多部件的、复合材料公路传力杆结构及制造方法
【专利说明】多部件的、复合材料公路传力杆结构及制造方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年2月4日提交的、序列号为61/595，042的、关于“Highway-Slab Dowel Interconnect Structure”的美国临时专利申请的申请日优先权，其中的全部公开内容通过弓I用特此被并入本文。
[0003]本发明的背景和概述
[0004]本发明涉及多部件的、复合材料的公路(特别是混凝土公路)传力杆结构以及相关的制造方法，并且特别地涉及成功地处理并且解决关键的、严重的以及错综复杂的功能可靠性、部件成本、以及公路生命周期经济问题事项的此类结构和方法学，所述问题事项多年来一直与公路传力杆技术相关并且与公路功能性寿命的某些方面有关。
[0005]传力杆在混凝土公路建设中是普遍存在的。它们表现为伸长的、圆柱形的、高剪切强度的、光滑表面的杆的形式，所述杆典型地由常用的结构钢(非不锈钢)形成，所述传力杆以典型地为I英尺的侧向间距的间隔的多个数量的形式在每个分离界面(接缝)被用作剪切桥接的、板到板的荷载传递结构，所述分离界面存在于邻近的、行进方向定向的公路板之间，所述公路板通常由灌浇混凝土形成，并且优选地在许多情况下由本领域中被称为高性能混凝土的那些形成。它们最重要的功能是在邻近板之间提供适当的荷载传递的剪切强度，而同时:(a)调节板因为环境热变化的膨胀和收缩(伴随轻微的但周期性的板接缝的打开和闭合)，并且此外(b)使在邻近板之间的接缝处被称为板垂直错断的现象减到最少。它们被设想为简单结构，并且有时被不同地形成，这涉及通过使用单独的常用结构钢、单独的材料以及材料的组合比如环氧树脂涂覆的结构钢、锌涂覆的结构钢、完全的不锈钢、不锈钢护套的常用结构钢、以及纯粹的单组的塑料复合材料来实现改进的工作一全部意图持续长时间完美无缺地执行以上所述的重要的“公路性能支持”功能。
[0006]然而，因为以下所概括的大量代价高并且让人失望的原因，它们没有这样进行。意图和现实在历史上未曾成功地匹配，并且所产生的对必需的、重要的、以及基本的传力杆的改进的寻找已经持续多年并且仍然在进行中。
[0007]我们相信本发明改变这样的情况，并且现在可以实质上结束刚才提到的“寻找”。
[0008]进一步考虑背景的各方面，曾引发本发明的构想的传力杆设置接着付诸实施本发明，传力杆以数百万被利用在美国和很多其它国家中的混凝土公路建设中。在此类公路建设中，沿着通常建设的公路车道平放的通常的、邻近的公路路面板可以典型地具有约15英尺的长度和约12英尺的宽度。在每个连续邻近的车道板之间，传力杆以约I英尺的侧向间隔被包含，以作为互连结构。
[0009]由于目前高度可预见的、目前传力杆材料的磨损以及腐蚀特性，并且因为以下事实:(1)传力杆以及所面对的其相关公路板的混凝土面板两者在所有板之间的混凝土公路接缝处皆是可暴露的；并且(2)传力杆在其运作寿命期间甚至在相对短的时间段中也经受按数百万计的大量的循环剪切荷载一与被提供用于多种类型的涂覆钢筋(以下提到)的预期的防护涂层的耐久性以及配置非常相关的某种条件，故传力杆在多种应用中不是并且不能轻松地被认为是永久性的或甚至令人满意地并且相对长效的混凝土公路结构部件。结果是需要过度频繁的传力杆(以及相关的混凝土板)替换--特别高代价的需求。
[0010]尽管在过去启动了许多侧重改进的工作，以最小化公路传力杆替换的必要性以及其相关的频率，但这些工作未曾完全成功。例如，并且考虑到与已知的传力杆建设相关的通常理解的腐蚀以及磨损问题，典型的、广泛使用的、常用的钢传力杆明显易于受到环境条件的锈蚀以及腐蚀，并且不具有固有地有助于抵制这些问题的特性。在过去的“改进”尝试中，纯粹的不锈钢传力杆虽然较少受到影响，但不能免于腐蚀，然而最终是可腐蚀的，并且非常明显地是，其作为物品本身是极其昂贵的并且通常因此贵得让人望而却步。
