專利名稱：按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件，特別涉及具有改進(jìn)的強(qiáng)度和抗腐蝕性的填充了混凝土的低成本纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還涉及用來相互連接許多按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件以便形成框架和支承結(jié)構(gòu)的不同方法，該框架和支承結(jié)構(gòu)可減少制造和保養(yǎng)費(fèi)用并消除地震沖擊和化學(xué)腐蝕。
2．相關(guān)領(lǐng)域描述結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件廣泛采用在各種土木工程應(yīng)用中。混凝土的高抗壓強(qiáng)度、其低成本和易于獲得使其特別適用于許多土木工程中，例如用于橋梁柱、梁和支承塔?；炷翗?gòu)件可預(yù)制和利用機(jī)械緊固件現(xiàn)場安裝，或更普遍的使用適當(dāng)?shù)哪０瀣F(xiàn)場就地澆注。
對需要高強(qiáng)度和/或增加變形量的應(yīng)用，例如橋梁支承柱，常使用鋼筋混凝土構(gòu)件。傳統(tǒng)的加強(qiáng)物包括埋置的鋼筋或沿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度布置的總體與結(jié)構(gòu)構(gòu)件軸線在一條直線上的張拉鋼絲索/鋼筋。在地震區(qū)通常選擇使用低碳鋼筋，以便在地震活動(dòng)情況下，加大鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非彈性變形量和延展反應(yīng)。
預(yù)制這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件是可能的，但由于其重量的原因，它們很難進(jìn)行長途距離輸送且輸送花費(fèi)很高。而且，必須現(xiàn)場準(zhǔn)備重型起重設(shè)備以便在安裝時(shí)定位和支承結(jié)構(gòu)構(gòu)件。現(xiàn)場制造也是可能的，但由于必須(1)在現(xiàn)場搭制一個(gè)適當(dāng)?shù)呐R時(shí)模板以澆注理想形狀的混凝土；(2)在混凝土內(nèi)綁扎鋼筋或鋼筋籠(有時(shí)必須焊接)以提供足夠的抗拉能力；和(3)一旦混凝土固化需拆卸和移走模板，因此耗費(fèi)時(shí)間并增加施工勞力消耗。
甚至在初始制造完成后，特別是在易于發(fā)生地震活動(dòng)或暴露于鹽或其它化學(xué)制劑中的區(qū)域，常需大量的附加費(fèi)用以便維修和/或保養(yǎng)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)楦鶕?jù)傳統(tǒng)鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)原理，它需要破裂來把撓曲張力傳送到鋼筋。當(dāng)鋼筋在所施加載荷作用下拉伸時(shí)在混凝土構(gòu)件的張拉側(cè)形成了這些裂縫。這些裂縫允許水和空氣進(jìn)入并腐蝕鋼筋。鋼筋的腐蝕通過鋼橫筋截面上的體積膨脹實(shí)現(xiàn)。
過一段時(shí)間，繞裂縫區(qū)的鋼筋局部腐蝕可使混凝土保護(hù)層剝落并減弱混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體性，這使其低于所需的最低標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)值。常需大量的修復(fù)勞動(dòng)來恢復(fù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體性，在這種修復(fù)后鋼筋的腐蝕通常繼續(xù)發(fā)生。
預(yù)張拉鋼筋或提供內(nèi)部支承例如后張鋼絲索/鋼筋可以增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的名義彈性強(qiáng)度，從而限制應(yīng)力所產(chǎn)生裂縫的大小。參見Yee的美國專利5305572。但是這產(chǎn)生一種很難變形且吸收能量的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此更易于脆壞。通常，特別是在地震區(qū)，最好是保留盡可能多的延展變形量。
Sato的美國專利4722156建議使用預(yù)制外鋼管或外套以便提供一種用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模板，一旦混凝土固化該模板就地留下作為加強(qiáng)件使用。因?yàn)殇摷訌?qiáng)管在混凝土芯外側(cè)，鋼加強(qiáng)件的腐蝕或其它削弱能可見地觀察和維修。
然而，鋼管的缺點(diǎn)是它很重且很難加工。在現(xiàn)場需要重型起重設(shè)備以便安裝時(shí)定位和支承鋼管。不利地是，鋼加強(qiáng)件的附加重量增加了結(jié)構(gòu)的地震擾動(dòng)質(zhì)量。還需要熟練技術(shù)的焊工來焊接相鄰的管構(gòu)件。這種焊接很不利，因?yàn)樗粌H增加了制造總體費(fèi)用，而且焊接縫易于脆壞。另外，特別在腐蝕化學(xué)或海上環(huán)境，因?yàn)殇摷訌?qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全暴露，合成的結(jié)構(gòu)仍易于腐蝕損壞。由于需要周期性地油漆鋼管且維修任何腐蝕損壞，因此增加了保養(yǎng)費(fèi)用。
其它人還提出用不腐蝕復(fù)合材料例如保持在一個(gè)硬化的聚合物母體上的碳、芳族聚酰胺或玻璃纖維來替換傳統(tǒng)的鋼筋或張拉鋼筋。這種材料在現(xiàn)存的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件例如墻、橋梁柱和支承塔的抗地震改進(jìn)方面很有希望。見在此作為參考的ASCE結(jié)構(gòu)工程雜志(ASCEJournal OF Structural Engineering),1994年3月第3期第120卷第925-946頁，Seible,F.,Priestley,M.J.N.,Kingsley,G.R,和Kurkchubasche,A.所著的“五層全范圍加強(qiáng)圬工建筑物的地震反應(yīng)”(“Seismic Response of Five Story Full Scale Reinforced MasonryBuilding”)。通過用適當(dāng)?shù)臉渲n纖維材料并將纖維束繞混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的周邊纏繞，從而將碳纖維用于受地震破壞的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外周邊。通過限制混凝土以防止脆壞而增加了鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度。參見Fyfe的美國專利5043033和Kobatake等的美國專利4786341。
然而，在結(jié)構(gòu)有效性和經(jīng)濟(jì)性方面，這種復(fù)合材料在新建筑中僅取得了有限的成功。未解決的技術(shù)難題例如錨固問題和長期蠕變/松弛問題阻止碳纖維桿或腱代替鋼筋。幾倍于傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件的增加的材料成本阻止了在該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展。
另一方面，對現(xiàn)存混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)改進(jìn)很難進(jìn)行且耗費(fèi)時(shí)間。而且，為了使側(cè)限強(qiáng)度最大，碳纖維總體在幾乎垂直于結(jié)構(gòu)構(gòu)件縱向軸線的方向上定向。這樣，纖維不會(huì)顯著的直接影響改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎曲變形量。相反，仍需要鋼筋。最后，這種改進(jìn)的技術(shù)沒有提到在相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接的問題。這是一個(gè)關(guān)鍵的問題，因?yàn)榘ǘ鄠€(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的任意結(jié)構(gòu)的整體性受到將單獨(dú)結(jié)構(gòu)構(gòu)件固定在一起的連接部分的強(qiáng)度和韌度的限制。
