组合型钢内核纤维材料填充frp的防屈曲耗能支撑的制作方法
【专利摘要】组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，支撑内核截面以角钢、槽钢、工字型钢、H型钢、钢管、钢板、T型钢、冷弯薄壁型钢等为基本构件，根据工程需要设计以及格构式等各种各样的组合型钢内芯形成。FRP横向包裹包裹在竹纤维填充料的外围周向，在FRP横向包裹周向端部再次用端部钢管局部增强结构进行加强，所述端部钢管局部增强结构外围与焊接缀板连接。各竹纤维填充料采用改性纤维胶粘剂进行胶粘制作；在内核钢芯粘贴聚乙烯材料并外涂硅胶，木纤维填充料设置在竹纤维填充料与内核钢芯之间的空间处；加强端板设置在支撑的两端部，支撑的两端部采用铰接形式或固接形式与框架结构连接。通过竹木的组合结构，使设计的支撑力学性能更佳。
【专利说明】
组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种防屈曲耗能支撑，内填材料为竹纤维或木纤维材料，外部包裹采用FRP材料(如:玻璃纤维复合材料等)来进行刚度上的约束，并在端部采用圆形钢管、纤维材料等形式进行局部增强，属于结构工程抗震涉及领域。
【背景技术】
[0002]我国竹类、木类资源丰富，用竹材、木材作结构材料具有绿色、环保的优势，实现可持续发展上的创新。通过将竹纤维或木纤维材料作为支撑试件的填充材料，不仅在保证支撑具备足够强度的同时，也可减小支撑自身的质量，完成环保、轻质的支撑设计。采用多层竹纤维或木纤维材料填充作为支撑钢芯的约束，在力学性能上为支撑提供足够的约束刚度，同时支撑的质量也比较轻;为进一步巩固竹纤维或木纤维材料的填充效果，在竹纤维或木纤维填充材料的外部采用FRP纤维布进行横向的包裹，以及端部圆形钢管的局部增强，以保证外部约束的层层套箍，保障支撑外部的约束力。FRP外包充分利用了纤维材料自身的高强度，轻质量，耐腐蚀的优势性能，实现FRP纤维复合材料与传统材料的组合使用，让支撑具备轻质、高效，便于工业化生产的优势；另外，在支撑端部采用圆形钢管再次进行局部上的增强(或采用FRP纤维复合材料缠绕增强)，防止可能始于支撑两端的撕裂破坏。局部上设计的增强，使支撑在重量变化不大的情况下，使整个防屈曲耗能支撑的承载能力、抗震延性能获得一定保障。竹纤维或木纤维材料与FRP纤维材料形成的多重约束机制，有效、系统地实现了组合型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑对减震耗能的需求。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是设计支撑约束屈服段的内核芯材采用组合型钢，截面根据需要可选择单一的角钢、槽钢、一字型及十字型等型钢类型，也可选择T型、H型、方口型、格构式组合型钢及角钢交错型钢等形式，而外部的约束机制选取竹纤维或木纤维材料、FRP纤维材料及钢管端部加固(或采用FRP纤维复合材料缠绕增强)的组合方式。如果条件允许，也可以采用钢管整体外包，或FRP纤维材料整体外包的形式，可获得更佳的约束效果。支撑的截面可以根据实际工程需要，设计成方型、圆型、菱形或三角形。竹纤维或木纤维材料之间采用改性纤维胶粘剂进行粘结，形成竹纤维或木纤维填充块，以获得良好的套箍效果。在支撑钢内芯与竹纤维或木纤维填充材料之间，粘贴聚乙烯材料并外涂硅胶(或采用钙基润滑脂加聚乙烯薄膜作为无粘结材料)，以保证内核钢芯与竹纤维或木纤维填充料之间的无粘结接触。支撑竹纤维或木纤维材料约束的外部采用横向交错搭接的FRP纤维增强复合材料包裹，使得竹纤维或木纤维填充料可获得良好的套箍效果，外包的横向FRP纤维材料，可以按照工程需要进行布置，如:采用(90+45/30+90)或(90+90+45/30)等布置方式。在支撑端部约六分点的位置再次采用圆形钢管进行局部增强，也可采用FRP纤维复合材料缠绕增强，以避免端部出现局部应力集中，以及支撑局部的屈曲失稳。这种端部的设计可防止支撑局部出现的鼓起或纤维达到极限应力而发生的撕裂，造成试件失效。