高性能FRP錨桿的制造工藝及抗扭承載力計(jì)算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供高性能FRP錨桿的制造工藝及抗扭承載力計(jì)算方法。高性能FRP錨桿的制造工藝，包括以下步驟:步驟1：制作纖維帶；步驟2、送紗；步驟3、浸膠；步驟4、成型；步驟5、纏繞成肋；步驟6、加熱固化。本發(fā)明專利技術(shù)的高性能FRP錨桿的制造工藝，在FRP筋拉擠成型后，纖維帶由繞線軸緊緊纏繞在FRP筋表面，并隨著FRP筋共同進(jìn)入加熱通道進(jìn)行固化，在安裝錨桿時(shí)纖維帶與其包裹的FRP筋相互支撐、協(xié)同抗扭，增強(qiáng)了錨桿的整體抗扭性能。其中，纖維帶包括纖維束及經(jīng)過加熱固化的熱固性樹脂基體。本發(fā)明專利技術(shù)的高性能FRP錨桿的制造工藝步驟簡(jiǎn)單，能夠規(guī)模化生產(chǎn)合格的FRP錨桿，生產(chǎn)成本低。同時(shí)，本發(fā)明專利技術(shù)還提供高性能FRP錨桿的抗扭承載力計(jì)算方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
高性能FRP錨桿的制造工藝及抗扭承載力計(jì)算方法
本專利技術(shù)涉及一種高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料錨桿的制造工藝及承載力的計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
錨桿支護(hù)是煤礦護(hù)壁、隧道、土坡和基坑支護(hù)的重要形式。由于鋼錨桿重量大且易銹蝕，尤其是在煤礦支護(hù)中，鋼材與金屬工具、掘進(jìn)機(jī)械或巖石的碰撞可能產(chǎn)生火花，引起瓦斯爆炸事故。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FiberReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱FRP)筋由纖維和聚合物基體兩部分組成，屬于各向異性材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、低松弛和抗疲勞性能好以及成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，以FRP筋作為煤礦護(hù)壁、隧道、土坡和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿，能夠顯著提高錨桿支護(hù)的承載力和耐久性，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是FRP錨桿安裝過程中會(huì)受到扭矩的作用，扭矩在FRP筋的截面上產(chǎn)生剪切力。由于FRP筋抗剪強(qiáng)度較低，安裝過程中的FRP錨桿易發(fā)生受扭破壞。圍繞FRP錨桿安裝過程中的受扭破壞問題，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，為了降低安裝預(yù)緊過程中的扭矩，在FRP筋錨桿的錨尾安裝壓痕金屬套管。但是，錨尾安裝壓痕金屬套管使錨尾部分的加工復(fù)雜、成本較高且效率較低。因此，開發(fā)一種加工簡(jiǎn)單、抗扭性能好的高性能FRP錨桿對(duì)促進(jìn)FRP錨桿在支護(hù)工程中的應(yīng)用具有重要意義。為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種科學(xué)的技術(shù)解決方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
技術(shù)人員經(jīng)過大量的分析和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將纖維帶纏繞在FRP筋的表面能夠一定程度上提升FRP錨桿的抗扭能力。但是，實(shí)際工程使用中，F(xiàn)RP錨桿安裝過程中的受扭破壞仍時(shí)有發(fā)生，經(jīng)過進(jìn)一步的深入研究發(fā)現(xiàn)了造成這一現(xiàn)象的原因是：FRP錨桿的FRP筋和纏繞在其上的纖維帶的整體性不夠，在安裝FRP錨桿時(shí)的協(xié)同性較差，無法相互支撐協(xié)同抗扭，造成整體抗扭性能下降。因此，如何將纖維帶和FRP筋牢固地結(jié)合在一起是提高FRP錨桿抗扭性能的關(guān)鍵。同時(shí)，對(duì)不同材質(zhì)的纖維帶和FRP筋，無法按照設(shè)定的抗扭標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出高效且節(jié)省成本的高性能FRP錨桿。