發(fā)明概述當(dāng)前建筑工業(yè)中需要不易受腐蝕作用的低成本、輕質(zhì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件可快速和簡單的在現(xiàn)場安裝，安裝使用了輕型設(shè)備和不熟練或半熟練的勞力，且該結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以以按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的部件形式預(yù)制并實(shí)際輸送到世界上的任意地方。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是滿足這種需要并解決傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的上述缺陷和局限。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種預(yù)制的輕質(zhì)纖維加強(qiáng)外殼，該外殼可在現(xiàn)場快速和很容易的安裝，且填充有混凝土以便形成具有混凝土的承壓強(qiáng)度特性和復(fù)合材料纖維的拉伸強(qiáng)度特性的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件。盡管高強(qiáng)度纖維材料具有較高的材料成本(例如碳=約10-15美元每磅)，但根據(jù)本發(fā)明制造的一種纖維加強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本令人驚奇的低于具有類似載荷/變形量的傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這主要是由于使用了不熟練或較不熟練的勞力來安裝輕質(zhì)外殼、減少勞動(dòng)密集模板和拆卸模板的步驟以及加強(qiáng)件的布置和綁扎、加快施工進(jìn)度、增加可靠性并減少保養(yǎng)費(fèi)用等引起了成本的顯著節(jié)省。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種纖維加強(qiáng)外殼，它包括以一個(gè)或多個(gè)預(yù)定角度及一個(gè)或多個(gè)預(yù)定厚度纏繞的高強(qiáng)度纖維絲，選擇每個(gè)角度和/或厚度，以便為結(jié)構(gòu)撓性提供最優(yōu)強(qiáng)度和側(cè)限以及為給定的整體壁厚提供剪切。外殼是輕質(zhì)的，因此，很容易在現(xiàn)場處理。形成的外殼在縱向上還具有顯著的抗拉強(qiáng)度，這樣盡管可以選擇性地使用鋼筋，但不再要求必須增加鋼筋。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一個(gè)具有肋或類似構(gòu)件的纖維加強(qiáng)外殼以防止混凝土芯相對于外殼移動(dòng)，并且在混凝土芯和外殼之間提供一個(gè)力傳送機(jī)構(gòu)。肋可以僅布置在外殼的端部以便與相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件保持適當(dāng)?shù)倪B接，或者為了在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度上提供與混凝土芯的足夠接合，因而在外殼的整個(gè)內(nèi)部連續(xù)提供肋。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種空間框架結(jié)構(gòu)，例如一種由許多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件制成的桁架橋。桁架構(gòu)件利用按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的纖維加強(qiáng)外殼在現(xiàn)場安裝，然后填充混凝土以形成合成結(jié)構(gòu)?；蛘撸景l(fā)明提供了一種由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件制成的拱橋或索拉橋。
考慮到下面對優(yōu)選實(shí)施例的說明并參考附圖，本發(fā)明的這些和其它目的及優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說十分顯然。然而本發(fā)明并不僅限于所公開的特定的優(yōu)選實(shí)施例。
附圖簡述

圖1A是具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部剖開的透視圖；圖1B是具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)外殼的局部剖開的透視圖；圖2A-2C是示出具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)外殼的若干可能橫截面形狀的示意圖；圖3A是具有本發(fā)明特征的的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱向截面圖，它表示將復(fù)合材料構(gòu)件固定到一個(gè)基礎(chǔ)上的一個(gè)優(yōu)選方法；圖3B是具有本發(fā)明特征的的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱向截面圖，它表示將復(fù)合材料構(gòu)件固定到一個(gè)基礎(chǔ)上的另一個(gè)優(yōu)選方法；圖3C是在基礎(chǔ)交界面上圖3B的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的放大截面圖；圖4A-4D是示出具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一般壓力和拉力的應(yīng)力-應(yīng)變圖；圖5是沿45度的假想剪力面具有本發(fā)明特征的一個(gè)纖維加強(qiáng)外殼的一般剪力特征的力示意圖；圖6A是承受一個(gè)側(cè)向載荷的一個(gè)傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的載荷-位移圖6B是根據(jù)圖3A制造的且承受一個(gè)側(cè)向載荷的一個(gè)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料柱的載荷-位移圖；圖6C是根據(jù)圖3B制造的且承受一個(gè)側(cè)向載荷的一個(gè)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料柱的載荷-位移圖；圖6D是圖6A-6C表示的不同載荷-位移特性的比較圖表；圖7A和7B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的縱向和橫向截面圖；圖8A和8B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的另一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖9A和9B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的又一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖10A和10B分別是結(jié)合了圖7-9所示拼接連接器特征的一個(gè)拼接連接器的另一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖11A和11B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的另外一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖12A和12B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的另外一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖13A和13B分別是具有本發(fā)明特征的拼接連接器的另外一個(gè)實(shí)施例的縱向和橫向截面圖；圖14A-14D是示出具有本發(fā)明特征的一個(gè)交叉形鉸接連接器的使用和組裝的按時(shí)間順序的前立視圖；圖15A是具有根據(jù)本發(fā)明制造和安裝的梁形塑性鉸鏈的一個(gè)纖維加強(qiáng)空間框架的示意圖；圖15B是具有根據(jù)本發(fā)明制造和安裝的柱形塑性鉸鏈的一個(gè)纖維加強(qiáng)空間框架的示意圖；圖16A-16C分別是根據(jù)本發(fā)明制造和安裝的一個(gè)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料桁架橋的側(cè)立視圖、底平面圖和橫向截面圖；和圖17A-17C分別是根據(jù)本發(fā)明制造和安裝的一個(gè)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料拱橋的側(cè)立視圖、底平面圖和橫向截面圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述圖1A和1B表示一種具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件100的一個(gè)局部剖視圖。圖中所示的具體復(fù)合材料構(gòu)件為優(yōu)選的圓柱體形狀，因?yàn)閷τ诮o定的橫截面來說，圓柱體形狀能最有效地利用材料，而且具有最大的結(jié)構(gòu)整體性。然而，本發(fā)明不僅限于圓柱體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還可以使用例如如圖2A-2C所示的各種其它形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該構(gòu)件僅作為例子來提供。圖2A表示上述優(yōu)選的圓形橫截面。圖2B表示有側(cè)限為矩形或“conrec”橫截面，這種橫截面在需要較扁平的梁或柱表面的用途中可能具有某些優(yōu)點(diǎn)。圖2C表示具有如圖所示的較小外圓角半徑Rmin的基本上正方形橫截面。還可使用具備在此所公開的本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和益處的這些和其它凸管、棱柱或非棱柱形狀。
再次參見圖1，如下詳細(xì)所述，復(fù)合材料構(gòu)件100總體包括一個(gè)纖維加強(qiáng)外殼或外套103和一個(gè)灌注進(jìn)外殼103內(nèi)并在其中就地固化的混凝土芯105。