支撑试件的每一层外包纤维增强布，采用改性纤维胶粘剂进行胶粘，需通过严格的制作工艺保证胶粘质量。在条件允许的情况下，采用统一的木材或竹材作为填充料，便于形成整体的填料，材料的力学性能更稳定。如果设计条件受到限制，如采用某些型钢的内芯，由于型钢截面具有一定弧度，可能会造成制作处粘结强度不够紧密，容易形成间隙。为了解决竹纤维材料弯曲弧度受限的问题， 可采用竹材和木材组合的形式进行设计，组合方式充分利用木材便于制作，宜加工成弧形形状。竹材和木材的组合可以自由、大胆设定，不受限制，但需根据设计采用钢芯形式和外包约束形式进行自由设计，以便得到自己想要的理想截面，这种竹木组合的方式，灵活度高，制作简便，完全能将基础层面的理念，在工程实践中解决掉，实现了新型竹木组合结构的实践性。因此，采用木材与竹材结合的方式，可以有效地解决密实度问题，既利用木材便于加工的优势(采用花梨木等高硬度木材)，又可利用竹材力学性能好的优势，使轻质支撑的设计理念得以实现。新型竹木组合结构，制作工艺简单、操作方便。在设计新型竹木结构支撑时的注意问题、把握原则:尽可能采用同一种材料，以保证材料的相关性，使得填充材料具有一样的泊松比、弹性模量、温度线膨胀系数等等;在圆弧处采用木材，其余地方采用竹材，力学性能更好;木材和竹材的比例尽量均衡，有条件的话做成大块，如果设计条件限制，则采用小型的局部连接构件;为了使设计截面更加精细，每层竹材与每层木材之间，可采用交错重叠，层层环绕的布置原则，如:层层包裹的方式。总之，通过竹木的组合结构，使设计的支撑力学性能更佳。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是组合型钢内核纤维材料填充FRP 的防屈曲耗能支撑，支撑内核截面以角钢、槽钢、工字型钢、H型钢、钢管、钢板、T型钢、冷弯薄壁型钢等为基本构件，根据工程需要设计成T型、H型、L型、[型等实腹式，以及格构式等各种各样的组合型钢内芯，如:型刚、钢板焊接的组合截面，型钢与型钢、型钢和钢板实腹式的组合截面，以及格构式的组合截面形成。
[0005]该支撑包括端部钢管局部增强结构1、FRP横向包裹2、竹纤维填充料3、聚乙烯材料并外涂硅胶4、内核钢芯5、加强端板6、改性纤维胶粘剂7、焊接缀板8、外包方钢块9、钢板10、 槽钢11、木纤维填充料12; FRP横向包裹2包裹在竹纤维填充料3的外围周向，在FRP横向包裹 2周向端部再次用端部钢管局部增强结构1进行加强，所述端部钢管局部增强结构1外围与焊接缀板8连接。各竹纤维填充料3采用改性纤维胶粘剂7进行胶粘制作，以保证填充料整体的作用效果;在内核钢芯5粘贴聚乙烯材料并外涂硅胶4,以保证内核钢芯5与竹纤维填充料 3之间的无粘结接触，木纤维填充料12设置在竹纤维填充料3与内核钢芯5之间的空间处;加强端板6设置在支撑的两端部，支撑的两端部采用铰接形式或固接形式与框架结构连接。钢板10焊接在内核钢芯5水平方向的端部两侧，槽钢11焊接在内核钢芯5竖直方向的端部两侦I钢板10、槽钢11相配合组成内核钢芯5的端部增强结构;外包方钢块9设置在端部钢管局部增强结构1对角处。
[0006]内核钢芯5端部连接过渡段的长度和竹纤维或木纤维填充料3的搭接长度，根据需要形成三种不同的构造方式: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胶4能用钙基润滑脂加聚乙烯薄膜替换。
[0008]所述内核钢芯5为T型或H型或方口型或格构式组合型钢或角钢交错型钢。
[0009]外包方钢块9与端部钢管局部增强结构1之间采用直角连接或圆弧型连接或螺栓连接。
【附图说明】
[0010]图1为T型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑(内核由两个角钢切割构成)俯视图。
[0011]图2为H型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑(内核可由两个槽钢切割构成)俯视图。
[0012]图3为方口型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑(内核由两个角钢或槽钢切割构成)俯视图。
