì)部尺寸
[0022]圖中:1-端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；2-FRP橫向包裹;3-竹纖維填充料;4-聚乙烯材料并外涂硅膠;5-內(nèi)核鋼芯;6-加強(qiáng)端板;7-改性纖維膠粘劑;8-焊接綴板;9-外包方鋼塊;10-鋼板;11-槽鋼;12-木纖維填充料。
【具體實(shí)施方式】
[0023]組合型鋼內(nèi)核竹纖維或木纖維填充FRP外包端部增強(qiáng)防屈曲耗能支撐制作的質(zhì)量要求:型鋼內(nèi)芯進(jìn)行制作時，必須保證型鋼切割加工到位，保證型鋼連接的焊接質(zhì)量，減少焊接殘余應(yīng)力的影響，提高內(nèi)芯截面的低周疲勞性能。內(nèi)核鋼芯表面的機(jī)械加工，須按設(shè)計要求控制表面的光潔度，鋼材直度和截面扭曲度的誤差應(yīng)不能超過l/1000/m、0.5/m的數(shù)值;竹纖維或木纖維材料表面的打磨，可采用平砂輪將竹纖維或木纖維材料表面打出光澤，打磨粗糙度越大越好，打磨紋路應(yīng)與構(gòu)件受力的方向垂直，以保證竹纖維或木纖維材料之間，及竹纖維或木纖維材料和FRP纖維布之間的粘結(jié)質(zhì)量;為給鋼芯材料的多波屈曲變形創(chuàng)造條件，在內(nèi)核鋼芯粘貼2_3mm聚乙烯材料并涂抹硅膠(或采用鈣基潤滑脂加聚乙烯薄膜作為無粘結(jié)材料)，保證組合型鋼內(nèi)核與竹纖維或木纖維填充料之間的無粘結(jié)接觸;FRP橫向的包裹可采用FRP機(jī)器纏繞或FRP纖維布粘貼成型的工藝，制作前需用G型木工夾定位進(jìn)行臨時的固定，以保證支撐組件的緊密度。
[0024]竹纖維或木纖維材料加工和竹纖維或木纖維材料之間的粘結(jié)工藝[〇〇25] 1竹纖維或木纖維材料的厚度可根據(jù)設(shè)計進(jìn)行選取，采用材料萬能切割機(jī)進(jìn)行外形切割，并保證切割工藝的質(zhì)量。
[0026]2竹纖維或木纖維材料表面處理:用砂輪機(jī)磨竹纖維或木纖維材料的表面，除去表面雜質(zhì)，然后吹掉竹纖維或木纖維材料表面的碎肩，再用酒精對竹纖維或木纖維材料進(jìn)行擦拭。待竹纖維或木纖維材料表面的酒精干燥以后，再用配合好的改性纖維膠粘劑涂竹纖維或木纖維材料表面。
[0027]3粘貼竹纖維或木纖維材料:粘貼工藝需保證足夠的強(qiáng)度，使竹纖維或木纖維材料之間充分接觸，可采用重物法進(jìn)行加壓，壓緊使其達(dá)到設(shè)計的粘結(jié)強(qiáng)度，加壓時間原則上不能低于3天。[〇〇28] FRP纖維包裹施工工藝:[〇〇29] FRP纖維橫向纏繞成型工藝。
[0030] 1對型鋼芯材、竹纖維或木纖維材料填充材料進(jìn)行整體拼裝、定位。
[0031]2用纏繞機(jī)按30/45/90的方向，對定位支撐試件進(jìn)行橫向纏繞作業(yè)。
[0032]3纏繞作業(yè)根據(jù)需要按照不同的起、終點(diǎn)位置，進(jìn)行來回往復(fù)橫向纏繞，直到達(dá)到所設(shè)計的纏繞厚度。[〇〇33]4對纏繞后的支撐試件進(jìn)行固化作業(yè)，保證橫向纏繞工藝的精致效果。[〇〇34] FRP纖維布橫向粘貼成型工藝。[〇〇35] 1基層處理:進(jìn)行竹纖維或木纖維材料基層表面的處理，去掉竹材或木材四周表面的局部缺陷，如:缺口、刻痕、裂紋等，用酒精清洗竹纖維或木纖維材料表面。
[0036]2打磨工藝。用樹脂膩?zhàn)踊蛏拜喖庸て交?，進(jìn)行竹纖維或木纖維材料表層粗糙度處理，再脫脂棉沾丙酮進(jìn)行擦凈。[〇〇37]3支撐的整體拼裝、定位。在進(jìn)行FRP纖維布包裹工序之前，用G型木工夾定位進(jìn)行臨時固定，避免支撐組件在包裹時產(chǎn)生滑移，然后完成FRP纖維布的多層次包裹工藝。[〇〇38] 4FRP纖維布粘貼包裹工序[〇〇39](1)涂抹粘結(jié)劑:采用改性纖維膠粘劑作為裁剪好的FRP纖維布的膠粘劑，進(jìn)行FRP纖維布與竹纖維或木纖維材料之間的膠粘，可采用毛刷或抹刀均勻涂抹在竹纖維或木纖維材料的表面。