纖維加強(qiáng)外殼外殼103由呈工作關(guān)系固定在一個(gè)適合的聚合物母體或粘合劑內(nèi)的多圈高強(qiáng)度纖維絲繞組107,109組成。合適的高強(qiáng)度纖維可包括例如玻璃或芳族聚酰胺纖維或更優(yōu)選為高強(qiáng)度碳纖維，但不限于此。適當(dāng)?shù)?，聚合物母體材料可包括各種環(huán)氧樹脂、乙烯酯或聚酯中的任意其中之一，但不限于此，這些材料可通過化學(xué)方法、加熱或紫外線固化來硬化。環(huán)氧樹脂，特別是大力神航空航天(Hercules Aerospace)HBRF55A環(huán)氧樹脂，由于其具有極佳的機(jī)械性能和容易得到而最好用作母體材料。不同的公知添加劑可自由的添加到未固化的聚合物母體中，以加強(qiáng)其可加工性、機(jī)械特性和/或延緩其易燃性或提供對紫外線輻射的保護(hù)。
最好以傳統(tǒng)方式通過將成束的高強(qiáng)度絲纏繞在一個(gè)旋轉(zhuǎn)卷筒上來纏絲。成束的絲可根據(jù)需要以預(yù)浸漬材料方式預(yù)先涂上一種聚合物粘合劑(“干法纏繞”)，或者在纏繞于卷筒上之前(“干法纏繞”)成束的絲可在一個(gè)樹脂槽內(nèi)浸透。絲繞組可一層疊一層以便形成具有預(yù)定壁厚“t”的外殼。
不同的絲層最好以一個(gè)或多個(gè)預(yù)定的纏繞角度纏繞在卷筒上，以便根據(jù)預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整外殼103的應(yīng)力和彎曲特性。在圖示的優(yōu)選實(shí)施例中，碳纖維絲107,109分別相對于復(fù)合材料構(gòu)件100的縱軸“Z”呈±10度(縱向纖維)和90度(環(huán)向纖維)的角度纏繞。當(dāng)然，可采用其它纏繞角度，并仍具備本發(fā)明所帶來的益處和優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)思和材料成本各層纏繞絲可根據(jù)需要以編織或其它方式形成交叉，或者分成各分離層。例如，絲層可形成分離部分，這樣，例如外殼103的內(nèi)側(cè)部分由基本上所有呈90度的纖維109構(gòu)成，而外殼103的外側(cè)部分由基本上所有呈±10度的纖維107組成。相反，處于一個(gè)纏繞角的絲層可嵌入在以不同纏繞角度纏繞的多個(gè)絲層之間。
上面對優(yōu)選制造技術(shù)的描述僅僅是為了說明的目的。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，很容易理解，種種其它制造技術(shù)可以用來制造具有本發(fā)明的所需強(qiáng)度和柔順特性的一種外殼103。其它適合的制造技術(shù)可包括，例如，將高強(qiáng)度纖維布纏放在一個(gè)模板或旋轉(zhuǎn)卷筒上、將隨機(jī)取向的低模量短切纖維纏放在一個(gè)模板或旋轉(zhuǎn)卷筒上、將低模量短切纖維連續(xù)擠出到一個(gè)母體材料內(nèi)、或者連續(xù)地編織一種由高強(qiáng)度纖維絲構(gòu)成的管套并且用聚合物涂敷。
如圖1B的局部剖視圖所示，在外殼103的內(nèi)表面的至少一部分上最好設(shè)有肋115。肋115在外殼103和內(nèi)部混凝土芯105之間提供了一種機(jī)械接合互鎖。肋115最好具有約0.01至0.10英寸的高度，最好約為0.045英寸，且形成接近傳統(tǒng)鋼筋構(gòu)件的滾花外表面。當(dāng)然，也可根據(jù)需要采用其它便利的形狀和尺寸。
如圖1A所示，肋115可以是同心的或從纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼的一端呈連續(xù)螺旋至一理想的深度d，或者，為了在構(gòu)件100的全長上在外殼103和混凝土芯105之間提供一種機(jī)械接合，肋115可沿纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼103的長度方向上連續(xù)伸展。最好，肋115形成突出的突起，該突出突起從外殼103的內(nèi)表面伸進(jìn)混凝土芯105內(nèi)，這樣在接合點(diǎn)肋115不會(huì)降低外殼103的厚度?；蛘撸拷總€(gè)肋115的外殼103的厚度可增加以便補(bǔ)償由肋115引起的壁厚“t”的任何變化。
混凝土芯混凝土芯105可包括一種任選填加有砂或集料的常規(guī)砂漿或混凝土漿，或者，混凝土芯105可由在建筑工業(yè)中所熟知和很容易得到的下列物質(zhì)的任何一種全部或部分地組成，這些物質(zhì)包括大量特種水泥，集料或漿、例如輕質(zhì)混凝土、泡沫混凝土或其它可固化的磚石實(shí)體。
不同的添加劑可與未固化的混凝土芯105混合在一起以提高其和易性和/或提供增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性能?？梢蕴砑悠渌熘奶砑觿┮苑乐乖诠袒^程中混凝土芯105的過度收縮或者在固化過程中使混凝土芯105膨脹，這樣外殼103保持足夠小的抵抗固化混凝土芯105的側(cè)限壓力。根據(jù)參數(shù)研究，發(fā)現(xiàn)約εd=0.001英寸的膨脹應(yīng)變可在塑性鉸鏈或過渡區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生足夠的側(cè)限壓力。
混凝土芯105在液態(tài)或未固化狀態(tài)下開始灌注進(jìn)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼103內(nèi)。外殼103提供了一個(gè)用于容納正在固化的液態(tài)混凝土的模板?？扇芜x使用機(jī)械攪拌裝置或其它振搗器以便使在外殼103內(nèi)的混凝土沉降從而阻止空隙形成。使用混凝土稀料、砂或細(xì)粒集料還有助于制造勻質(zhì)無空隙的混凝土芯105。盡管這里所公開的本發(fā)明中并不需要，然而仍可任選在混凝土芯105內(nèi)設(shè)置鋼筋構(gòu)件或后張鋼絲索/鋼筋(未表示)。
復(fù)合材料柱/塔結(jié)構(gòu)盡管可以想象到本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于土木工程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，然而早期的發(fā)展集中在設(shè)計(jì)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料柱支架和塔上。因此，盡管下面的詳細(xì)描述專門涉及設(shè)計(jì)不同的復(fù)合材料柱支架構(gòu)件和塔，應(yīng)該想到這里公開的原理和設(shè)計(jì)技術(shù)同樣可用來設(shè)計(jì)其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁、托梁、桁架、拱架等。
圖3A和3B表示具有本發(fā)明特征的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的兩個(gè)可選實(shí)施例。圖3A的復(fù)合材料柱設(shè)計(jì)成具有最大延展特性和最大變形量并且最好用在地震活動(dòng)多發(fā)區(qū)域。圖3B的復(fù)合材料柱設(shè)計(jì)成具有最大強(qiáng)度且最好用于無地震區(qū)域或者中度大地?cái)_動(dòng)的地震區(qū)域。
首先，如圖3A所示的實(shí)施例，如圖所示，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件120包括一個(gè)內(nèi)直徑為“D”的纖維加強(qiáng)外殼123和一個(gè)具有基本相等外直徑的內(nèi)混凝土芯121。復(fù)合材料柱120通過許多軟鋼搭接鋼筋125安裝在一個(gè)基礎(chǔ)129上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解搭接鋼筋125和外殼所提供的側(cè)限形成一塑性鉸鏈，該塑性鉸鏈在地震沖擊的情況下可以使柱120的延展性柔量增加到最大。
通過為基礎(chǔ)設(shè)置一個(gè)模板，并且將搭接鋼筋125放置在其中，可將柱120固定在基礎(chǔ)129上。搭接鋼筋125最好為L形或者T形，并且布置成間隔開的環(huán)形圖案，如圖所示，每個(gè)搭接鋼筋的下端向外和/或向內(nèi)伸展。搭接鋼筋的上垂直部分向上伸進(jìn)外殼123內(nèi)的一預(yù)定距離“L”，并且限定了一個(gè)假想的圓筒，該圓筒直徑在約1至5英寸之間，最好是約3英寸，它比外殼123的內(nèi)直徑“D”小。根據(jù)需要，通過利用傳統(tǒng)的施工方法圍繞搭接鋼筋構(gòu)件125連續(xù)地纏繞一個(gè)或多個(gè)鋼筋構(gòu)件126，搭接鋼筋的下垂直部分可以系緊在一起，從而形成一個(gè)鋼筋籠128。
在搭接鋼筋125固定就位后，灌注基礎(chǔ)129，并使混凝土固化。然后，外殼123放置在搭接鋼筋125上并且利用加斜撐、腳手架或者其它適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)來將它固定就位。為了在復(fù)合材料柱120發(fā)生較大角位移的情況下防止外殼123破碎，在外殼123的底部和基礎(chǔ)129的上表面之間最好設(shè)有一個(gè)小縫隙127?？p隙127在約0.5和3.0英寸之間，并且最好是約1.0英寸，該縫隙應(yīng)足夠用于大多數(shù)應(yīng)用情況。如果需要，一種柔順材料例如橡膠、泡沫塑料或者金屬環(huán)(未示出)可放置在縫隙127內(nèi)以便使外殼123密封到基礎(chǔ)129的頂表面上，從而防止在混凝土芯121處于未固化狀態(tài)時(shí)該混凝土芯121發(fā)生滲漏。