[0011]在过去采用的另外的改进方法，比如用例如环氧树脂或锌的薄层涂覆传统的结构钢传力杆是昂贵的，并且因为多种原因未曾运作得特别好。除了费用问题之外，并且考虑到特定的结构性物质，环氧树脂涂层典型地通过喷涂(或通过一些其它的适当的表面应用技术)被应用到常用的结构钢传力杆的芯材料的长的“后备长度”，由此所产生的长的、芯被涂覆的产品然后选择性地被横切以获得具有期望长度的已完成的传力杆。然后横切的末端区域通常简单地留着不涂覆，以致因此被完全暴露于所有附近的腐蚀性环境条件中的那些切割末端存在被暴露的钢。
[0012]在环氧树脂涂覆被完全应用于已经进行预定长度切割的钢传力杆的芯上的情况下，即在没有涉及涂覆后的横切的情况下，或在其中横切末端实际上后来被环氧树脂涂覆的那些情况下，所产生的全体的环氧树脂涂层作为尖边的表面间断面之上的材料连续体有效地“流动”/延伸，所述尖边的表面间断面存在于芯钢筋材料的圆柱形表面和此材料的末端表面之间的传力杆的每端--因此使这些尖的间断面区域处的涂层材料暴露于非常高压力的机械条件的某种条件，根据这点，在安装了传力杆的使用条件下，传力杆的周期荷载在混凝土公路板中容易引发涂层中的区域性压力断裂--然后使在那些易受影响的位置处的芯钢材料暴露于腐蚀攻击的环境条件的断裂。
[0013]涉及环氧树脂涂覆的钢筋的另一个的主要关注是对这些钢筋损毁(即，破裂、碎裂等)以及明显地损害所利用的环氧树脂材料的保护性效力的损毁的典型的粗率处理和安装。
[0014]常用的结构钢筋材料的锌涂覆产生也呈现出疑难问题的传力杆。锌涂覆被用作覆于钢之上的接受腐蚀的牺牲层，其抑制钢的腐蚀，的确如此，但其在其牺牲作用中形成极其粗糙的表面纹理，即妨碍传力杆提供与周围混凝土的光滑外表面的滑动接触以适应混凝土板的必要的温度相关的膨胀以及收缩的期望能力的某种状况。
[0015]实心的、纤维强化的、基于塑料的、复合材料传力杆已经被提出并且被尝试，但作为个体，其不能提供钢的剪切强度，并且因此不能起到与稳健性的板到板的荷载传递体同等的作用。因此，在选择使用此类塑料的、强化的传力杆的情况下，其相比于钢传力杆的特性通常(a)以更大量并且(b)用更窄的侧向间距进行利用，因而至少因为这样的原因涉及较大的费用。
[0016]不锈钢护套的常用钢传力杆是相当昂贵的，并且尽管如此，不锈钢护套在某些情况下让人失望地也是可腐蚀的。
[0017]着眼于这些负面的费用问题以及腐蚀驱动的性能寿命问题，在混凝土公路建设中涉及广泛的传力杆使用的最重要的问题之一是当传力杆替换变得必要一并且因此经常太频繁时-与用于建设工地准备以及随后灌浇新的公路混凝土板材料(因为在不合格的传力杆被安置的情况下周围的混凝土公路材料必须被拆除的事实)的需求相关的材料成本和劳动时间成本以及劳动工资成本、以及相关的停工期是非同寻常的。
[0018]在这种情况下，明显地有关于改进的公路传力杆的需求，所述改进的公路传力杆提供与性能可观的剪切强度一起的极大的抗腐蚀腐烂能力，并且这些性质和特性两者协作以有助于:(I)明显减少替换需求；(2)在替换被需要的情况下，可察觉的替换间隔的延长；并且此外(3)可观的最小化公路生命周期等成本。虽然这些考虑在所有的混凝土公路情况中都重要，但其在公路是用高性能/长寿命混凝土建造的被称为高性能公路的那些的情况下是特别重要的考虑。
[0019]因此，由本发明提出的是多部件的复合材料的公路传力杆，所述传力杆包含虽然不是必须但优选地由钢形成的伸长的、高剪切强度的圆柱形芯以及伸长的、纤维强化的塑料树脂护套，所述护套完全包围并保护性地覆盖芯的整体，并且被暴露在整个传力杆结构内的任何地方的非高压点间断面，比如表面边缘间断面。护套包含伸长的、纤维强化的、圆柱形管状的、塑料树脂套筒，所述套筒环绕(circumsurround)并且被连结到芯。特意被制造得比内部的钢芯更长的护套套筒具有延伸到芯的相关的相对端之外的相对端，从而与布置在内的芯末端一起界定一对隔开的、单个开口端的、伸长的、圆柱形的套筒端孔(endwell)或仅仅界定端孔。每个具有与钢芯匹配的直径以及横