技术领域
[0001] 本实用新型属于新材料新结构及组合结构领域，涉及一种适用于快速架设和抢修的支撑柱，具体的说是一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱。
背景技术
[0002]
土木工程领域的应急式柱状支撑构件常采用金属材料制作而成，其自重较大，搬运与作业不方便，延长了架设时间，另外金属材料易
腐蚀，养护
费用高，且影响了结构的正常使用与寿命。因此，采用新的材料开发设计出轻质高承载能
力、易搬运架设、耐腐蚀的应急式支撑柱已经迫在眉睫。
[0003]
纤维增强
树脂基复合材料具有比强度高、比
刚度大、耐腐蚀等优势，由其作为蒙皮，然后在两蒙皮中间填充
密度低、厚度大的泡沫芯层所制备而成的复合材料泡沫夹芯支撑柱具有轻质高强、耐腐蚀等优势。但由于泡沫芯层的刚度较低，对复合材料蒙皮的支撑能力弱，导致复合材料泡沫夹芯支撑柱在轴向受压时蒙皮容易发生局部失稳，同时泡沫芯层的剪切刚度低，复合材料泡沫夹芯支撑柱易发生整体剪切失稳；另一方面，复合材料泡沫夹芯结构其蒙皮与芯层的结合强度一般较弱，容易出现面芯脱粘失效。以上
缺陷导致复合材料泡沫夹芯支撑柱承载效率较低，无法满足大承载要求。且目前复合材料泡沫夹芯支撑柱的制备工艺以手糊工艺和二次
固化工艺为主，只能制作小尺寸构件，且面芯结合强度较低，性能不稳定。实用新型内容
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是，克服
现有技术的缺点，提供一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱，本实用新型克服了传统泡沫夹芯柱局部
稳定性差、抗剪切能力低和蒙皮与芯层易脱粘的问题，提供一种在几乎不提升结构自重的前提下，大幅度提升承载效率的格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱，同时提供一种成本低廉、性能稳定、可制备大尺寸格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱的制备方法。
[0005] 为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱，支撑柱主体包括圆柱筒形的复合材料内蒙皮和复合材料外蒙皮，复合材料内蒙皮和复合材料外蒙皮之间设置有泡沫板条，泡沫板条之间设有复合材料格构，复合材料格构等间隔分布在泡沫板条之间，并将复合材料内蒙皮和复合材料外蒙皮连接在一起；在支撑柱两端设置有用于与顶部结构或与另一个相同支撑柱相连的支撑面连接
法兰；在外蒙皮的两端设置有端部增强。
[0006] 本实用新型进一步限定的技术方案是：
[0007] 前述复合材料内蒙皮和复合材料外蒙皮均由纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的
增强材料由玻璃纤维布、
碳纤维布、
玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环
氧树脂、
酚醛树脂、聚
氨酯树脂中的一种或多种。
[0008] 前述泡沫板条的横截面为等腰梯形结构，泡沫板条为PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI 泡沫的一种或多种。
[0009] 前述复合材料格构为纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、
碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为
环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种。
[0010] 前述支撑面连接法兰为纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种；也可在支撑面连接法兰内埋置
钢板以提高法兰的刚度与强度。
[0011] 前述支撑面连接法兰为圆形面或环形面，其直径大于支撑柱外径。
[0012] 前述端部增强为纤维增强树脂基复合材料构成，环向包裹在支撑柱外蒙皮的两端；纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种。
[0013] 前述支撑柱主体的内径为100-1000mm，高度为500-4000mm；复合材料内蒙皮与复合材料外蒙皮的厚度相同或不同，厚度为2-10mm。
[0014] 前述泡沫板条的厚度为10-100mm；复合材料格构的厚度为2-10mm。