一旦外殼123固定(且任選密封)到基礎(chǔ)129上之后，然后將混凝土灌注到外殼123內(nèi)至一理想水平面。如果在柱120的頂部需要一個(gè)第二接頭，那么可以在灌注混凝土芯121之前使接頭布置就位，或者逐步完成該連接。例如，可以將混凝土灌注到第一水平面，使其凝固，同時(shí)附加接縫和接頭固定就位，然后灌注到第二水平面，根據(jù)需要重復(fù)該步驟多次以便形成支撐框架結(jié)構(gòu)。
如上簡述，在灌注混凝土芯121期間可以使用一種機(jī)械攪拌裝置或振搗器，以便使混凝土混合物固化并且防止形成空隙。或者，混凝土可以被壓力泵送入外殼123內(nèi)并且在壓力下密封成基本相同的理想產(chǎn)物。如上所述，還可以使用不收縮或可膨脹的混凝土以確保對混凝土芯121的足夠的側(cè)壓力。如果估計(jì)到有大量收縮的話，肋115的尺寸(圖1B)還可以增加以便在外殼123和混凝土芯121之間保持機(jī)械接合。
在圖3B所示的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖所示，外殼139直接伸進(jìn)基礎(chǔ)137內(nèi)，其深度增加以便容納較高的預(yù)期應(yīng)力。一旦外殼139固定就位，混凝土芯140和基礎(chǔ)137同時(shí)灌注?；蛘撸鐖D3C所示，在基礎(chǔ)交界面處圍繞復(fù)合材料柱135的底部設(shè)有一個(gè)過渡區(qū)141，以便在復(fù)合材料柱135和基礎(chǔ)137之間提供一個(gè)柔順的過渡。過渡區(qū)141的尺寸可以根據(jù)需要改變，但是該尺寸在最大點(diǎn)處最好處于比復(fù)合材料柱135的直徑大1-3英寸的范圍內(nèi)，該最大點(diǎn)從基礎(chǔ)137的頂部漸縮至零所歷經(jīng)的尺寸為5-12英寸。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易理解在具備本發(fā)明所帶來的益處和優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)可以使用種種其它形狀和尺寸，過渡區(qū)141最好包括一種柔順材料，例如一種結(jié)構(gòu)粘合劑，該結(jié)構(gòu)粘合劑具有低于混凝土彈性模量、且最好比混凝土彈性模量的大約一半還要低的低彈性模量。
為了提供阻止軸向拔拉外殼的附加阻力，在外殼139的下端上還設(shè)有一個(gè)可選擇的向外伸出的唇緣或突緣。在復(fù)合材料構(gòu)件135內(nèi)還可能設(shè)有孔以便根據(jù)需要容納水平錨固桿。或者，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易理解可以使用許多其它適當(dāng)?shù)姆椒ê瓦B接裝置，以便將一個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件固定到一個(gè)基礎(chǔ)或其它結(jié)構(gòu)上，同時(shí)具備本發(fā)明所帶來的益處和優(yōu)點(diǎn)。
設(shè)計(jì)方法學(xué)根據(jù)本發(fā)明制造的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)有利特征是，它能夠通過對纖維朝向和疊壓順序選擇適當(dāng)?shù)牟贾脕硇纬衫w維加強(qiáng)外殼，從而精確的設(shè)計(jì)復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度和柔順特性。在最簡單的情況下，外殼可由沿外殼長度方向均勻布置的高強(qiáng)度絲制成。或者，絲層的朝向和/或厚度可以沿外殼的長度方向隨意變化，以便僅在需要的區(qū)域提供強(qiáng)度和柔量。調(diào)整纖維加強(qiáng)外殼的強(qiáng)度特性是本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@使原材料更有效的利用，否則將比例如鋼等傳統(tǒng)的材料更昂貴。
考慮三個(gè)關(guān)鍵作用-彎曲、剪切和側(cè)限的量設(shè)計(jì)方法可以成功地指導(dǎo)本發(fā)明的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效設(shè)計(jì)。下面逐一詳述彎曲設(shè)計(jì)本發(fā)明制作的復(fù)合材料構(gòu)件的彎曲量基于計(jì)算對一個(gè)給定的橫截面在給定的5載荷作用下需要保持力和彎矩平衡時(shí)的外殼壁厚。力平衡條件如圖4A-4D圖解表示。
如圖4A所示，使在設(shè)計(jì)載荷P下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件100承受給定的名義設(shè)計(jì)量彎矩Mn，這樣在混凝土芯內(nèi)產(chǎn)生在區(qū)域151上分布的壓力Fc。如圖4C和4D所示，在中性軸“n”的相對側(cè)上，在外殼103的部分153內(nèi)的拉力Fj抵消了該壓力。
對復(fù)合材料構(gòu)件的一個(gè)給定的橫截面，平衡條件可表示成如下的數(shù)學(xué)公式Fj+P=FcMj+Mc+Mp=Mn(1)式中P=名義軸向載荷；Fj=考慮纖維朝向，纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼的最大拉力分量；Fc=混凝土芯的最大壓力分量；Mj=由纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼提供的最大彎矩分量；Mc=由混凝土芯提供的最大彎矩分量；Mp=由軸向載荷P提供的合成彎矩分量；Mn=充填有混凝土的復(fù)合材料構(gòu)件的名義設(shè)計(jì)彎矩量。
在上述公式中，F(xiàn)j、Mj和Fc、Mc通過對繞環(huán)形輪廓的外殼內(nèi)的應(yīng)力求積分以及對在混凝土芯上在橫截面的壓縮部分上的壓應(yīng)力求積分來確定。根據(jù)由極限載荷條件所確定的線性應(yīng)變圖形來計(jì)算應(yīng)力。根據(jù)對應(yīng)于每個(gè)選定的纖維朝向的等效彈性模量來推算在纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼內(nèi)的應(yīng)力。在這種情況下，具有纏繞角θ≈0度(實(shí)際上由于考慮到制造因素下端≈±10度)的縱向纖維提供最大的抗彎強(qiáng)度。在ASCE結(jié)構(gòu)工程雜志(Journal of Structural Engineering)1998年8月第8期第114卷第1804-26頁“側(cè)限混凝土理論應(yīng)力應(yīng)變模型(“Theoretical Stress-strain model for Confined concrete”)”中，根據(jù)由Mander等提出的側(cè)限混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型來計(jì)算混凝土芯內(nèi)的壓應(yīng)力，這里引入該文用作參考。
對上述公式求積分并求解平衡條件，推導(dǎo)出用以支撐名義設(shè)計(jì)彎矩量Mn所需的給定纏繞角的預(yù)定最小外殼壁厚度。在基于設(shè)置在外殼內(nèi)表面內(nèi)的肋尺寸的該模型中，還應(yīng)考慮外殼和混凝土芯之間的滑動(dòng)。
剪切設(shè)計(jì)在這里用作參考的ASCE結(jié)構(gòu)工程雜志1994年8月第8期第120卷第2310-29頁“鋼筋混凝土柱的地震抗剪強(qiáng)度”(“Seismic ShearStrength of Reinforced Concrete Columns”)中，根據(jù)由Priestley等提出的預(yù)測抗剪強(qiáng)度模型來確定根據(jù)本發(fā)明制造的復(fù)合材料構(gòu)件的剪切力。在該模型中，認(rèn)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度包括三個(gè)獨(dú)立分量一個(gè)混凝土分量Vc，其值取決于混凝土的延展性；一個(gè)軸向載荷分量Vp，其值取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱橫比(長度與直徑之比)；以及一個(gè)桁架分量Vj，在這種情況下，其值取決于外殼加強(qiáng)的有效強(qiáng)度。平衡條件如下所示Vn=Vc+Vp+Vj(2)如圖5所示，相對于復(fù)合材料構(gòu)件的整體抗剪強(qiáng)度，外殼的分量Vj取決于相對于軸“z”的假想的45度剪切面(即破裂圖)。對于呈纏繞角±θj的多個(gè)纖維朝向，桁架分量Vj可如下表示
式中n=纏繞角數(shù)量；D=橫截面直徑；ti=纏繞角±θi下的外殼壁厚φ=材料強(qiáng)度降低因子；和fα=呈定向角α的加強(qiáng)纖維的極限抗拉強(qiáng)度。
而且，具有一個(gè)纏繞角θ≈0度(實(shí)際下端≈±10度)的縱向纖維提供最大抗剪強(qiáng)度。
側(cè)限設(shè)計(jì)正如上述彎曲和剪切設(shè)計(jì)方法，根據(jù)本發(fā)明制造的復(fù)合材料構(gòu)件的側(cè)限量取決于計(jì)算在最大載荷條件下保持平衡所需的外殼壁厚。在這種情況下，側(cè)限要求的變化取決于復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)，特別是無論它是否包括一個(gè)塑性鉸接區(qū)或者搭接鋼筋，在該塑性鉸接區(qū)構(gòu)件與一個(gè)塑性鉸鏈或搭接鋼筋連接。在塑性鉸接區(qū)，側(cè)限或者夾緊量取決于直接向外拔拉纖維加強(qiáng)外殼123時(shí)繞搭接鋼筋125(圖3A)的外周邊出現(xiàn)的接合破壞機(jī)構(gòu)。