[0013]图4为格构式组合型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑(内核由钢板与槽钢切割组合构成)俯视图。
[0014]图5为角钢交错型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑(内核由两个角钢切割构成)俯视图。
[0015]图6为组合型钢内核(T型、H型、方口型和格构式组合型钢)纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑主视图。
[0016]图7为角钢交错型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑主视图。
[0017]图8T型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑A-A截面细部尺寸。
[0018]图9H型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑A-A截面细部尺寸。
[0019]图10方口型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑A-A截面细部尺寸。
[0020]图11格构式组合型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑A-A截面细部尺寸。
[0021]图12角钢交错型钢内核纤维材料填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑A-A截面细部尺寸
[0022]图中:1-端部钢管局部增强结构；2-FRP横向包裹;3-竹纤维填充料;4-聚乙烯材料并外涂硅胶;5-内核钢芯;6-加强端板;7-改性纤维胶粘剂;8-焊接缀板;9-外包方钢块;10-钢板;11-槽钢;12-木纤维填充料。
【具体实施方式】
[0023]组合型钢内核竹纤维或木纤维填充FRP外包端部增强防屈曲耗能支撑制作的质量要求:型钢内芯进行制作时，必须保证型钢切割加工到位，保证型钢连接的焊接质量，减少焊接残余应力的影响，提高内芯截面的低周疲劳性能。内核钢芯表面的机械加工，须按设计要求控制表面的光洁度，钢材直度和截面扭曲度的误差应不能超过l/1000/m、0.5/m的数值;竹纤维或木纤维材料表面的打磨，可采用平砂轮将竹纤维或木纤维材料表面打出光泽，打磨粗糙度越大越好，打磨纹路应与构件受力的方向垂直，以保证竹纤维或木纤维材料之间，及竹纤维或木纤维材料和FRP纤维布之间的粘结质量;为给钢芯材料的多波屈曲变形创造条件，在内核钢芯粘贴2_3mm聚乙烯材料并涂抹硅胶(或采用钙基润滑脂加聚乙烯薄膜作为无粘结材料)，保证组合型钢内核与竹纤维或木纤维填充料之间的无粘结接触;FRP横向的包裹可采用FRP机器缠绕或FRP纤维布粘贴成型的工艺，制作前需用G型木工夹定位进行临时的固定，以保证支撑组件的紧密度。
[0024]竹纤维或木纤维材料加工和竹纤维或木纤维材料之间的粘结工艺[〇〇25] 1竹纤维或木纤维材料的厚度可根据设计进行选取，采用材料万能切割机进行外形切割，并保证切割工艺的质量。
[0026]2竹纤维或木纤维材料表面处理:用砂轮机磨竹纤维或木纤维材料的表面，除去表面杂质，然后吹掉竹纤维或木纤维材料表面的碎肩，再用酒精对竹纤维或木纤维材料进行擦拭。待竹纤维或木纤维材料表面的酒精干燥以后，再用配合好的改性纤维胶粘剂涂竹纤维或木纤维材料表面。
[0027]3粘贴竹纤维或木纤维材料:粘贴工艺需保证足够的强度，使竹纤维或木纤维材料之间充分接触，可采用重物法进行加压，压紧使其达到设计的粘结强度，加压时间原则上不能低于3天。[〇〇28] FRP纤维包裹施工工艺:[〇〇29] FRP纤维横向缠绕成型工艺。
[0030] 1对型钢芯材、竹纤维或木纤维材料填充材料进行整体拼装、定位。
[0031]2用缠绕机按30/45/90的方向，对定位支撑试件进行横向缠绕作业。
