高性能frp锚杆的制造工艺及抗扭承载力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高性能纤维增强复合材料锚杆的制造工艺及承载力的计算方法。【背景技术】
[0002] 锚杆支护是煤矿护壁、隧道、土坡和基坑支护的重要形式。由于钢锚杆重量大且易 锈蚀，尤其是在煤矿支护中，钢材与金属工具、掘进机械或岩石的碰撞可能产生火花，引起 瓦斯爆炸事故。
[0003] 纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，简称FRP)筋由纤维和聚合物基 体两部分组成，属于各向异性材料，具有轻质高强、耐腐蚀、低松弛和抗疲劳性能好以及成 型工艺简单等优点，以FRP筋作为煤矿护壁、隧道、土坡和基坑支护结构中的锚杆，能够显 著提高锚杆支护的承载力和耐久性，具有良好的经济和社会效益。
[0004] 但是FRP锚杆安装过程中会受到扭矩的作用，扭矩在FRP筋的截面上产生剪切力。 由于FRP筋抗剪强度较低，安装过程中的FRP锚杆易发生受扭破坏。围绕FRP锚杆安装过 程中的受扭破坏问题，国内外已进行了相关研宄，例如，为了降低安装预紧过程中的扭矩， 在FRP筋锚杆的锚尾安装压痕金属套管。但是，锚尾安装压痕金属套管使锚尾部分的加工 复杂、成本较高且效率较低。因此，开发一种加工简单、抗扭性能好的高性能FRP锚杆对促 进FRP锚杆在支护工程中的应用具有重要意义。
[0005] 为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种科学的技术解决方案。
【发明内容】
[0006] 技术人员经过大量的分析和试验发现，将纤维带缠绕在FRP筋的表面能够一定程 度上提升FRP锚杆的抗扭能力。但是，实际工程使用中，FRP锚杆安装过程中的受扭破坏仍 时有发生，经过进一步的深入研宄发现了造成这一现象的原因是：FRP锚杆的FRP筋和缠绕 在其上的纤维带的整体性不够，在安装FRP锚杆时的协同性较差，无法相互支撑协同抗扭， 造成整体抗扭性能下降。因此，如何将纤维带和FRP筋牢固地结合在一起是提高FRP锚杆 抗扭性能的关键。
[0007] 同时，对不同材质的纤维带和FRP筋，无法按照设定的抗扭标准设计出高效且节 省成本的高性能FRP锚杆。表面纤维带的缠绕过多将降低FRP锚杆的抗拉强度，表面纤维 带的缠绕偏少则不足以提高FRP锚杆的抗扭承载力。因此，为了确定合适的纤维带缠绕量， 需经过大量的试生产，根本原因是缺乏高性能FRP锚杆抗扭承载力的计算方法。研宄发现， 通过计算分别确定纤维带承担的扭矩和FRP筋作为FRP锚杆的一部分参与抗扭的工作系数 a来解决FRP锚杆抗扭承载力的计算问题。其原理是，取绕设间距d(即相邻纤维带中心 的距离）的一段长度为研宄对象。对于纤维带承担的扭矩TF，首先测定纤维带抗拉强度fF， 然后将缠绕一圈的纤维带截面投影成一个圆环形截面，将拉力投影到该圆环形截面上，假 定纤维带均匀分布于筋材的表面（平均厚度即为A/d，其中A为纤维带截面积）。由于纤维 带厚度很小，拉力在纤维带厚度方向大小的差异非常小，可认为拉力在纤维带厚度方向上 均匀分布，其半径可近似取平均半径R〇;接着确定纤维带与垂直截面的夹角0。由于作用 在圆环微面积dA= (A/d)RQd0上的剪切力为fFcosMA/d)RQd0，其对FRP锚杆轴线0的 力矩为RQfFcos|3 (A/d)RQd9，所有环形微面积dA的力矩之和等于圆环形截面扭矩即一圈 纤维带承担的扭矩TF。对于FRP筋本身承担的扭矩，可根据试验确定其在纤维带达到抗拉 强度时承担的扭矩，通过拟合试验数据的方法得到该纤维带下的FRP筋作为高性能FRP锚 杆的一部分参与抗扭承载的工作系数a。引入工作系数a的原因在于：大量试验表明，当 FRP筋表面纤维带接近其抗拉强度时，FRP筋按照一定的比例介入抗扭承载，不同材质的纤 维带具有不同的工作系数a，比如，对常用的玻璃纤维带缠绕玻璃钢锚杆，a取0.42。在 表面纤维带接近其抗拉强度时，中心FRP筋承担的扭矩Tt=aTy将纤维带承担的扭矩和 中心FRP筋承担的扭矩相加，即可得到高性能FRP锚杆的抗扭承载力。
[0008] 本发明针对现有技术的不足，提供了 一种尚性能FRP销杆的制造工艺和尚性能 FRP锚杆抗扭承载力的计算方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：高性能FRP锚杆的制造工艺，包 括以下步骤：