在該區(qū)域，設(shè)計(jì)方法基于有關(guān)傳統(tǒng)搭接接頭的側(cè)限的已接受原理。參見Priestley等于圣地亞哥La Jolla,Cal.92093的加利福尼亞大學(xué)應(yīng)用力學(xué)及工程科學(xué)系1992年8月研究報(bào)告SSRP-92/01“地震作用下橋梁的維修和評估更新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”(“Design Guildlinesfor Assessment Retrofit and Repair of Bridges for SeismicPerformance”)，該文章′引作參考。根據(jù)這些原則和實(shí)驗(yàn)研究，在端部或塑性鉸接區(qū)直徑為D的復(fù)合材料柱構(gòu)件的名義所需膨脹應(yīng)變可如下計(jì)算εcu=0.004+2.5ρfujεuj/f′cc(4)式中ρ=體積側(cè)限比=4t/D；fuj,εuj=分別是考慮了纖維朝向的外殼的極限允許膨脹應(yīng)力和應(yīng)變；f′cc=根據(jù)Mander的側(cè)限混凝土的應(yīng)力應(yīng)變模型的混凝土芯的抗壓強(qiáng)度；f′cc=f′c[-1.254+2.2541+7.94f1/f′C-2f1/f′C----(5)]]>式中f1=理想的側(cè)限壓力；和f′c=未受側(cè)限的混凝土的名義抗壓強(qiáng)度。
由于在垂直于構(gòu)件軸的一個(gè)截面內(nèi)的力的平衡，從而推導(dǎo)出如下所需估算最小外套厚度ti的方程ti=0.1(εcu-0.004)Df′cc/fujεuj(6)呈纏繞角θ=90度朝向的纖維(“環(huán)向纖維”)提供最大側(cè)限強(qiáng)度。因此，一個(gè)方便的設(shè)計(jì)方法是首先確定所需的縱向纖維(θ≈±10度)的層數(shù)以便提供規(guī)定的彎曲強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，然后使用上述方程以確定所需的環(huán)向纖維的附加層數(shù)以便提供足夠的側(cè)限強(qiáng)度?；蛘?，上述方程可同時(shí)解出所需的最小和/或最大均勻纏繞角±θi，以便提供給定的外殼橫截面所需的彎曲、剪切和側(cè)限量。
在塑性鉸接區(qū)外側(cè)，設(shè)計(jì)目的是簡單的提供足夠的側(cè)限壓力，以便符合傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件的特性。通過參數(shù)研究，可以確定在約0.001至0.008英寸且最好是約0.004英寸的膨脹應(yīng)變?chǔ)興下，約150至600磅每平方英寸(1至4兆帕)、且最好是約300磅每平方英寸(2兆帕)的一個(gè)側(cè)限壓力f1提供滿足大多數(shù)用途所需的可接受的特性。根據(jù)這些優(yōu)選范圍，對應(yīng)于本發(fā)明制造的復(fù)合材料構(gòu)件中跨區(qū)域內(nèi)所需纏繞角±θi的最小外殼壁厚度”ti”可如下計(jì)算t≥125Df1/Eθ=37.5D/Eθ(7)式中D=外殼的內(nèi)直徑；f1=理想的側(cè)限壓力；和Eθ=對應(yīng)于纏繞角±θI的膨脹外殼的有效彈性模量。
有利的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)上述設(shè)計(jì)步驟、公式和準(zhǔn)則可用來確定多絲層的有效纏繞角和外殼厚度，以便提供理想的外殼強(qiáng)度和柔順特性。
實(shí)施例下列例子可用來說明根據(jù)本發(fā)明制造的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的若干結(jié)構(gòu)。這些例子僅用來解釋目的而不會(huì)限定這里所公開和描述的本發(fā)明。
實(shí)施例1(“CS1”)第一纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件(“CS1”)在猶它州鹽湖城大力神航空航天公司(Hercules Aerospace Company in Salt Lade City,Utah)2號工廠的絲纏繞設(shè)備上制造。它使用了用來制造管，容器，殼體和其它成型結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的絲纏繞方法。以預(yù)定的纏繞方式通過將多束纖維加強(qiáng)絲在一個(gè)旋轉(zhuǎn)卷筒上纏繞和自動(dòng)分層，從而形成外殼。
卷筒是由一個(gè)鋼框架形成的一個(gè)傳統(tǒng)“分離”(“breakdown”)型，框上纏置有分段的baisa木料。一種無指示劑碳布織物AW370-5H用來形成外殼的最內(nèi)層表面以避免使與卷筒交接的結(jié)構(gòu)絲層表面損傷。然后外殼上纏繞有預(yù)浸在一種大力神HBRF-55A環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中的AS4D-GP(12K)碳纖維。成束的高強(qiáng)度絲纏繞在處于張力下的卷筒上，提供了均勻的多排或多層的基本上無孔的纖維復(fù)合材料。根據(jù)需要涂敷隔離層以獲得基本上均勻的材料緊密性。根據(jù)傳統(tǒng)的實(shí)踐確定纏繞和涂敷順序以獲得規(guī)定的厚度，從而確保對分層材料進(jìn)行足夠的質(zhì)量控制并提供一種均勻的相對無空隙的結(jié)構(gòu)。
通過在卷筒上形成螺旋槽可以在塑性鉸接區(qū)內(nèi)的外殼的內(nèi)部分上形成螺旋肋。該肋的幅度為0.045英寸(1.2毫米)，對應(yīng)的肋間距為0.5英寸(13毫米)且從外殼的每一端向內(nèi)伸展40英寸(1米)。
CS1外殼在現(xiàn)場(UCSD實(shí)驗(yàn)場)安裝并如圖3A所示及如上所述充填混凝土。下面表1概括出根據(jù)實(shí)施例1制造并在圖3A中表示的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同參數(shù)。
表1
參數(shù) 過渡區(qū) 中跨區(qū) 加強(qiáng)材料 粘合劑內(nèi)層 0.025″ 0.025″AW370-5H 大力神(0.6mm) (0.6mm) 無指示劑碳布織物HBRF-55A樹脂±10度纖維0.140″ 0.140″ AS4D-GP(12K) 大力神(3.5mm) (3.5mm)碳纖維 HBRF-55A樹脂90度纖維 0.235″ 0.041″ AS4D-GP(12K) 大力神(6.0mm) (1.0mm)碳纖維 HBRF-55A樹脂整個(gè)外殼厚度 0.400″ 0.200″ 不適用(N/A) 不適用(10mm) (5mm)直徑 24″(610mm) 24″(610mm) 不適用 不適用高度 144″(3.7m) 144″(3.7m) 不適用 不適用主鋼筋保護(hù)層 1″(25.4mm)不適用不適用 不適用搭接鋼筋 20#7不適用G60鋼不適用混凝土芯 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 不適用 不適用實(shí)施例2(“CS2”)實(shí)施例2的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件也是在大力神航空航天公司的2號工廠的絲纏繞設(shè)備上利用與上述實(shí)施例1相同的工藝和材料制成。然而，在這種情況下，通過設(shè)計(jì)量值要求可以確定，沿外殼長度形成均勻厚度的外殼且該外殼主要由±10度纖維組成。如圖3B所示，這是因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)施例2制造的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)成直接伸進(jìn)基礎(chǔ)內(nèi)。而且，肋沒有設(shè)在實(shí)施例2的外殼的內(nèi)表面上，因?yàn)樵谶@種情況下沒有使用搭接鋼筋來將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件固定到基礎(chǔ)上。
CS2外殼在現(xiàn)場(UCSD實(shí)驗(yàn)場)安裝并如圖3B所示及如上所述充填混凝土。下面表2概括出根據(jù)實(shí)施例2制造并在圖3B中表示的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同參數(shù)。
表2
參數(shù) 過渡區(qū) 中跨區(qū)加強(qiáng)材料 粘合劑內(nèi)層 0.084″ 0.084″ AW370-5H 大力神(2.1mm) (2.1mm)無指示劑碳布織物 HBRF-55A樹脂±10度纖維 0.356″ 0.356″AS4D-GP(12K) 大力神(9.0mm) (9.0mm)碳纖維 HBRF-55A樹脂90度纖維0.020″ 0.020″AS4D-GP(12K) 大力神(0.5mm) (0.5mm)碳纖維 HBRF-55A樹脂整個(gè)外殼厚度 0.460″ 0.460″ 不適用不適用(12mm) (12mm)直徑 24″(610mm) 24″(610mm) 不適用不適用高度 144″(3.7m) 144″(3.7m) 不適用不適用主鋼筋保護(hù)層 不適用 不適用不適用不適用搭接鋼筋 不適用 不適用不適用不適用混凝土芯標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 不適用不適用圖6A-6D分別表示根據(jù)實(shí)施例1和2制造并根據(jù)圖3A和3B安裝的復(fù)合材料構(gòu)件與一個(gè)傳統(tǒng)的鋼筋加強(qiáng)柱(“竣工”)相比較的延展反應(yīng)特性曲線。每個(gè)實(shí)驗(yàn)柱支承在一個(gè)方形基礎(chǔ)上，該方形基礎(chǔ)的側(cè)邊為5.5英尺，對于例1及竣工柱為19英寸(483毫米)深、而對于例2為36英寸(914毫米)深?？⒐ぶ?0個(gè)#7G60連續(xù)縱向加強(qiáng)鋼筋，對應(yīng)于2.66％的縱向配筋率。主鋼筋的凈保護(hù)層約為1英寸(25.4毫米)。橫向加強(qiáng)由間距為2.25英寸(57毫米)的#3G60鋼螺旋提供。
