一种钢与CFRP组合应力带及其制作方法与流程

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及到一种钢与cfrp组合的应力带结构及其制作方法。

背景技术：

应力带桥是兼细长和柔性特点于一体的桥梁结构之一，其构造简单、用料经济、桥型美观，是一种非常具有发展前景的结构形式。目前，世界上已建的应力带桥主要采用高强钢材来制作应力带。这些应力带桥通常由钢带或钢索作为应力带以及混凝土结构组成承受荷载的桥面板，在自重作用下以悬链线或二次抛物线的形式最终锚固在两个桥台之间。应力带桥宛如一根飘带悬挂在桥面两端，经常作为景观桥梁应用于城市中心或山谷地区，同时由于其可以避免在河床水域的施工，能够将施工过程中对环境的影响降到最低，所以对环境有特殊要求的地区，应力带结构可以作为桥梁的首选形式。

应力带桥属于缆索承重桥梁体系的一种，其应力带一般布置在梁体外侧，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感。现阶段桥梁钢应力带耐久性不足的问题越来越显著，而应力带的状态直接影响到应力带桥的使用性能和使用寿命。

为解决钢应力带易锈蚀、易疲劳等问题，提高其耐久性，复合材料的研究与应用受到了众多学者的重视。碳纤维增强聚合物(carbonfiberreinforcedpolymer，简称cfrp)是以碳纤维为增强材料，以树脂为基体材料，通过拉拔成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料。cfrp具有顺纤维向抗拉强度高、耐腐蚀、密度小、耐久性好、抗疲劳性能优良等优点，将cfrp应用于桥梁结构，可以充分发挥它的抗拉及抗腐蚀性能，特别是位于恶劣环境下钢应力带易腐蚀，大幅提高结构的耐久性。此外，由于cfrp材料轻质高强，还可以大幅减轻桥梁的自重，提高承载效率，进而增大桥梁结构的极限跨径。但cfrp也有相应的特点，由于其材料性能为正交各向异性，轴向抗拉强度较高，可达到2000mpa以上，但是横向的抗压与抗剪强度则相对较低，因此cfrp材料的锚固一直是一个难题。

为满足桥梁结构轻质、高强、耐腐蚀的要求，同时使结构变得更加轻盈与美观，本文提出一种钢与cfrp组合的应力带结构及其制作方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决目前应力带桥耐久性、承重性能、刚度相互制约不能同时满足的问题，提出了一种钢与cfrp组合的应力带结构形式，能够充分解决cfrp的延展性不足及钢带的易锈蚀性等问题。

传统的钢应力带易锈蚀，耐久性不足。本发明提供一种钢与cfrp组合应力带，外层为cfrp护套，芯部为钢带。由于cfrp的本构关系呈线性分布，破坏过程没有屈服，而钢材具有明显的屈服阶段，组合结构可以较大地提高cfrp的延性。此外，通过调整碳纤维含量，使cfrp护套的弹性模量与钢带相同，cfrp护套与钢带协同工作。且cfrp护套耐腐蚀能力强，可为钢带提供很好的保护，极大地提高应力带的耐久性与经济性。

本发明的原理是基于cfrp与钢材的受力特性与本构关系，一种钢与cfrp组合应力带的形成过程是：

在钢与cfrp组合应力带中，将芯部钢带(1)与包裹在外部的cfrp(6)一起进入模具，经过热处理预成型工艺，使之在预成型设备内预成型。预成型后的钢带(1)、碳纤维原纱(4)、cfrp(6)、表面材料(7)及基体在加热加压成型设备(11)内成型，成型模具中设有用于确定钢带(1)在cfrp中位置的定位装置。采用风冷的方式对牵引出加热加压成型设备(11)的组合应力带进行固化，最后用切割设备(13)进行定长切割。

