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一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系

阅读:259发布:2020-05-12

专利汇可以提供一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,涉及 土木工程 和 复合材料 技术领域。包括CFRP片材、片材型 泡沫 、圆弧型泡沫、聚乙烯管护套、上 波形 夹板 、下波形夹板、波形夹片、 螺栓 、 螺母 和 垫圈 。不同宽度的CFRP片材按照从中间向上下各层宽度尺寸逐渐减小的规律叠合,在拉索自由段采用不同宽度的片材型泡沫间隔CFRP片材,且所有CFRP片材和片材型泡沫的外边缘 顶点 共同内接一个圆,形成一个虚拟的圆形截面,外部采用聚乙烯管护套包裹;在锚固段采用波形夹片间隔CFRP片材,并用波形夹板进行夹持锚固。本发明克服了圆截面棒材型CFRP拉索锚固困难的缺点,解决了矩形截面片材型CFRP拉索抗 风 致振动性能不佳的问题,可以应用于 斜拉桥 、悬索桥以及空间索结构中。,下面是一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系专利的具体信息内容。

1.一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,包括:CFRP片材(1)、片材型泡沫(2)、圆弧型泡沫(3)、聚乙烯管护套(4)、上波形夹板(5)、下波形夹板(6)、波形夹片(7)、螺栓(8)、螺母(9)和垫圈(10),其特征在于:不同宽度的CFRP片材(1)按照从中间层向上下各层宽度尺寸逐渐减小的规律叠合;在拉索的自由段,采用不同宽度的片材型泡沫(2)间隔CFRP片材(1),顶部和底部各附上一层圆弧型泡沫(3),且所有CFRP片材(1)、片材型泡沫(2)和圆弧型泡沫(3)的外边缘顶点共同内接一个圆,在拉索自由段形成一个虚拟的圆形截面;在拉索的锚固段,不同宽度的CFRP片材(1)各层之间采用等宽度的波形夹片(7)间隔,最上层和最下层的CFRP片材(1)分别与上波形夹板(5)和下波形夹板(6)直接接触,螺栓(8)穿过上波形夹板(5)、所有的波形夹片(7)和下波形夹板(6),但不穿过任何CFRP片材(1),拧紧螺栓(8)和螺母(9)实现对CFRP片材(1)的夹持锚固。
2.根据权利要求1所述的一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,其特征在于:所述各层CFRP片材(1)厚度相等,各层片材型泡沫(2)厚度相等且等于CFRP片材的厚度;CFRP片材(1)与片材型泡沫(2)的宽度均按照从中间层向上下各层宽度逐渐减小的规律对称变化,且CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合后的各层外边缘顶点共同内接一个圆,形成一个虚拟的圆形截面。
聚乙烯管护套(3)的内径表示为D、CFRP片材(1)的厚度表示为b,由于CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合后的各层外边缘顶点共同内接一个圆,即各层外边缘顶点在同一个圆曲线上,若该圆曲线的中心为坐标原点,该圆曲线方程表示为: 且:
①各层CFRP片材(1)的厚度为b,各层片材型泡沫(2)的厚度为b;
②CFRP片材(1)中间层的宽度为: 从中间层向上或向下第i层宽度为:
式中i=1,2,…,n;
③片材型泡沫(2)从中间层向上或向下第i层宽度为:
④按照以上给出的由中间层向上或向下第i层CFRP片材(1)宽度计算式,当逐层计算到第N层片材满足wCN小于1/3D时为止,确定出CFRP片材(1)层数为:2N+1;片材型泡沫(2)层数为:2N。
3.根据权利要求1所述的一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,其特征在于:所述在CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合层顶部和底部各附上一层圆弧型泡沫(3),使整个叠合层外边缘顶点与聚乙烯管护套(3)内壁紧密相连。该圆弧型泡沫截面宽度为 圆弧长为:
4.根据权利要求1所述的一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,其特征在于:采用的泡沫为减震聚酯泡沫,能以空气阻尼和机械阻尼两种方式吸收和消散能量
5.根据权利要求1所述的一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,其特征在于:圆截面多层片材型CFRP拉索体系的实现方法如下,
步骤1:将CFRP片材(1)按照由中间层向上下各层宽度尺寸逐渐减小的规律叠合,在拉索自由段采用不同宽度的片材型泡沫(2)间隔CFRP片材(1),顶部和底部附上圆弧型泡沫(3);
步骤2:将已经叠合好的拉索自由段外部包裹上聚乙烯管护套(4);
步骤3:将已经包裹好的拉索其锚固段片材采用波形夹片(7)间隔,然后放置于上波形夹板(5)与下波形夹板(6)之间,使上波形夹板(5)、各层波形夹片(7)、下波形夹板(6)上预留的螺栓孔洞在竖直方向上一一对应;
步骤4:在上波形夹板(5)顶部、下波形夹板(6)底部的螺栓孔处附加上垫圈(10),螺栓(8)依次穿过上波形夹板(5)、波形夹片(7)和下波形夹板(6);
步骤5:拧紧螺栓(8)和螺母(9)将CFRP多层片材(1)紧密夹持。