每個(gè)實(shí)驗(yàn)柱承受一個(gè)對應(yīng)于設(shè)計(jì)載荷的恒定的400千磅(1780KN)的軸向載荷和模擬一種單向地震沖擊的環(huán)向側(cè)載荷。通過先張拉到測試臺的高強(qiáng)鋼筋可使軸向載荷作用到每個(gè)柱上。通過一個(gè)完全可逆液壓傳動(dòng)裝置可將側(cè)載荷施加到每個(gè)柱的頂部。每個(gè)柱在每次增量為12.5千磅(55.6KN)的不斷增加的載荷變化下通過位移控制開始測試。
圖6B表示根據(jù)例1制造的柱的力位移曲線。直至破壞前該柱顯示出一種穩(wěn)定的滯后的載荷位移特性。就在破壞開始之前達(dá)到了對應(yīng)于(8.6％的Δ1/1)偏移比的12.4英寸(315毫米)的最大頂位移。
圖6C表示根據(jù)例2制造的柱的力位移曲線。在這種情況下，如圖所示，直至施加約為37.4千磅(166KN)的載荷且頂位移為0.53英寸(13毫米)，柱的性質(zhì)基本上是線彈性。最大載荷反應(yīng)達(dá)到115千磅(512KN)，且頂位移為3.05英寸(77.5毫米)。注意到有略呈非線性的特性，相信這是由于受纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼相對基礎(chǔ)塊的滑動(dòng)和所引起的混凝土芯的脫離的影響。
圖6D概括了每個(gè)實(shí)驗(yàn)柱的力位移包跡線。如圖所示，發(fā)現(xiàn)根據(jù)例1制造的實(shí)驗(yàn)柱具有幾乎與傳統(tǒng)的竣工柱相同的力位移曲線。根據(jù)例2制造的實(shí)驗(yàn)柱具有有些陡的特性曲線，如圖所示，顯示了復(fù)合材料構(gòu)件增加的剛性和減少的延展性。
下面，表3概括了上述根據(jù)例1和2制造和測試的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平均機(jī)械特性表3特性 實(shí)施例1實(shí)施例2纖維體積比 61.9％ 53.4％樹脂體積比 34.4％ 42.2％空隙體積比 3.7％ 4.4％軸向拉伸模量14580千磅(100.5gpa)15030千磅(103.6gpa)軸向抗拉強(qiáng)度86.00千磅(592.9Mpa)86.58千磅(596.9Mpa)軸向壓縮模量14580千磅(100.5gpa)13410千磅(92.46gpa)軸向抗壓強(qiáng)度53.84千磅(371.2Mpa)70.19千磅(483.9Mpa)安裝/連接器可使用不同的方法和連接裝置來安裝本發(fā)明的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以便形成一個(gè)支撐框架或空間桁架結(jié)構(gòu)。然而，最好使用若干改進(jìn)的連接器的其中之一，該連接器特別適用于提供一種具有任選的理想強(qiáng)度和/或側(cè)限特性的高度整體結(jié)構(gòu)。圖7-14表示了若干這種改進(jìn)的連接器和連接技術(shù)的例子，下面將對此作詳細(xì)的描述。
圖7-13表示將一個(gè)充填有混凝土的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件呈軸向關(guān)系連接到另一個(gè)構(gòu)件之上的不同的拼接連接器。例如，這種連接器可用來將多個(gè)纖維加強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件連接在一起以產(chǎn)生一個(gè)所需的桁架跨越構(gòu)件或其它結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件。圖7A和7B表示使用一個(gè)內(nèi)部聯(lián)軸器201來連接兩個(gè)相鄰的纖維加強(qiáng)外殼203,205。聯(lián)軸器201最好由一種纖維加強(qiáng)復(fù)合材料制成，該纖維加強(qiáng)復(fù)合材料具有與待連接的外殼類似的強(qiáng)度和側(cè)限。
聯(lián)軸器201具有一個(gè)外徑D，從而可使其牢固固定在每個(gè)外殼203,205的端部內(nèi)側(cè)。通過使用適當(dāng)粘合劑例如環(huán)氧樹脂可將聯(lián)軸器201固定到每個(gè)外殼203,205上?；蛘?，可使用機(jī)械緊固件或利用其它方便的裝置。聯(lián)軸器201長度為Lc，這樣聯(lián)軸器伸進(jìn)每個(gè)相鄰的外殼內(nèi)(1/2)Lc的距離。該距離經(jīng)選擇可在每個(gè)外殼和聯(lián)軸器201之間提供足夠的接合區(qū)域，這樣在最大設(shè)計(jì)載荷作用下不會(huì)拔出聯(lián)軸器。根據(jù)所選擇的可使外殼粘接到聯(lián)軸器上的具體粘合劑，長度L在約0.5D至2D之間且最好約為D的一個(gè)聯(lián)軸器201應(yīng)可以滿足大多數(shù)用途。
一旦外殼203,205固定到聯(lián)軸器201上，合成的結(jié)構(gòu)內(nèi)可充填混凝土以便形成理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。需要時(shí)可提供可選擇的漿孔(未示出)以便需要時(shí)允許將混凝土泵送進(jìn)外殼203,205內(nèi)。通過切割、鉆孔或機(jī)加工操作可現(xiàn)場形成漿孔，或者以小孔或“敲出”(“knockout”)的形式來提供漿孔，在灌漿后該小孔或“敲出”在現(xiàn)場被有選擇的阻斷并用薄片覆蓋回原位。
在另一個(gè)可選實(shí)施例中，可以預(yù)見聯(lián)軸器201可整體形成在任一外殼203或205的一端上。以這種方式可提供一種預(yù)制外殼，通過將一個(gè)外殼的一凸端插入到另一個(gè)外殼的凹端內(nèi)，該預(yù)制外殼可簡單的相互連接，以便形成連續(xù)的復(fù)合材料構(gòu)件。
圖8表示用來連接直徑為D的相鄰?fù)鈿?13,215的另一拼接連接器和方法。在這種方法中，長度為L的許多連接鋼筋211設(shè)在待連接的兩個(gè)外殼之間，這樣如圖所示他們伸進(jìn)每個(gè)外殼213,215內(nèi)(1/2)L的距離。長度L=D至4D、最好約為2D的一個(gè)適當(dāng)?shù)倪B接鋼筋應(yīng)產(chǎn)生滿足大多數(shù)的用途。連接鋼筋211可包括任意數(shù)量的許多本領(lǐng)域人員所公知的傳統(tǒng)低碳鋼或纖維復(fù)合材料鋼筋。例如，可使用#7 G60鋼筋?；蛘撸鶕?jù)接頭的強(qiáng)度和側(cè)限要求，連接鋼筋可根據(jù)需要包括預(yù)應(yīng)力鋼或硬化鋼或纖維復(fù)合材料。
為連接復(fù)合材料柱構(gòu)件，連接鋼筋211可首先在下外殼構(gòu)件內(nèi)澆注就位。一旦混凝土在下外殼內(nèi)充分凝固，接著第二外殼可在連接鋼筋211的伸出端上固定就位，該合成結(jié)構(gòu)內(nèi)充填混凝土至理想的水平面。為了連接復(fù)合材料梁和傾斜構(gòu)件，必須使用粘合劑，隔離件或其它適當(dāng)?shù)难b置來將連接鋼筋固定就位。
最好外殼213,215在其內(nèi)表面219的至少一部分上設(shè)有肋，以便確保在塑性鉸接區(qū)可適當(dāng)?shù)嘏c混凝土包圍的連接鋼筋機(jī)械接合。對后張方式，為了在灌注過程中密封混凝土芯207并在相鄰的外殼之間提供一個(gè)側(cè)限壓縮交界面以防止在彎曲過程中外殼破裂，在相鄰的外殼213,215之間的交界面上可設(shè)有一個(gè)可選的密封或膨脹接縫(未示出)。
圖9A和9B表示用來連接相鄰的外殼223,225的一個(gè)拼接連接器的另一個(gè)可選實(shí)施例。在該方法中，如圖所示，外殼223,225沿軸向?qū)R并相互對接。一根后張鋼筋或鋼絲索221軸向穿過兩個(gè)外殼223,225布置并通過適當(dāng)?shù)膹埩φ{(diào)節(jié)錨(未示出)來固定。后張鋼筋221可包括任選由鋼或其它適當(dāng)?shù)牟牧现瞥傻囊粋€(gè)或多個(gè)鋼筋腱。一個(gè)可選外套例如波紋管套或PVC管可任意繞張拉鋼筋221設(shè)置，以便防止其與混凝土芯227初始接合。一旦后張鋼筋就位，外殼223,225將填充有混凝土芯227并使組合體固化。接著張拉鋼筋以預(yù)定力張緊或調(diào)節(jié)以迫使復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)合在一起。
而且，為了密封以防濕混凝土滲漏，而且為了提供一個(gè)膨脹接縫或承壓接縫以便在正常撓曲和彎曲過程中限制纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼的碎裂，因而在外殼223,225的對接面之間提供了一個(gè)可選的密封或膨脹接縫(未示出)。
圖10A和10B表示結(jié)合了圖7-9所示連接器和連接技術(shù)的不同特征和優(yōu)點(diǎn)的一種拼接連接器和方法。
圖11A和11B表示用來連接直徑為D的相鄰纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼243,245的一種螺紋拼接連接器。聯(lián)軸器201最好由加強(qiáng)復(fù)合材料制成，該加強(qiáng)復(fù)合材料具有與待連接的相鄰?fù)鈿さ膹?qiáng)度和柔量類似的強(qiáng)度和柔量。每個(gè)相鄰的外殼243,245的端部形成具有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋對應(yīng)于在螺紋聯(lián)軸器241上形成的外“螺旋起重器”螺紋。這些螺紋可以以與前述肋類似的方式形成，或根據(jù)例如美國專利5233737所公開的其它公知的纖維復(fù)合材料制造技術(shù)形成。