表面纖維帶的纏繞過多將降低FRP錨桿的抗拉強(qiáng)度，表面纖維帶的纏繞偏少則不足以提高FRP錨桿的抗扭承載力。因此，為了確定合適的纖維帶纏繞量，需經(jīng)過大量的試生產(chǎn)，根本原因是缺乏高性能FRP錨桿抗扭承載力的計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過計(jì)算分別確定纖維帶承擔(dān)的扭矩和FRP筋作為FRP錨桿的一部分參與抗扭的工作系數(shù)α來解決FRP錨桿抗扭承載力的計(jì)算問題。其原理是，取繞設(shè)間距d(即相鄰纖維帶中心的距離)的一段長(zhǎng)度為研究對(duì)象。對(duì)于纖維帶承擔(dān)的扭矩TF，首先測(cè)定纖維帶抗拉強(qiáng)度fF，然后將纏繞一圈的纖維帶截面投影成一個(gè)圓環(huán)形截面，將拉力投影到該圓環(huán)形截面上，假定纖維帶均勻分布于筋材的表面(平均厚度即為A/d，其中A為纖維帶截面積)。由于纖維帶厚度很小，拉力在纖維帶厚度方向大小的差異非常小，可認(rèn)為拉力在纖維帶厚度方向上均勻分布，其半徑可近似取平均半徑R0；接著確定纖維帶與垂直截面的夾角β。由于作用在圓環(huán)微面積dA＝(A/d)R0dθ上的剪切力為fFcosβ(A/d)R0dθ，其對(duì)FRP錨桿軸線O的力矩為R0fFcosβ(A/d)R0dθ，所有環(huán)形微面積dA的力矩之和等于圓環(huán)形截面扭矩即一圈纖維帶承擔(dān)的扭矩TF。對(duì)于FRP筋本身承擔(dān)的扭矩，可根據(jù)試驗(yàn)確定其在纖維帶達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)承擔(dān)的扭矩，通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法得到該纖維帶下的FRP筋作為高性能FRP錨桿的一部分參與抗扭承載的工作系數(shù)α。引入工作系數(shù)α的原因在于：大量試驗(yàn)表明，當(dāng)FRP筋表面纖維帶接近其抗拉強(qiáng)度時(shí)，F(xiàn)RP筋按照一定的比例介入抗扭承載，不同材質(zhì)的纖維帶具有不同的工作系數(shù)α，比如，對(duì)常用的玻璃纖維帶纏繞玻璃鋼錨桿，α取0.42。在表面纖維帶接近其抗拉強(qiáng)度時(shí)，中心FRP筋承擔(dān)的扭矩TT＝αT0；將纖維帶承擔(dān)的扭矩和中心FRP筋承擔(dān)的扭矩相加，即可得到高性能FRP錨桿的抗扭承載力。本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高性能FRP錨桿的制造工藝和高性能FRP錨桿抗扭承載力的計(jì)算方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：高性能FRP錨桿的制造工藝，包括以下步驟：步驟a：制作纖維帶：將用于制作纖維帶的纖維束在浸膠槽中浸膠，然后加熱固化形成纖維帶；步驟b、送紗：將用于制作FRP筋的纖維束從紗架中引出；步驟c、浸膠：步驟b中的纖維束進(jìn)入浸膠槽中充分浸潤(rùn)；步驟d、成型：步驟c中經(jīng)過浸膠的纖維束穿過穿紗板并且進(jìn)入成型模具擠壓成光圓的FRP筋；步驟e、纏繞成肋：繞線軸將步驟a制作的纖維帶均勻纏繞在FRP筋上形成高性能FRP錨桿中間體；步驟f、加熱固化：高性能FRP錨桿中間體進(jìn)入加熱通道加熱固化形成高性能FRP錨桿。優(yōu)選的，所述步驟a的纖維帶為玻璃纖維束、玄武巖纖維束、芳綸纖維、碳纖維束或至少兩種上述纖維束的混雜形成的復(fù)合纖維束，通過熱固性樹脂浸漬，并經(jīng)加熱固化后制成。優(yōu)選的，所述FRP筋中的纖維束為玻璃纖維束、玄武巖纖維束、芳綸纖維、碳纖維束或至少兩種上述纖維束的混雜形成的復(fù)合纖維束。本專利技術(shù)的高性能FRP錨桿的制造工藝步驟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。所生產(chǎn)的高性能FRP錨桿，纖維帶通過熱固性樹脂高溫固化在FPR筋上，由于熱固性樹脂高溫固化后非常堅(jiān)固，大大增加了纖維帶與FPR筋結(jié)合的緊密性和牢固性，使得纖維帶緊緊纏繞固定在FRP筋上，F(xiàn)RP筋和纏繞在其上的纖維帶整體性較好，在安裝高性能FRP錨桿時(shí)纖維帶與其包裹的FRP筋相互支撐協(xié)同抗扭，增強(qiáng)了高性能FRP錨桿整體的抗扭性能。更進(jìn)一步的，步驟1纖維帶中的纖維束采用玻璃纖維束或玄武巖纖維束具有高延伸率特性，能夠提高峰值扭矩下的持荷時(shí)間，碳纖維束具有高抗拉強(qiáng)度特性，能夠提高峰值扭矩增加高性能FRP錨桿的抗扭承載力，高延伸率纖維束與高抗拉強(qiáng)度纖維束混雜能夠提高峰值扭矩下的持荷時(shí)間和高性能FRP錨桿的抗扭性能。