[0032]3缠绕作业根据需要按照不同的起、终点位置，进行来回往复横向缠绕，直到达到所设计的缠绕厚度。[〇〇33]4对缠绕后的支撑试件进行固化作业，保证横向缠绕工艺的精致效果。[〇〇34] FRP纤维布横向粘贴成型工艺。[〇〇35] 1基层处理:进行竹纤维或木纤维材料基层表面的处理，去掉竹材或木材四周表面的局部缺陷，如:缺口、刻痕、裂纹等，用酒精清洗竹纤维或木纤维材料表面。
[0036]2打磨工艺。用树脂腻子或砂轮加工平滑，进行竹纤维或木纤维材料表层粗糙度处理，再脱脂棉沾丙酮进行擦净。[〇〇37]3支撑的整体拼装、定位。在进行FRP纤维布包裹工序之前，用G型木工夹定位进行临时固定，避免支撑组件在包裹时产生滑移，然后完成FRP纤维布的多层次包裹工艺。[〇〇38] 4FRP纤维布粘贴包裹工序[〇〇39](1)涂抹粘结剂:采用改性纤维胶粘剂作为裁剪好的FRP纤维布的胶粘剂，进行FRP纤维布与竹纤维或木纤维材料之间的胶粘，可采用毛刷或抹刀均匀涂抹在竹纤维或木纤维材料的表面。
[0040](2)粘结面紧致:为使FRP纤维布和竹纤维或木纤维材料之间紧密粘结，可用在粘贴后用手锤沿粘结面轻轻地进行敲打，沿竹纤维或木纤维受力的方向敲击，赶走里面气泡， 并养护24小时以上。
[0041](3)在完成横向FRP纤维布的包裹之后，对支撑局部两端再次按照上述工艺，重复进行操作，直至达到粘结面所需的紧致效果，以完成支撑的局部增强，使支撑具有足够的位移行走量，更高的耗能水平。
【主权项】
1.组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，其特征在于:该支撑包括端部钢 管局部增强结构(1)、FRP横向包裹(2)、竹纤维填充料(3)、聚乙烯材料并外涂硅胶(4)、内核 钢芯(5)、加强端板(6)、改性纤维胶粘剂(7)、焊接缀板(8)、外包方钢块(9)、钢板(10)、槽钢 (11)、木纤维填充料(12); FRP横向包裹(2)包裹在竹纤维填充料(3)的外围周向，在FRP横向 包裹(2)周向端部再次用端部钢管局部增强结构(1)进行加强，所述端部钢管局部增强结构 (1)外围与焊接缀板(8)连接;各竹纤维填充料(3)采用改性纤维胶粘剂(7)进行胶粘制作， 以保证填充料整体的作用效果;在内核钢芯(5)粘贴聚乙烯材料并外涂硅胶(4)，木纤维填 充料(12)设置在竹纤维填充料(3)与内核钢芯(5)之间的空间处;加强端板(6)设置在支撑 的两端部，支撑的两端部采用铰接形式或固接形式与框架结构连接;钢板(10)焊接在内核 钢芯(5)水平方向的端部两侧，槽钢(11)焊接在内核钢芯(5)竖直方向的端部两侧，钢板 (10)、槽钢(11)相配合组成内核钢芯(5)的端部增强结构;外包方钢块(9)设置在端部钢管 局部增强结构(1)对角处。2.根据权利要求1所述的组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，其特征在 于:内核钢芯(5)端部连接过渡段的长度和竹纤维或木纤维填充料(3)的搭接长度，根据需 要形成三种不同的构造方式:端部不搭接方式、端部部分搭接方式和完全搭接方式。3.根据权利要求1所述的组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，其特征在 于:所述聚乙烯材料并外涂硅胶(4)能用钙基润滑脂加聚乙烯薄膜替换。4.根据权利要求1所述的组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，其特征在 于:所述内核钢芯(5)为T型或H型或方口型或格构式组合型钢或角钢交错型钢。5.根据权利要求1所述的组合型钢内核纤维材料填充FRP的防屈曲耗能支撑，其特征在 于:外包方钢块(9)与端部钢管局部增强结构(1)之间采用直角连接或圆弧型连接或螺栓连 接。
【文档编号】E04B1/98GK205604508SQ201620259298
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】黄民元
【申请人】黄民元