说明书全文

一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程、机械工程和复合材料技术等领域,尤其涉及一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系。

背景技术

[0002] CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,纤维增强塑料)是一种新型的高性能复合材料,由碳纤维及包裹碳纤维的聚合物基体组成。CFRP具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、低蠕变、高阻尼等诸多优异的学性能,由CFRP制成拉索,可以解决索自重过大、强度不足、承载效率低、耐久性差等缺点。在大跨度桥梁和空间结构、海洋与化工厂等高腐蚀性环境以及存在往复荷载等易疲劳环境中用CFRP拉索替代钢索,将有助于降低工程总投资,促进社会与国民经济的可持续发展。
[0003] 拉索是斜拉桥、悬索桥以及空间索结构中主要的受力构件,目前已经有的两种拉索形式包括:圆截面棒材型CFRP拉索和矩形截面片材型CFRP拉索,然而圆截面棒材型CFRP拉索具有锚固困难的缺点,矩形截面片材型CFRP拉索具有抗致振动性能不佳的缺点,使得两种拉索体系的使用均受到不同程度的限制。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于主要针对背景技术中的问题提出一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系。通过本发明能够有效解决圆截面棒材型CFRP拉索锚固困难和矩形截面片材型CFRP拉索抗风致振动性能不佳的问题,进一步提升CFRP拉索的性能与适用性。
[0005] 为了达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
[0006] 一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,包括:CFRP片材(1),片材型泡沫(2),圆弧型泡沫(3),聚乙烯管护套(4),上波形夹板(5),下波形夹板(6),波形夹片(7),螺栓(8),螺母(9),垫圈(10),其特征在于:不同宽度的CFRP片材(1)按照从中间层向上下各层宽度尺寸逐渐减小的规律叠合;在拉索的自由段,采用不同宽度的片材型泡沫(2)间隔CFRP片材(1),顶部和底部各附上一层圆弧型泡沫(3),且所有CFRP片材(1)、片材型泡沫(2)和圆弧型泡沫(3)的外边缘顶点共同内接一个圆,在拉索自由段形成一个虚拟的圆形截面(圆形截面示意图见附图1);在拉索的锚固段,不同宽度的CFRP片材(1)各层之间采用等宽度的波形夹片(7)间隔,最上层和最下层的CFRP片材(1)分别与上波形夹板(5)和下波形夹板(6)直接接触,螺栓(8)穿过上波形夹板(5)、所有的波形夹片(7)和下波形夹板(6),但不穿过任何CFRP片材(1),拧紧螺栓(8)和螺母(9)实现对CFRP片材(1)的夹持锚固。
[0007] 所述的一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系,其特征在于:所述各层CFRP片材(1)厚度相等,各层片材型泡沫(2)厚度相等且等于CFRP片材的厚度;CFRP片材(1)与片材型泡沫(2)的宽度均按照从中间层向上下各层宽度逐渐减小的规律对称变化,且CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合后的各层外边缘顶点共同内接一个圆,形成一个虚拟的圆形截面。聚乙烯管护套(3)的内径表示为D、CFRP片材(1)的厚度表示为b,由于CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合后的各层外边缘顶点共同内接一个圆,即各层外边缘顶点在同一个圆曲线上,若该圆曲线的中心为坐标原点,该圆曲线方程表示为: 且:
①各层CFRP片材(1)的厚度为b,各层片材型泡沫(2)的厚度为b;
②CFRP片材(1)中间层的宽度为: 从中间层向上或向下第i层宽度
为: (式中i=1,2,…,n);
③片材型泡沫(2)从中间层向上或向下第i层宽度为:
④按照以上给出的由中间层向上或向下第i层CFRP片材(1)宽度计算式,当逐层计算到第N层片材满足wCN小于1/3D时为止,可确定出CFRP片材(1)层数为:2N+1;片材型泡沫(2)层数为:2N。
[0008] 所述在CFRP片材(1)和片材型泡沫(2)叠合层顶部和底部各附上一层圆弧型泡沫(3),使整个叠合层外边缘顶点与聚乙烯管护套(3)内壁紧密相连。该圆弧型泡沫截面宽度为 圆弧长为:
[0009] 采用的泡沫为减震聚酯泡沫,能以空气阻尼和机械阻尼两种方式吸收和消散能量,具有良好的冲击吸能和减震性能。
[0010] 该圆截面多层片材型CFRP拉索体系不仅可以应用在悬索桥、斜拉桥中,还可以应用在空间索结构中。
[0011] 本发明与现有技术相比包含的有益效果是:
[0012] 拉索在自由段采用不同宽度的CFRP片材,并采用不同宽度的片材型泡沫间隔CFRP片材,叠合后形成一个虚拟的圆形截面,可有效降低风振效应,提升拉索自身阻尼,使所述拉索的抗风致振动性能远高于现有的矩形截面片材型CFRP拉索,提升片材型CFRP拉索在强风强振环境中的适用性。
[0013] 拉索在锚固段采用波形夹板和波形夹片来锚固不同宽度的CFRP片材,锚固效率远高于现有锚固圆形截面棒材型CFRP拉索的锚具,可有效减小锚具尺寸,节省成本。