高性能FRP錨桿的抗扭承載力計(jì)算方法，包括以下步驟：步驟1、通過試驗(yàn)測(cè)試出纖維帶的抗拉強(qiáng)度fF，測(cè)量計(jì)算出一圈纖維帶投影形成的圓環(huán)形截面的截面積A以及纖維帶在FRP筋上的繞設(shè)間距d，測(cè)量出纖維帶與FRP筋垂直截面的夾角β，測(cè)量出高性能FRP錨桿的平均半徑R0并定義θ為圓環(huán)形截面的圓心角，然后通過公式計(jì)算出一圈纖維帶即所承擔(dān)的扭矩TF，公式為：式中：步驟2、通過試驗(yàn)測(cè)試出無纖維帶FRP筋本身的抗扭承載力T0，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方式得出有纖維帶條件下的FRP筋作為高性能FRP錨桿的一部分參與抗扭承載的工作系數(shù)α；表面纖維帶接近其抗拉強(qiáng)度時(shí)，中心的FRP筋承擔(dān)的扭矩TT按下式計(jì)算：TT＝αT0步驟3、高性能FRP錨桿的抗扭承載力T按下式計(jì)算：T＝TF+TT。本專利技術(shù)的高性能FRP錨桿抗扭承載力計(jì)算方法，能夠方便地計(jì)算高性能FRP錨桿的抗扭承載力。對(duì)于設(shè)定的高性能FRP錨桿抗扭承載力，可以根據(jù)FRP筋和纖維帶的種類進(jìn)行高性能FRP錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于已經(jīng)確定的FRP筋和纖維帶，可以預(yù)先設(shè)計(jì)出最佳的繞設(shè)間距，以簡(jiǎn)化高性能FRP錨桿試生產(chǎn)過程。附圖說明圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例中高性能FRP錨桿的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例中纖維帶的環(huán)向應(yīng)力分布示意圖。圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例中高性能FRP錨桿抗扭強(qiáng)度-時(shí)間曲線圖。圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例中無纖維帶FRP筋抗扭強(qiáng)度-時(shí)間曲線圖。圖中：1、FRP筋；2、纖維帶。具體實(shí)施方式下面通過具體實(shí)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
高性能FRP錨桿的制造工藝，其特征在于包括以下步驟：步驟1：制作纖維帶：將用于制作纖維帶的纖維束在浸膠槽中浸膠，然后加熱固化形成纖維帶；步驟2、送紗：將用于制作FRP筋的纖維束從紗架中引出；步驟3、浸膠：步驟2中的纖維束進(jìn)入浸膠槽中充分浸潤(rùn)；步驟4、成型：步驟3中經(jīng)過浸膠的纖維束穿過穿紗板并且進(jìn)入成型模具擠壓成光圓的FRP筋；步驟5、纏繞成肋：繞線軸將步驟1制作的纖維帶均勻纏繞在FRP筋上形成高性能FRP錨桿中間體；步驟6、加熱固化：高性能FRP錨桿中間體進(jìn)入加熱通道加熱固化形成高性能FRP錨桿。

【技術(shù)特征摘要】
1.高性能FRP錨桿的抗扭承載力計(jì)算方法，所述高性能FRP錨桿由以下步驟制造而成：步驟a：制作纖維帶：將用于制作纖維帶的纖維束在浸膠槽中浸膠，然后加熱固化形成纖維帶；步驟b、送紗：將用于制作FRP筋的纖維束從紗架中引出；步驟c、浸膠：步驟b中的纖維束進(jìn)入浸膠槽中充分浸潤(rùn)；步驟d、成型：步驟c中經(jīng)過浸膠的纖維束穿過穿紗板并且進(jìn)入成型模具擠壓成光圓的FRP筋；步驟e、纏繞成肋：繞線軸將步驟a制作的纖維帶均勻纏繞在FRP筋上形成高性能FRP錨桿中間體；步驟f、加熱固化：高性能FRP錨桿中間體進(jìn)入加熱通道加熱固化形成高性能FRP錨桿；其特征在于該計(jì)算方法包括以下步驟：步驟1、通過試驗(yàn)測(cè)試出纖維帶的抗拉強(qiáng)度fF，測(cè)量計(jì)算出一圈纖維帶投影形成的圓環(huán)形截面的截面積A以及...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：高丹盈，房棟，趙科，龐育陽，莫飛，劉海雙，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：鄭州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：河南;41