[发明专利]一种内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构

说明书

技术领域

本发明属土木、交通、水利等领域的材料研发，具体涉及到一种用于土木工程的内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构。其特点在于质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高。

背景技术

复杂截面钢构件是建筑中最常用的结构单元之一，复杂截面钢构件因弹性模量大、延性好等优点在土木工程领域得到了广泛的应用。但其存在耐腐蚀性差，自重大等问题。纤维增强聚合物(FRP)以其高强度、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木工程结构中广泛应用，并受到工程界的广泛关注。FRP由具有抗拉作用的连续纤维束和具有粘结作用的聚合物基体组成。然而，FRP的抗剪强度远小于其抗拉强度，应力应变曲线没有屈服点，属于脆性破坏。而且FRP的弹性模量较低，在正常使用阶段挠度偏大。FRP多年来的持续高价格导致FRP的研究和应用受到了实际经济因素的制约。将FRP和钢进行复合可以使两者各自优点得到综合利用，制备出质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高的FRP复合结构。

此前，有人曾提出钢-FRP复合筋结构，这种结构的提出是以改善耐腐蚀性为出发点，并未充分考虑钢与FRP的联合承载作用。与此同时，钢-FRP复合筋的制备工艺仅适用于简单的圆形小截面筋材的成型。复杂截面的FRP构件在工程中已有广泛应用，但仍存在刚度低、延性差、成本高，在荷载作用下变形大且呈脆性破坏等问题。目前仍没有综合利用钢与复杂截面的FRP构件各自优势的复合结构。

本发明提出了一种内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构。内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构的型钢和FRP通过拉挤模具一体成型。型钢与FRP间粘结强度高，生产效率高，型钢与FRP能够共同受力，属于耐腐蚀、高延性结构。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种质量轻、耐腐蚀、性价比高、延性高、强度和弹性模量高的内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构，该复合结构由内部的型钢和外部的FRP层组成。通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢外部，使型钢与FRP能够共同受力。

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

所述的型钢为工字形钢、箱形钢、H形钢、槽形钢、钢轨、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。

所述型钢先通过浸胶，再通过拉挤热固化成型工艺将FRP成型并固化到复杂截面型钢的外部。

拉挤成型工艺采用与复杂截面型钢形状相对应的成型模具。

一种内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构主要制备工艺为：送纱→纤维浸胶→型钢浸胶→纤维集束→型钢置入→模具拉挤成型→热固化成型→切割成所需成品。

通过拉挤热固化成型工艺将FRP固化在型钢外部，使型钢与FRP能够共同受力；内嵌复杂截面型钢的FRP复合结构承受荷载的过程如下，在初始阶段，型钢保证本结构具有较高的刚度；型钢屈服后，该复合结构仍具有明显的刚度和承载能力；随着荷载增大，FRP中的纤维达到其极限拉应变发生断裂，型钢继续承载直到破坏，使该FRP复合结构具有良好的延性。外部FRP保护内嵌型钢免受环境腐蚀。此FRP复合结构综合了钢材的高弹性模量、高延性和FRP的高强度、耐腐蚀优点，具有良好的应用前景。本结构更适用于对耐腐蚀性和力学性能要求高的钢结构中。

附图说明

图1是一种内嵌工字形钢的FRP复合结构示意图；

图2是图1构件的横截面图。

具体实施方式

下面以工字形钢为例，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，本实例提供一种内嵌工字形钢的FRP复合结构，包括工字形钢1、紧固在工字形钢1外的FRP层2。

将浸润环氧树脂的工字形钢和纤维束按照一定比例一起送入拉挤模具，然后采用热固化工艺进行固化成型。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。所述的FRP层2截面积占内嵌工字形钢的FRP复合结构的总截面积的35-40％。

FRP通过拉挤成型工艺固化在工字形钢外部，成型模具为工字形模具。

内嵌工字形钢的FRP结构主要制备工艺为：送纱→纤维浸胶→工字形钢浸胶→纤维集束→工字形钢置入→模具拉挤成型→热固化成型→切割成所需成品。

本发明一种内嵌工字形钢的FRP复合结构采用传统拉挤热固化成型工艺，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。