[0015] 进一步的，
[0016] 本实用新型还提供了一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱的制备方法，包括如下具体步骤：
[0017] (一)准备泡沫板条(2)：根据构件尺寸设计要求，预先将泡沫平板切割成横截面为梯形的泡沫板条；
[0018] (二)纤维布包裹泡沫板条：在泡沫板条(2)外侧包裹纤维布，并用纤维丝将纤维布固定好，备用；
[0019] (三)准备预成型体：在圆柱形芯模上涂抹
脱模剂后，先在模具上包裹内蒙皮的增强材料；然后将包裹了纤维布的泡沫板条沿圆周方向紧密地布置在内蒙皮增强材料上，并用纤维丝绑扎固定；然后再包裹外蒙皮的增强材料；在支撑柱两端将内蒙皮的增强材料向外翻边，外蒙皮的增强材料向内翻边，也可以在翻边的同时埋置钢板，用于制备支撑面连接法兰；在支撑柱外蒙皮两端缠绕纤维布，作为端部增强，最终得到预成型体；
[0020] (四)组装
真空导入成型系统：在所述预成型体上，依次布置脱模布、导流网、注胶口、抽气口、螺旋管，最后用真空袋封装在圆柱形芯模上，形成一个密封系统；
[0021] (五)注胶与固
化成型：用溢胶管将抽气口与真空系统连接，对密封系统抽真空，检查封闭系统的气密性，确认气密性良好后用注胶管将注胶口与装有树脂体系的容器相连，树脂在
负压下抽入封闭系统，树脂在通过螺旋管和导流网均匀浸润纤维布并填充泡沫与纤维布之间的空隙，固化成型；
[0022] (六)后处理：使用顶推法将模具从固化后的成型体中取出来，脱除成型体上的真空袋、导流网、脱模布、螺旋管，打磨毛边，便可得到格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱。
[0023] 本实用新型的有益效果是：
[0024] 本实用新型的关键技术突破在于引入了复合材料格构，该复合材料格构的设计具有以下有益效果：(1)抗失稳能力强。本实用新型在泡沫芯层引入了复合材料格构，该复合材料格构与复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、泡沫芯层经树脂粘结一体固化，形成有机整体。该复合材料格构将复合材料内、外蒙皮沿厚度方向贯通连接，提高了芯层的剪切刚度，提高支撑柱的整体稳定性；同时复合材料内、外蒙皮被格栅加筋增强，能够高效的防止复合材料内、复合材料外蒙皮发生局部失稳，从而达到更高效发挥复合材料强度的目的。(2)面芯结合强度高。本实用新型制备方法中包裹在泡沫板条上的纤维布与内蒙皮、外蒙皮的纤维布大面积
接触，负压下树脂将所有的纤维布浸透，使其一体固化，而且抽真空后预成型件承受0.1个
大气压的负压，保证了各组分均匀紧密贴合，因此该工艺制备的格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱具有优越的面芯结合强度，能有效防止蒙皮与芯层发生脱粘失效，且该制备方法成本低廉、可制备大尺寸构件。(3)本实用新型在复合材料内、复合材料外蒙皮、复合材料格构之间填充了泡沫板条，该泡沫板条一方面作为模具保证了蒙皮与格构的成型，另一方面对复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、复合材料格构起到弹性
基础支撑作用，将有效提高其抗局部失稳能力。(4)本实用新型中的复合材料格构其自身具备高强度比、高刚度比的特点，且布置方向与受力方向一致，因此复合材料格构自身能够有效的分担外荷载，起到提升增强型泡沫夹芯支撑柱的整体承载能力的效果。(5)经轴压试验表明：与未加格栅增强的复合材料泡沫夹芯支撑柱相比，在几乎不增加自重的前提下，格栅增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱有效的延缓了蒙皮局部失稳，试验中至始至终均未发生面芯脱粘失效，承载能力大幅度提升，试制的格栅增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱全部通过了承载性能测试，完全满足设计指标要求。(6)本实用新型具有轻质高强，易于搬运与架设，耐腐蚀无需保养等优势，可用于土木工程领域的各类柱状支撑结构。
附图说明
[0025] 图1为本实用新型的主视图；
[0026] 图2为本实用新型的剖视图；
[0027] 图3为本实用新型的内部结构示意图；
[0028] 其中，1-复合材料内蒙皮，2-泡沫板条，3-复合材料格构，4-复合材料外蒙皮，5-支撑面连接法兰，6-端部增强。
具体实施方式