考慮到螺紋的抗剪強(qiáng)度，螺紋聯(lián)軸器241的長度Lc最好足以防止外殼/聯(lián)軸器在設(shè)計(jì)載荷作用下拔出。約0.5D至2D且最好約為D的長度Lc應(yīng)產(chǎn)生滿足大多數(shù)的目的?；蛘?，螺紋聯(lián)軸器241可任選接合到外殼243,245上以提供更牢固的連接。
對于后張法，為了防止在撓曲或彎曲期間外殼破裂，在纖維加強(qiáng)外殼243,245的對接面之間可提供一個(gè)可選的承壓接縫或膨脹接縫(未示出)?；蛘?，在外殼243,245的相對表面之間可提供一個(gè)縫隙242,以允許在制造和安裝期間進(jìn)行長度調(diào)節(jié)。一旦外殼布置就位，螺紋聯(lián)軸器242象一個(gè)螺旋起重器一樣旋轉(zhuǎn)以便將外殼拉到一起。然后這種合成結(jié)構(gòu)填充有混凝土247以形成合成復(fù)合材料梁或柱。
或者，可以預(yù)見螺紋聯(lián)軸器241可與外殼243,245的任意其中之一形成整體，這樣每個(gè)外殼的一端具有一個(gè)凸螺紋端，而相匹配的外殼的一個(gè)相對端具有一個(gè)對應(yīng)的凹螺紋端。在外殼制造工藝中這可通過自己或由工廠將一個(gè)獨(dú)立的螺紋聯(lián)軸器接合到預(yù)制外殼的端部上來完成。以這種方式，簡單的通過將一個(gè)外殼的一個(gè)凸端螺紋旋進(jìn)另一個(gè)相鄰?fù)鈿さ陌级耍蓪㈩A(yù)制外殼安裝在一起以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)。這具有用于通常使用目的的按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的預(yù)制外殼的特殊優(yōu)點(diǎn)。
圖12A和12B表示圖8A和8B所示的特別適合用于水平或傾斜復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拼接連接器的一個(gè)可能的變型。在該方法中，隔離環(huán)252a、b用來以周向隔離開的外形支撐連接鋼筋251，并且外殼內(nèi)充填混凝土。另外，可設(shè)置通道或漿孔254以調(diào)節(jié)連接鋼筋并使混凝土泵送進(jìn)水平或傾斜外殼253、255內(nèi)，同時(shí)確保在連接鋼筋251所述區(qū)域內(nèi)的充分填充。
如圖12B所示，隔離環(huán)252a、b最好是由一種適當(dāng)?shù)牟牧现瞥傻沫h(huán)且其外直徑大約等于外殼253、255的對應(yīng)內(nèi)直徑D。沿其中心周邊設(shè)有許多隔離孔以容插并支承連接鋼筋251。
在安裝過程中，一個(gè)隔離件252a可插進(jìn)對應(yīng)外殼253的端部內(nèi)一定深度，該深度足以容納和支承連接鋼筋251。然后連接鋼筋插進(jìn)隔離件252a內(nèi)對應(yīng)的孔中以便以環(huán)向隔離開的方式支承。接著一個(gè)第二隔離環(huán)252b放到連接鋼筋251的另一端上，以便形成一個(gè)筒狀籠。然后如圖所示，外殼255裝到隔離環(huán)252b和連接鋼筋251的端部上并就地支承。接著，所連接的外殼內(nèi)填充混凝土257以形成任選的復(fù)合材料梁。
或者，混凝土可任選僅泵送入塑性鉸接區(qū)以確保復(fù)合材料梁的充分連接。例如理想的是使一個(gè)或兩個(gè)外殼253,255在整個(gè)中跨區(qū)是空的，這樣僅通過纖維加強(qiáng)外殼的固有強(qiáng)度來提供梁支承。這是理想的，例如在梁不需要支承顯著的彎曲或壓縮載荷或者在梁僅需支承拉伸載荷的情況下。這個(gè)特征對于節(jié)省混凝土材料成本和在地震區(qū)制造輕質(zhì)框架方面都是特別有利的，其中在地震區(qū)希望使合成結(jié)構(gòu)的地震擾動(dòng)量減到最小。為此目的，可分別將一個(gè)插塞或圓蓋(未示出)插入到漿通孔254a,254b的左側(cè)和右側(cè)，以便如果想使結(jié)構(gòu)構(gòu)件中空，則需阻止混凝土滲透進(jìn)入外殼253、255的中跨區(qū)。
圖13A和13B表示另一個(gè)半延展拼接連接器的可選實(shí)施例，該半延展拼接連接器通過一個(gè)滑動(dòng)鉸接聯(lián)軸器261來連接相鄰的直徑為D的外殼263、265。鉸接聯(lián)軸器261最好由一種強(qiáng)度和側(cè)限特性與待連接外殼類似的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料材料制成。鉸接聯(lián)軸器261的直徑略大于外殼263,265的直徑，這樣它可在每個(gè)外殼的端部上滑動(dòng)。鉸接聯(lián)軸器261的長度Lc足以適當(dāng)?shù)丿B置在外殼上以達(dá)到所需的接合并且在相鄰的外殼之間形成任意縫隙266。鉸接聯(lián)軸器261的長度Lc在約D至4D之間，最好約為2D，根據(jù)縫隙266的尺寸和所選擇的將外殼粘接到聯(lián)軸器上的具體粘合劑，該鉸接聯(lián)軸器應(yīng)產(chǎn)生滿足大多數(shù)的用途。
在安裝過程中，滑動(dòng)鉸接聯(lián)軸器261插入到外殼263或265的其中之一的端部上，相對的外殼265如圖布置。由于制造公差，縫隙266常位于相鄰的外殼之間。外殼軸向布置在一條直線上時(shí)，如圖所示，鉸接聯(lián)軸器261跨接縫隙266在外殼263,265上滑動(dòng)。接著外殼內(nèi)填充進(jìn)混凝土以形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。為了增加強(qiáng)度，可選的加強(qiáng)鋼筋262根據(jù)需要使用上述方法的任意其中之一固定就位。
圖14A-14D表示用來在一個(gè)或多個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間提供橫向或傾斜連接的具有本發(fā)明特征的一個(gè)交叉形連接器。圖中表示了一個(gè)平面交叉形連接器301，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，可利用大量的其它平面或空間連接器形狀和尺寸，例如隅角，傾角，“L”形，“T”形等。最好這些連接器可預(yù)制成按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的元件，該元件可根據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)目錄來儲(chǔ)存并定購。
圖示的交叉形連接器包括一個(gè)用作一個(gè)纖維加強(qiáng)外殼和沿“z”軸軸向伸展的豎直取向的連接器主體303?？紤]到在設(shè)計(jì)量值下的粘接強(qiáng)度要求，連接器主體303的長度可自由變化。對于預(yù)制的連接器，例如，希望提供一種較短長度的連接器主體以減少尺寸和重量，這樣可制造、儲(chǔ)藏和廉價(jià)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的連接器。最好，這種預(yù)制連接器的尺寸和形狀足以由一個(gè)建筑工人在現(xiàn)場單獨(dú)裝運(yùn)。另一方面，對現(xiàn)場制造來說，連接器主體303的長度變得不太重要，因?yàn)檫B接器主體303最可能包括相鄰的復(fù)合材料柱構(gòu)件的中跨區(qū)。
連接器伸出部分305a、b從豎直主體303以所需角度橫向伸展，以提供一個(gè)用來連接相鄰?fù)鈿?07,309的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，這里對此加以描述。每個(gè)連接器伸出部分305a、b的一端切割形成一個(gè)適合與連接器主體303的外柱狀表面配合的橫向柱狀表面，并且最好使用一種適當(dāng)?shù)恼澈蟿┖?或纖維疊層就地粘接。最好，每個(gè)連接器伸出部分305a、b的內(nèi)表面上形成有肋，以便在所述的混凝土芯314和連接器主體303之間提供良好的機(jī)械接合。
如圖所示，連接鋼筋309和滑動(dòng)鉸接外套311a,311b在相鄰的梁構(gòu)件之間提供一種塑性鉸接。鉸接外套311a,b最好由一種適當(dāng)?shù)睦w維復(fù)合材料制成，該纖維復(fù)合材料主要包括足以在混凝土芯314上保持足夠的側(cè)限壓力的環(huán)形纖維。外套311a,b的直徑最好等于或略大于相應(yīng)外殼307和連接器伸出部分305a和305b的直徑，以便外套可以在端部上滑動(dòng)。
在安裝時(shí)，連接器301現(xiàn)場布置或制造，橫向穿過連接器主體303以形成容插連接鋼筋309的孔，該連接鋼筋穿過連接器主體303并移至圖14A所示的一側(cè)。在其端部上放置有一個(gè)滑動(dòng)鉸接外套311a的一個(gè)相鄰?fù)鈿?07被引導(dǎo)至靠近其配合的連接器伸出部分305a的位置。然后，鋼筋移動(dòng)到連接器主體303的另一側(cè)，這樣鋼筋伸進(jìn)外殼307內(nèi)，如圖所示，第二外殼309移動(dòng)就位且具有一個(gè)放置在其端部上的相應(yīng)滑動(dòng)鉸接外套311b。接下來，如圖14C和14D所示，連接鋼筋309居中且外殼307和309與連接器伸出部分305a、b配合。然后，鉸接外套311a和311b滑動(dòng)就位并在每個(gè)連接器伸出部分305a、b和相應(yīng)外殼307和309之間的交界面上居中。最后，混凝土芯314被灌注或泵送進(jìn)入每個(gè)外殼307、309內(nèi)并固化以形成圖14D所示的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