[0040](2)粘結(jié)面緊致:為使FRP纖維布和竹纖維或木纖維材料之間緊密粘結(jié)，可用在粘貼后用手錘沿粘結(jié)面輕輕地進(jìn)行敲打，沿竹纖維或木纖維受力的方向敲擊，趕走里面氣泡， 并養(yǎng)護(hù)24小時以上。
[0041](3)在完成橫向FRP纖維布的包裹之后，對支撐局部兩端再次按照上述工藝，重復(fù)進(jìn)行操作，直至達(dá)到粘結(jié)面所需的緊致效果，以完成支撐的局部增強(qiáng)，使支撐具有足夠的位移行走量，更高的耗能水平。
【主權(quán)項】
1.組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，其特征在于:該支撐包括端部鋼 管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(1)、FRP橫向包裹(2)、竹纖維填充料(3)、聚乙烯材料并外涂硅膠(4)、內(nèi)核 鋼芯(5)、加強(qiáng)端板(6)、改性纖維膠粘劑(7)、焊接綴板(8)、外包方鋼塊(9)、鋼板(10)、槽鋼 (11)、木纖維填充料(12); FRP橫向包裹(2)包裹在竹纖維填充料(3)的外圍周向，在FRP橫向 包裹(2)周向端部再次用端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(1)進(jìn)行加強(qiáng)，所述端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu) (1)外圍與焊接綴板(8)連接;各竹纖維填充料(3)采用改性纖維膠粘劑(7)進(jìn)行膠粘制作， 以保證填充料整體的作用效果;在內(nèi)核鋼芯(5)粘貼聚乙烯材料并外涂硅膠(4)，木纖維填 充料(12)設(shè)置在竹纖維填充料(3)與內(nèi)核鋼芯(5)之間的空間處;加強(qiáng)端板(6)設(shè)置在支撐 的兩端部，支撐的兩端部采用鉸接形式或固接形式與框架結(jié)構(gòu)連接;鋼板(10)焊接在內(nèi)核 鋼芯(5)水平方向的端部兩側(cè)，槽鋼(11)焊接在內(nèi)核鋼芯(5)豎直方向的端部兩側(cè)，鋼板 (10)、槽鋼(11)相配合組成內(nèi)核鋼芯(5)的端部增強(qiáng)結(jié)構(gòu);外包方鋼塊(9)設(shè)置在端部鋼管 局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(1)對角處。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，其特征在 于:內(nèi)核鋼芯(5)端部連接過渡段的長度和竹纖維或木纖維填充料(3)的搭接長度，根據(jù)需 要形成三種不同的構(gòu)造方式:端部不搭接方式、端部部分搭接方式和完全搭接方式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，其特征在 于:所述聚乙烯材料并外涂硅膠(4)能用鈣基潤滑脂加聚乙烯薄膜替換。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，其特征在 于:所述內(nèi)核鋼芯(5)為T型或H型或方口型或格構(gòu)式組合型鋼或角鋼交錯型鋼。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型鋼內(nèi)核纖維材料填充FRP的防屈曲耗能支撐，其特征在 于:外包方鋼塊(9)與端部鋼管局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(1)之間采用直角連接或圓弧型連接或螺栓連 接。
【文檔編號】E04B1/98GK205604508SQ201620259298
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】黃民元
【申請人】黃民元