[发明专利]一种内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构

说明书

技术领域

本发明属土木、交通、水利等领域的复合材料、新结构研发，具体涉及到一种用于隧洞工程的内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构。其特点在于轻质、高强度、高延性、高弹性模量、高性价比、优异的耐腐蚀性能。

背景技术

钢拱架是隧洞工程中最常用的初期支护形式之一，其具有弹性模量大、延性高等优点。大部分钢拱架可以作为隧道永久支护的一部分,故要求其具有良好的耐久性。因隧洞工程中地下水富集、环境恶劣，钢材存在容易锈蚀、耐久性差的问题。FRP具有轻质、耐腐蚀性强、强度高等优点，但FRP仍存在弹性模量低、变形大、价格高并呈脆性破坏的问题。

在FRP型材内嵌入传统型钢，可综合利用FRP和钢各自的优点，从根本上解决钢材锈蚀的问题，并改善FRP的力学性能。制备出兼顾轻质、高强度、高弹性模量、高延性、高性价比、优异耐腐蚀性能等优点的FRP型材结构，为此本发明提出一种内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构。实际中型材拱架支护结构的内层和外层都会喷射混凝土。将FRP型材拱架的外层粘一层砂，可保证其与混凝土的有效粘结。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种质量轻、耐腐蚀性能好、性价比高、弹性模量和强度高的内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构，该支护结构由内嵌型钢的FRP型材拱和纵向钢筋组成，纵向钢筋焊接在内嵌型钢的FRP型材拱的外表面。

内嵌型钢的FRP型材拱为支护结构的骨架，内嵌型钢的FRP型材拱由型钢和FRP层通过拉挤成型工艺复合，经弯曲成型工艺弯曲并通过连接板连接而成。由于型材拱架的内层和外层都会喷射混凝土，作为隧道永久支护的一部分。故所述FRP型材拱的表面粘砂，保证其与混凝土的有效粘结。

所述FRP层由连续纤维和热固性树脂复合而成，纤维选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。

型钢为工字形钢、箱形钢、H形钢、槽形钢、方管形钢或T形钢

根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP材料与型钢的体积比。

所述型钢表面先通过浸胶，再通过拉挤成型工艺与FRP复合。

所述的拉挤成型工艺采用与型钢形状相对应的成型模具。

一种内嵌型钢的FRP型材拱的制备工序为：型钢切割→送纱→纤维浸胶→型钢浸胶→纤维集束→型钢置入→通过模具拉挤成型→弯曲成弧形构件→热固化成型→利用连接板将上述弧形构件连接组成型材拱→表面粘砂。

将上述制备的内嵌型钢的FRP型材拱就位，纵向钢筋与型材拱通过焊接组成内嵌型钢FRP型材拱架支护结构。

本发明的内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构，通过拉挤热固化成型工艺将型钢和FRP层固化在一起，使型钢与FRP能够共同受力。可保证该支护结构具有良好的延性。FRP层保护内部型钢免受环境腐蚀。该FRP型材拱架表面粘有砂，可保证其与混凝土的有效粘结。所述支护结构更适用于对力学性能和耐腐蚀性能要求高的隧洞工程中。

附图说明

图1是本发明一种内嵌工字形钢的FRP型材拱架支护结构的示意图；

图2是图1中A-A剖面图。

具体实施方式

工字形钢属于型钢中的一种，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述。

如图1和图2所示，本发明提供一种内嵌工字形钢的FRP型材拱架支护结构，内嵌工字形钢的FRP型材拱架支护结构由内嵌工字形钢的FRP型材拱和纵向钢筋3焊接而成。所述FRP型材拱由若干FRP弧形构件1通过连接板2连接而成，所述的FRP弧形构件1包括工字形钢6、紧固在工字形钢6外表面的FRP层7及FRP层上的砂粒4。

将浸润环氧树脂的工字形钢6和浸润环氧树脂的纤维束一起送入拉挤模具，所述纤维束与加热固化后的环氧树脂基体的体积比为2-3。然后采用热固化工艺进行固化成型。所述的FRP层7的截面积占内嵌工字形钢FRP型材拱的总截面积的35-40％。

通过拉挤成型工艺将FRP固化在工字形钢表面，采用与工字形相对应的成型模具。

一种内嵌型钢的FRP型材拱的制备工序为：工字形钢切割→送纱→纤维浸胶→工字形钢6浸胶→纤维集束→工字形钢6置入→通过模具拉挤成型→弯曲成弧形构件1→热固化成型→利用连接板2将上述弧形构件1连接组成型材拱→表面粘砂粒4。

将上述制备的FRP型材拱就位，FRP型材拱固定在基础5上，利用焊接将纵向钢筋3与型材拱连接成内嵌工字形钢的FRP型材拱架支护结构。

本发明一种内嵌型钢的FRP型材拱架支护结构中的组件是采用传统拉挤热固化成型工艺制备而成，设备改造要求不大，可在现行的拉挤设备上进行生产，应用前景广泛。