一种外包FRP钢管拱结构的制作方法

本实用新型涉及一种拱结构，具体涉及一种外包FRP钢管拱结构。

背景技术：

钢管拱结构，尤其是钢管拱桁架结构，因其具有受力合理、自重轻、强度高、施工便捷、造型美观等优点在桥梁工程以及飞机场、体育馆、工业厂房等大跨结构中得到广泛应用。然而在钢管拱结构中，薄壁钢管容易发生局部失稳，造成结构承载力的下降。因此为了提高结构承载力、延缓钢管发生屈曲，拱肋通常采用直径较大、壁厚较厚的钢管，并在管内设置多道加劲肋，但与此同时也会产生钢管制作困难、用钢量大、焊接工作繁重等问题。

同时传统钢管拱结构也面临着易腐蚀、疲劳性能差等问题。由于钢管裸露于空气中，易受到空气中的水分和其他污染物的化学、电化学作用而引起腐蚀，影响钢管拱结构的安全性和使用寿命。为了满足钢管拱防腐技术要求，实际工程中一般采用防腐涂装、热浸镀等措施对钢管进行保护，但伴随而来的却是高额的防腐及维护成本，因此钢材的易腐蚀性使得这种理想的拱构件很少被应用于高腐蚀的环境中。

技术实现要素：

本实用新型为解决传统钢管拱结构容易发生屈服、制作困难、用钢量大、焊接工作繁重、易腐蚀及使用寿命短的问题，而提出一种外包FRP钢管拱结构。

本实用新型的一种外包FRP钢管拱结构，其组成包括实腹式拱肋和两个基础，两个基础对称设置在实腹式拱肋的两端，所述实腹式拱肋包括钢管和FRP层，FRP层包覆在钢管的外层，且FRP层与钢管通过树脂粘结成复合管。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

一、由于FRP材料(纤维增强复合材料)具有抗拉强度高、耐腐蚀性能好、自重轻、抗疲劳性能强、施工方便等特点，本实用新型将FRP层粘贴于钢管外，使得外包FRP钢管拱具有附加约束的作用，从而延缓或避免钢管发生屈服，提高了结构的稳定承载力，增加了钢管屈曲后的塑性变形能力。

二、FRP材料结合钢管使用可以替代一部分钢管，不但减轻了结构整体的重量，减薄大直径钢管的壁厚，降低拱肋的用钢量和成本，还能将钢的非线性与FRP材料的高强性相结合，改善钢管拱的受力性能。

三、FRP层化学性质稳定、不易腐蚀、耐久性好，能够解决普通钢管拱锈蚀的问题。同时FRP应力松弛性小、抗疲劳性能强，使得外包FRP钢管拱具有有良好的耐久性能。

四、钢管在FRP纤维的粘贴过程中可以作为缠绕模具，施工方便，能够节省模具的制作费用和脱模过程，降低生产成本，缩短施工工期。

附图说明

图1是本实用新型的外包FRP钢管拱结构的示意图；

图2是实腹式拱肋2的截面形状为圆形结构示意图；

图3是实腹式拱肋2的截面形状为方形结构示意图；

图4是实腹式拱肋2的截面形状为矩形结构示意图；

图5是本实用新型的拱肋为桁式拱的结构示意图；

图6是实腹式拱肋2的数量为三个时，桁式拱的截面形状为三角形结构示意图；

图7是实腹式拱肋2的数量为三个时，桁式拱的截面形状为倒三角形结构示意图；

图8是实腹式拱肋2的数量为四个时，桁式拱的截面形状为矩形结构示意图；

图9是实腹式拱肋2的数量为四个时，桁式拱的截面形状为倒梯形结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括实腹式拱肋2和两个基础1，两个基础1对称设置在实腹式拱肋2的两端，且实腹式拱肋2的两端分别与两侧基础1固接，实腹式拱肋2包括钢管4和FRP层3，FRP层3包覆在钢管4的外层，且FRP层3与钢管4通过树脂粘结成复合管。钢管4由直钢管煨弯或钢板焊接成钢管拱，实腹式拱肋2以钢管为缠绕模具将FRP层3连续沿钢管4环向及轴向置于钢管表面，制成一层或多层FRP管，各层纤维之间也采用树脂粘结。为了保证FRP层3与钢管4之间的粘结效果，增强粘贴强度和耐久性，在粘贴FRP纤维之前，应对钢管4进行表面处理或喷砂处理，除去钢管外表面的铁锈、涂料和油漆，并进行清洗。当表面处理完成后应及时粘贴FRP纤维，否则会降低粘结强度。同时可以通过采用电热毯或加热器等设备来提高粘结剂的养护速度。FRP为纤维增强塑料。实腹式拱肋2的线形形式为抛物线形、圆弧形或悬链线形。

实腹式拱肋2由拱肋节段组装而成，拱肋节段加工前，应根据理论设计拱轴坐标和预留拱度值进行放样，确定拱肋节段数及节段长度。拱肋节段由直钢管煨弯或钢板焊接成管，在几何尺寸检查合格后进行组装焊接，所有焊接质量应满足规范要求。

外层的FRP纤维根据纤维束的粘贴方向可分为环向纤维和轴向纤维。当外包FRP钢管拱开始承受外荷载作用时，纤维处于环向受拉状态，随着荷载的增加，在接近极限承载力时，环向纤维局部区域因拱发生屈曲变形而开始进入受压状态，但在拱发生失稳之前，整体仍以环向受拉为主，环向纤维的受力转换对承载力的影响可忽略不计。因此沿环向粘贴的纤维主要通过环向受拉对钢管产生环向约束，进而限制钢管屈曲变形的发展，提高构件的稳定承载力和延性。而轴向纤维在试件达到稳定承载力之前全部处于受压状态，由于加载初始阶段变形较小，轴向纤维形成依附于钢管表面的筒状结构，这使其可以承担部分压力。随着拱结构失稳的产生，部分轴向纤维由于钢管的屈曲变形逐渐转换为受拉状态，进而起到限制试件变形发展的作用，能够提高拱的后屈曲性能。

本实施方式中的FRP层3为一层或多层的纤维材料，纤维材料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料及芳纶纤维增强塑料中的一种或几种混杂而成。所述的纤维材料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料及芳纶纤维增强塑料中的几种混杂而成时，各成分间为任意比。

本实施方式中的树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂。

具体实施方式二：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的实腹式拱肋2的截面形状为圆形、方形或矩形。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同的是它还增加有数个腹杆支撑5，实腹式拱肋2的数量为三个，从截面看：三个实腹式拱肋2按三角形或倒三角形布置，每相邻的实腹式拱肋2之间设有数个腹杆支撑5，且腹杆支撑5的两端分别与两侧实腹式拱肋2固接。本实施方式为桁式拱。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同的是它还增加有数个腹杆支撑5，实腹式拱肋2的数量为四个，从截面看：四个实腹式拱肋2按矩形或倒梯形布置，每相邻的实腹式拱肋2之间设有数个腹杆支撑5，且腹杆支撑5的两端分别与两侧实腹式拱肋2固接。本实施方式为桁式拱。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图5～图9说明本实施方式，本实施方式腹杆支撑5为钢管。其它组成及连接关系与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：结合图5～图9说明本实施方式，本实施方式的腹杆支撑5为钢管4和FRP层3复合而成的复合管。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。