整个制作过程中，通过调整对cfrp和钢带的张力，使二者始终处于张紧状态。由于cfrp的极限应变在3％左右，钢的弹性应变在1％左右，极限应变大约7％，因此该组合应力带在开始承受张力一直到破坏之前的本构关系会经历以下三个阶段：在应变达到1％前，钢带与cfrp共同承担荷载，该应力带的弹性模量处于钢带与cfrp之间，这一阶段称为弹性阶段；随着应力的增加，在达到cfrp的极限应变之前，由于此时钢带已发生屈服，该应力带的弹性模量会有所降低，从而表现出类似屈服的特性，该阶段没有cfrp产生破坏，也是钢带与cfrp共同承担荷载，因此该过程为安全过程，同时循环加载不会造成整体力学性能的降低；若继续加载，一旦应变超过超过cfrp的极限应变，cfrp开始断裂，随之退出工作，荷载重新分布到钢带上，最终以钢带达到屈服而结束。

由于该应力带的成型配比是一个复合的过程，因此该组合应力带的力学性能是可以设计的，通过调整钢与cfrp的配合比，可以使两者的弹性模量基本趋于一致从而共同受力。该法克服了单纯cfrp延展性较差和成本较高的特点，同时继承了cfrp材料轻质高强、耐久性好的优点，是一种先进的设计理念。

附图说明

图1为钢与cfrp组合应力带示意图。

图2为钢与cfrp组合应力带横向剖视示意图。

图3为钢与cfrp组合应力带拉挤成型生产过程示意图。

图中：1—钢带；2—cfrp护套；3—导向棒；4—碳纤维原纱纱筒；5—尾部预成型设备；6—cfrp筒；7—表面材料纱筒；8—中部预成型设备；9—前部预成型设备；10—浸脂槽；11—加热加压成型设备；12—牵引设备；13—切割设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更为详细的描述：

步骤一：首先将钢带(1)送入拉挤成型设备中，进行排纱处理。采用旋转芯轴，将碳纤维原纱从碳纤维原纱纱筒(4)外壁引出，这样可以避免原纱发生扭曲从而有利于碳纤维的整齐排布。

步骤二：采用直槽浸渍法对原纱和纤维毡中所有碳纤维进行预处理。此过程都是在它们通过浸脂槽时进行的，在整个浸渍过程中，必须保证碳纤维和毡排列十分整齐。

步骤三：浸渍基体的cfrp依次穿过尾部(5)、中部(8)和前部预成型设备(9)，以连续方式传递，以便确保它与钢带的相对位置，直至逐渐接近制品的最终形状，并排出多余的树脂气泡，然后进入加热加压成型设备(11)进行成型。

步骤四：型材被牵引出加热加压成型设备(11)后，由于成型设备(11)与牵引设备(12)之间有一定距离，因此采用风冷的方式冷却型材。

步骤五：牵引机(12)牵动冷却固化后的钢与cfrp组合应力带运动，牵引力的大小一般采用50～100kn。牵引速度采用无极调速，根据应力带的工艺要求而定，一般为0.1～0.3m/min，若采用快速固化配方，牵引速度可大幅提高。

步骤六：当应力带长度达到要求时，切割设备(13)开始启动工作，首先将应力带用橡胶夹具夹紧，然后合金刀具开始切割，至此，一种钢与cfrp组合的应力带结构正式形成。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种钢与CFRP组合应力带及其制作方法，属于桥梁工程领域。所述组合应力带是由位于结构芯部的钢带和包裹在外侧的CFRP护套共同构成的应力带。所述应力带采用在钢带表面进行连续、单向CFRP拉挤成型进行制作，即先把钢带布置在中间位置，再把CFRP的原料经过浸胶、预成型、加热加压成型、冷却固化等步骤制成紧密包裹在钢带表面的护套，最后进行定长切割，从而达到可连续生产任意长度钢与CFRP组合应力带的目的。本发明是利用钢材及CFRP各自的优点，克服单一材料的不足，使应力带既有CFRP所有的轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳的优点，有效的解决了传统钢应力带易腐蚀、易疲劳、自重大、承载效率不高等问题，提高了应力带的耐久性及经济性。

技术研发人员：刘越;张宏涛;韩强;胡梦涵
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2019.03.28
技术公布日：2019.06.14