[0030] 本实施例提供一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱，如图1所示，包括支撑柱主体、支撑面连接法兰和端部增强，如图2、图3所示，支撑柱主体包括圆柱筒形的复合材料内蒙皮1和复合材料外蒙皮4，复合材料内蒙皮1和复合材料外蒙皮4之间设置有泡沫板条2，泡沫板条2的外侧包裹有复合材料，沿壁厚方向的复合材料将复合材料内蒙皮1与复合材料外蒙皮4连接起来，形成复合材料格构3，即：泡沫板条2之间设有复合材料格构3；复合材料格构3等间隔分布在泡沫板条2之间，并将复合材料内蒙皮1和复合材料外蒙皮4连接在一起；支撑面连接法兰5作为支撑柱的连接部分布置在支撑柱的两端；端部增强6包裹在外蒙皮的两端，且设置有过渡段以减小
应力集中。
[0031] 前述复合材料内蒙皮1和复合材料外蒙皮4均由纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种。前述泡沫板条2的横截面为等腰梯形结构，泡沫板条2为PVC泡沫、PMI泡沫、 PU泡沫或PEI泡沫中的一种或多种。前述复合材料格构3为纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种。
[0032] 前述支撑面连接法兰5为纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种；可在支撑面连接法兰5内埋置钢板。前述支撑面连接法兰5为圆形面或环形面，其直径大于支撑柱外径。前述端部增强6为纤维增强树脂基复合材料构成，环向包裹在外蒙皮的两端；纤维增强树脂基复合材料中的增强材料由玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维增强树脂基复合材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂中的一种或多种。
[0033] 前述支撑柱主体的内径为100-1000mm，高度为500-4000mm；复合材料内蒙皮1与复合材料外蒙皮4的厚度相同或不同，厚度为2-10mm。前述泡沫板条2的厚度为10-100mm；复合材料格构3的厚度为2-10mm。
[0034] 本实施例中，泡沫板条2采用密度60kg/m3的PVC泡沫，复合材料内蒙皮1、复合材料外蒙皮4、复合材料格构3、支撑面连接法兰5和端部增强6均由玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料构成。支撑柱主体的内径为400mm，高度为2000mm，泡沫板条2的厚度为40mm，复合材料内蒙皮1与复合材料外蒙皮4的厚度为3mm，复合材料格构3厚度为3mm，端部增强6的总高度为60mm，其均匀段的高度为30mm，厚度为5mm，支撑面连接法兰5为环形，外径为592mm。
[0035] 本实施例在泡沫芯层引入了复合材料格构，该复合材料格构与复合材料内、复合材料外蒙皮、PVC泡沫通过真空辅助树脂导入工艺一体固化成型，形成有机整体，复合材料格构的存在增加了芯层的剪切刚度，能够有效防止支撑柱剪切失稳，同时复合材料格构作为内外蒙皮的加强筋，能够有效控制内、外蒙皮发生局部失稳，从而更有效的将复合材料蒙皮的强度发挥出来。另外，包裹在泡沫板条上的纤维布与内外蒙皮纤维布接触面积大，一次性固化成型，因此面芯粘结强度大幅度提升，且复合材料格构本身具有轻质高强特性，布置方向与受力方向相同，因此复合材料格构能够有效分担外荷载。本实施例中采用的真空辅助树脂导入工艺简单易操作、造价低廉、且适合制备大尺寸构件。
[0036] 实施例2
[0037] 本实施例提供一种格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱的制备方法，包括如下具体步骤：
[0038] (一)准备泡沫板条：根据构件尺寸设计要求，预先将泡沫平板切割成横截面为梯形的泡沫板条，根据要求，切割32条等腰梯形截面泡沫板条2，长2000mm，厚40mm，上底37mm，下底44mm，备用；
[0039] (二)纤维布包裹泡沫板条：在泡沫板条外侧包裹纤维布，并用纤维丝固定好；将厚度为0.5mm的玻璃纤维平纹布裁切成长2000mm，宽330mm的长条，共计32
块，然后将切割好的泡沫板条2用玻璃纤维平纹布包裹起来，并用纤维丝固定，此时每块泡沫板条2上的纤维布厚度为1.5mm，烘干备用；
[0040] (三)准备支撑柱预成型体：在圆柱形芯模上涂抹脱模剂后，先在模具上包裹内蒙皮的增强材料；然后将包裹了纤维布的泡沫板条沿圆周方向紧密地布置在内蒙皮增强材料上，并用纤维丝绑扎固定；接着包裹外蒙皮的增强材料；在支撑柱两端将内蒙皮的增强材料向外翻边，外蒙皮的增强材料向内翻边，得到支撑柱主体；