[0010] 步骤1:制作纤维带：将用于制作纤维带的纤维束在浸胶槽中浸胶，然后加热固化 形成纤维带；
[0011] 步骤2、送纱：将用于制作FRP筋的纤维束从纱架中引出；
[0012] 步骤3、浸胶：步骤2中的纤维束进入浸胶槽中充分浸润；
[0013] 步骤4、成型：步骤3中经过浸胶的纤维束穿过穿纱板并且进入成型模具挤压成光 圆的FRP筋；
[0014] 步骤5、缠绕成肋：绕线轴将步骤1制作的纤维带均匀缠绕在FRP筋上形成高性能 FRP锚杆中间体；
[0015] 步骤6、加热固化：高性能FRP锚杆中间体进入加热通道加热固化形成高性能FRP 销杆。
[0016] 优选的，所述步骤1的纤维带为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维束 或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束，通过热固性树脂浸渍，并经加热固化后 制成。
[0017] 优选的，所述FRP筋中的纤维束为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维、碳纤维 束或至少两种上述纤维束的混杂形成的复合纤维束。
[0018] 本发明的高性能FRP锚杆的制造工艺步骤简单，生产成本低。所生产的高性能FRP 锚杆，纤维带通过热固性树脂高温固化在FPR筋上，由于热固性树脂高温固化后非常坚固， 大大增加了纤维带与FPR筋结合的紧密性和牢固性，使得纤维带紧紧缠绕固定在FRP筋上， FRP筋和缠绕在其上的纤维带整体性较好，在安装高性能FRP锚杆时纤维带与其包裹的FRP 筋相互支撑协同抗扭，增强了高性能FRP锚杆整体的抗扭性能。
[0019] 更进一步的，步骤1纤维带中的纤维束采用玻璃纤维束或玄武岩纤维束具有高延 伸率特性，能够提高峰值扭矩下的持荷时间，碳纤维束具有高抗拉强度特性，能够提高峰值 扭矩增加高性能FRP锚杆的抗扭承载力，高延伸率纤维束与高抗拉强度纤维束混杂能够提 高峰值扭矩下的持荷时间和高性能FRP锚杆的抗扭性能。
[0020] 高性能FRP锚杆的抗扭承载力计算方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤1、通过试验测试出纤维带的抗拉强度fF，测量计算出一圈纤维带投影形成的 圆环形截面的截面积A以及纤维带在FRP筋上的绕设间距d，测量出纤维带与FRP筋垂直截 面的夹角0，测量出高性能FRP锚杆的平均半径&并定义0为圆环形截面的圆心角，然后 通过公式计算出一圈纤维带即所承担的扭矩TF，公式为：
[0024] 步骤2、通过试验测试出无纤维带FRP筋本身的抗扭承载力I；，并通过试验数据拟 合的方式得出该纤维带条件下的FRP筋作为高性能FRP锚杆的一部分参与抗扭承载的工作 系数a ;表面纤维带接近其抗拉强度时，中心的FRP筋承担的扭矩Tt可按下式计算：
[0025] Tt= a T〇
[0026] 步骤3、高性能FRP销杆的抗扭承载力T可按下式计算：T=Tf+Tt。
[0027] 本发明的高性能FRP锚杆抗扭承载力计算方法，能够方便地计算高性能FRP锚杆 的抗扭承载力。对于设定的高性能FRP锚杆抗扭承载力，可以根据FRP筋和纤维带的种类 进行高性能FRP锚杆的优化设计，特别是对于已经确定的FRP筋和纤维带，可以预先设计出 最佳的绕设间距，以简化高性能FRP锚杆试生产过程。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明实施例中高性能FRP锚杆的结构示意图。
[0029] 图2是本发明实施例中纤维带的环向应力分布示意图。
[0030] 图3是本发明实施例中高性能FRP锚杆抗扭强度-时间曲线图。
[0031] 图4是本发明实施例中无纤维带FRP筋抗扭强度-时间曲线图。
[0032] 图中：1、FRP筋；2、纤维带。
【具体实施方式】
[0033] 下面通过【具体实施方式】，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0034] 实施例1
[0035] 高性能FRP锚杆制造工艺的实施例，包括以下步骤：
[0036] 步骤1:制作纤维带：将用于制作纤维带的玻璃纤维束在浸胶槽中的环氧乙烯基 酯树脂浸润，然后加热固化形成纤维带；
[0037] 步骤2、送纱：将用于制作FRP筋的玻璃纤维束从纱架中引出；
[0038] 步骤3、浸胶：步骤2中的玻璃纤维束进入浸胶槽的环氧乙烯基酯树脂中充分浸