附图说明

[0014] 图1是所述圆形截面示意图。
[0015] 图2是实例一的圆形截面示意图。
[0016] 图3是实例二的圆形截面示意图。
[0017] 图4是不同宽度的CFRP片材的位置排列图。
[0018] 图5是不同宽度的片材型泡沫的位置排列图。。
[0019] 图6是由CFRP片材和片材型泡沫叠合后,形成的一个虚拟的圆形截面,外部包裹上聚乙烯管护套后的拉索自由段。
[0020] 图7是拉索锚固段的施工流程图
[0021] 图8是本发明——圆截面多层片材型CFRP拉索体系的结构示意图。
[0022] 图中:1—CFRP片材,2—片材型泡沫,3—圆弧型泡沫,4—聚乙烯管护套,5—上波形夹板,6—下波形夹板,7—波形夹片,8—螺栓,9—螺母,10—垫圈。

具体实施方式

[0023] 下面结合实例和附图对本发明做进一步说明。
[0024] 本发明为了能够有效解决圆截面棒材型CFRP拉索锚固困难和矩形截面片材型CFRP拉索抗风致振动性能不佳的问题,进一步提升CFRP拉索的性能与适用性,提出一种圆截面多层片材型CFRP拉索体系。
[0025] 实例一
[0026] 根据所述方法,聚乙烯管护套外径为100mm(内径96mm,厚度2mm),片材厚度为1.6mm;
[0027] 各层CFRP片材的厚度为1.6mm,各层片材型泡沫的厚度为1.6mm;
[0028] CFRP片材中间层的宽度从中间层向上或向下
第1层宽度为:
第2层宽度为:
逐层计算到:
第13层宽度为:
第14层宽度为:
[0029] 片材型泡沫从中间层向上或向下第1层宽度为:
第2层宽度为:
逐层计算到:
第13层宽度为:
第14层宽度为:
[0030] 按照以上给出计算,本实例一可确定出CFRP片材层数为:2×14+1=29层,如附图4所示;
[0031] 片材型泡沫层数为:2×14=28层,圆弧型泡沫截面宽度为29.98mm,圆弧长为:如附图5所示;圆形截面示意图如附图2所示。
[0032] 具体实施步骤为:
[0033] 步骤1:将CFRP片材(1)按照由中间层向上下各层宽度尺寸逐渐减小的规律叠合,在拉索自由段采用不同宽度的片材型泡沫(2)间隔CFRP片材(1),顶部和底部附上圆弧型泡沫(3);
[0034] 步骤2:将已经叠合好的拉索自由段外部包裹上聚乙烯管护套(4);
[0035] 步骤3:将已经包裹好的拉索其锚固段片材采用波形夹片(7)间隔,然后放置于上波形夹板(5)与下波形夹板(6)之间,使上波形夹板(5)、各层波形夹片(7)、下波形夹板(6)上预留的螺栓孔洞在竖直方向上一一对应;
[0036] 步骤4:在上波形夹板(5)顶部、下波形夹板(6)底部的螺栓孔处附加上垫圈(10),螺栓(7)依次穿过上波形夹板(5)、波形夹片(7)和下波形夹板(6);
[0037] 步骤5:拧紧螺栓(8)和螺母(9)将CFRP多层片材(1)紧密夹持。
[0038] 实例二:
[0039] 本实例二与实例一相比,同样采用所述方法来确定圆形截面以及相同的实施步骤;不同之处在于:聚乙烯管护套外径为120mm(内径114mm,厚度3mm),片材厚度为1.8mm;
[0040] 各层CFRP片材的厚度为1.8mm,各层片材型泡沫的厚度为1.8mm;
[0041] CFRP片材中间层的宽度从中间层向上或向下
第1层宽度为:
第2层宽度为:
逐层计算到:
第14层宽度为:
第15层宽度为:
[0042] 片材型泡沫从中间层向上或向下第1层宽度为:
第2层宽度为:
逐层计算到:
第14层宽度为:
第15层宽度为:
[0043] 按照以上给出计算,本实例2可确定出CFRP片材层数为:2×15+1=31层;
[0044] 片材型泡沫层数为:2×15=30层。圆弧型泡沫截面宽度为30.66mm,圆弧长为:
[0045] 实例二圆形截面示意图如附图3所示。
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