[0041] 在内径为400mm的刚性模具上涂抹脱模剂，干燥后备用。裁切两块厚度为0.5mm的玻璃纤维平纹布，尺寸分别为3782mm*2192mm和4592mm*2092mm，分别用于缠绕内蒙皮1与外蒙皮4，烘干备用；
[0042] 在芯模上缠绕包裹纤维布(即内蒙皮的增强材料)，共计3层总厚1.5mm；然后将包裹了纤维布的泡沫板条沿圆周紧密地布置在内侧纤维布上，组装成一个完整的芯层，并用纤维丝绑扎固定，此时泡沫板条2之间的格构4厚度即为3mm；接着缠绕外蒙皮的纤维布，共计3 层，总厚1.5mm，得到预成型体，此时内蒙皮与外蒙皮纤维布的厚度为3mm(缠绕在圆形柱上纤维布与包裹在泡沫板条上纤维布的厚度之和)；内蒙皮与外蒙皮纤维布宽度分别为2192mm 和2092mm，大于支撑柱高2000mm，长出的纤维布用于翻边制备支撑面连接法兰，先将长出的外侧纤维布向内翻，再将内侧长出的纤维布外翻，并用树脂喷胶固定，作为支撑面连接法兰的增强材料，最后在外蒙皮两端缠绕10层玻璃纤维平纹布，作为端部增强的增强材料，最终得到预成型体；
[0043] (四)组装真空导入成型系统：在步骤(三)的基础上依次铺放脱模布和导流网，布置螺旋管，抽气口，注胶口，然后在模具两端距离预成型体100mm处粘贴
密封胶条，最后用真空袋封装，在密封胶条处将真空袋与模具封合，形成密封系统；
[0044] (五)注胶与固化成型：用溢胶管将抽气口与真空系统连接，真空系统包括真空
泵与树脂收集器，打开
真空泵，将封闭系统的空气抽出，形成真空，然后关闭真空泵，检查密封模腔的气密性，如果封闭系统的负压能长时间维持在0.1个大气压，说明封闭系统气密性良好，此时将注胶口用注胶管与装有树脂体系的容器相连，树脂体系由乙烯基树脂30-200P与固化剂和促凝剂按照100:1:1的
质量比混合而成，树脂在真空负压下导入封闭系统中，并通过导流网迅速分流、均匀的浸润预成型体，待注胶完成后用夹子夹死溢胶管与注胶管，维持封闭模腔真空状态，使预成型体之间
压实压紧，常温下4小时后结构固化成型；
[0045] (六)后处理：使用顶推法将模具从固化后的成型体中取出来，脱除成型体上的真空袋、导流网、脱模布、螺旋管，打磨毛边，便可得到格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱。
[0046] 以上实施例的关键技术突破在于引入了复合材料格构，具有：(1)抗失稳能力强。本实施例在泡沫芯层引入了复合材料格构，该复合材料格构与复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、泡沫芯层经树脂粘结一体固化，形成有机整体。该复合材料格构将复合材料内、外蒙皮沿厚度方向贯通连接，提高了芯层的剪切刚度，提高支撑柱的整体稳定性；同时复合材料内、外蒙皮被格栅加筋增强，能够高效的防止复合材料内、复合材料外蒙皮发生局部失稳，从而达到更高效发挥复合材料强度的目的。(2)面芯结合强度高。本实施例制备方法中包裹在泡沫板条上的纤维布与内蒙皮、外蒙皮的纤维布大面积接触，真空辅助树脂导入时树脂将所有的纤维布浸透，使其一体固化，而且抽真空后预成型件承受0.1个大气压的负压，保证了各组分均匀紧密贴合，因此该工艺制备的格构增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱具有优越的面芯结合强度，能有效防止蒙皮与芯层发生脱粘失效，且该制备方法成本低廉、可制备大尺寸构件。 (3)本实施例在复合材料内、复合材料外蒙皮、复合材料格构之间填充了泡沫板条，该泡沫板条一方面作为模具保证了蒙皮与格构的成型，另一方面对复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、复合材料格构起到横向支撑作用，将有效提高其抗局部失稳能力。(4)本实施例中的复合材料格构其自身具备高强度比、高刚度比的特点，且布置方向与受力方向一致，因此复合材料格构自身能够有效的分担外荷载，起到提升增强型泡沫夹芯支撑柱的整体承载能力的效果。(5)经轴压试验表明：与未加格栅增强的复合材料泡沫夹芯支撑柱相比，在几乎不增加自重的前提下，格栅增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱有效的延缓了蒙皮局部失稳，至始至终均未发生面芯脱粘失效，承载能力大幅度提升，试制的格栅增强型复合材料泡沫夹芯支撑柱全部通过了承载性能测试，完全满足设计指标要求。(6)本实施例具有轻质高强，易于搬运与架设，耐腐蚀无需保养等优势，可用于土木工程领域的各类柱状支撑结构。
[0047] 以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