如上所述，鉸接外套311a,b最好主要由環(huán)形纖維形成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解外套311a、b的主要目的是跨接在相鄰配合結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的任意縫隙上，并在外殼的塑性鉸接區(qū)和連接器伸出部分內(nèi)提供增加的環(huán)向強(qiáng)度和側(cè)限，從而允許較大的塑性變形量。而且，不象圖7A,10A,11A和13A所示的拼接聯(lián)軸器，鉸接外套311a、b最好不提供顯著的抵抗彎曲應(yīng)力的阻力，因?yàn)檫@可以限制塑性鉸接連接器301的所需的延展反應(yīng)。
或者，最好在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間提供完全彈性的或非延展的連接器。簡單地通過改變連接器301以利用一個(gè)或多個(gè)圖7A,10A,11A或13A所示的拼接連接器就可很容易地實(shí)現(xiàn)。
空間框架系統(tǒng)圖15A和15B表示使用在此所公開和描述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接器的本發(fā)明兩種可能的結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的示意圖。由于所示結(jié)構(gòu)為平面，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易理解該圖表示三維空間結(jié)構(gòu)。
圖15A表示包括通過梁塑性鉸接件連接在一起的許多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)空間框架401?？蚣?01包括許多豎直復(fù)合材料柱403,該垂直復(fù)合材料柱例如如圖3A所示通過一個(gè)適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)連接器402連接到對應(yīng)的基礎(chǔ)405上。復(fù)合材料柱403可形成為充填有混凝土的連續(xù)纖維加強(qiáng)外殼，或者它通過利用圖7-14所示的各種拼接連接器將許多外殼連接來安裝。例如參見圖14A-14D所示，許多梁407利用梁塑性鉸接連接器409固定在相鄰的柱403之間。假定單個(gè)的復(fù)合材料柱和梁構(gòu)件是完全彈性或剛性的，這樣僅通過鉸接連接器405、409、411提供變形反應(yīng)。
空間框架401的坍塌方式是柱403完全旋轉(zhuǎn)坍塌，基礎(chǔ)連接器402、頂部連接器411和梁塑性鉸接連接器409提供傾斜延展變形。圖15A所示的框架建筑技術(shù)最好用于地震區(qū)，因?yàn)樗苄糟q接連接器提供了整個(gè)能量吸收和延展變形量。
圖15B表示具有柱塑性鉸接件509的一個(gè)空間框架構(gòu)造501。在這種情況下，包括復(fù)合材料柱506和復(fù)合材料梁507的一個(gè)剛性框架結(jié)構(gòu)508由許多鉸接支承塔503支承，該鉸接支承塔503通過一個(gè)柱塑性鉸接件509連接到剛性框架508上。柱503利用例如圖3A所示的一種適當(dāng)?shù)你q接基礎(chǔ)連接器連接到基礎(chǔ)505上。結(jié)構(gòu)501的坍塌方式是柔性層坍塌方式。因此空間框架結(jié)構(gòu)表示一種較低的能量吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一個(gè)隔離的高強(qiáng)度上部508和包括鉸接塔503的一個(gè)受限制延展部，該鉸接塔503通過柱塑性鉸接連接器509與該上部508連接。在需要最大名義強(qiáng)度的無地震區(qū)或在希望使框架508的剛性部分與基本地震變形隔離的地震區(qū)，利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建筑技術(shù)是最理想的。
桁架橋圖16A-16C表示一個(gè)復(fù)合材料空間框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能的實(shí)施例，該框架結(jié)構(gòu)采取包括本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)桁架橋601的形式。圖16A是桁架橋601的側(cè)立視圖，它包括支承預(yù)澆注的預(yù)應(yīng)力混凝土板606的一個(gè)三維空間桁架系統(tǒng)。桁架橋601包括許多互連的纖維加強(qiáng)外殼，該加強(qiáng)外殼形成道路605下方的一個(gè)隱藏式空間桁架604。橋601的全跨度約200英尺且橋在任一端上由一對橋臺615a、b支承。在任一側(cè)靠近道路表面605設(shè)有一個(gè)供行人通過的人行道607。
空間桁架604由一根單獨(dú)的底弦桿件609和兩根頂弦桿件611a、b和互連的桁架桿件613組成。下弦桿件609和兩根頂弦桿件611b、611a由例如如圖7A和7B所示的通過拼接連接器連接在一起的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼制成?；蛘吒鶕?jù)橋結(jié)構(gòu)601的具體要求，可使用如圖7-13所示的拼接連接器或連接技術(shù)的任意其一或其結(jié)合來提供所需的適當(dāng)?shù)难诱够驈椥苑磻?yīng)。
下弦桿件609是直徑為3英尺的填充有混凝土的纖維復(fù)合材料構(gòu)件，該復(fù)合材料構(gòu)件經(jīng)后張以便限制在纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼內(nèi)的抗拉應(yīng)力。在橋臺615a、b內(nèi)連續(xù)進(jìn)行一些后張，以便限制橋的豎直變形。根據(jù)成本、可能性和錨固技術(shù)，后張系統(tǒng)可以是鋼或纖維加強(qiáng)鋼絲索/鋼筋。
兩根上弦桿件611a、b的直徑是1.5英尺且是填充有混凝土的纖維復(fù)合材料構(gòu)件。通過兩根上弦桿件611a、b和一個(gè)預(yù)應(yīng)力預(yù)澆注的混凝土橋面板606分散壓力。桁架連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件613也是1.5英尺直徑的填充有混凝土的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼，該纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼通過適當(dāng)?shù)倪B接裝置連接在上和下弦桿件611,609之間。道路表面605和人行道607均由如圖16C所示的具有中間厚度為約9英寸的預(yù)澆注預(yù)應(yīng)力的混凝土板組成。設(shè)置路緣石621和人行道欄桿623以防止傷害通過橋601的乘客和行人。
拱橋圖17A-17C表示一個(gè)復(fù)合材料空間框架結(jié)構(gòu)的另一個(gè)可能實(shí)施例，它采取了包括本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)拱橋701的形式。橋701包括一對拱架703a、b，利用鋼絲索/鋼筋707從該拱架懸垂下許多橫梁705。如圖所示，每個(gè)拱架703a、b由許多3英尺直徑的充填有混凝土的纖維加強(qiáng)外殼制成，該纖維加強(qiáng)外殼連接在一起的拱架間距為12.5英尺，且通過后張?jiān)跇蚪Y(jié)構(gòu)701的每一側(cè)形成一個(gè)支承拱。橋701的總跨度為約200英尺且在每一端由一對橋臺709a、b支承。橋?qū)?4英尺，且路面寬40英尺足可支承四車道。如圖17C所示，在路面711的每一側(cè)還設(shè)有由拱架703a、b分隔的人行道719a、b。
每個(gè)拱架703a、b的頂點(diǎn)高出路面711約25英尺的距離。如圖所示，兩個(gè)較低的主梁704a、b也連接在一起并經(jīng)過后張以提供橫梁705的支承框架。在梁705的每一端最好具有橫向切口，以便以與小木屋中的帶槽口圓木類似的方式與主梁704a,b匹配配合。通過上述任意連接方法或通過機(jī)械緊固件或粘合劑它們可固定在一起。通過許多空心頂板721使路面和人行道形成一個(gè)整體，頂板可沿橋結(jié)構(gòu)橫向布置以形成圖示的路面711。為增加安全設(shè)置欄桿723a、b。
本文的不同實(shí)施例公開和描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易的理解本發(fā)明可超出公開的特定實(shí)施例而擴(kuò)展至另外的可選實(shí)施例。這些可包括但不限于以下應(yīng)用，例如輕質(zhì)長跨頂結(jié)構(gòu)，工業(yè)支承結(jié)構(gòu)，化學(xué)工業(yè)中的管架，索橋等等。因此，希望在此公開的本發(fā)明的范圍應(yīng)不僅限于所公開范圍，而應(yīng)由下面的權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1．一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它包括一個(gè)外側(cè)管形外殼，該管形外殼包括在一個(gè)硬化的聚合物母體內(nèi)的加強(qiáng)纖維，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件還包括一個(gè)設(shè)置在所述外殼內(nèi)的內(nèi)部混凝土芯，通過將未固化狀態(tài)的所述混凝土澆注或泵送到所述外殼內(nèi)并使所述混凝土在所述外殼內(nèi)硬化，從而混凝土芯可在該外殼內(nèi)成型。
2．如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述加強(qiáng)纖維包括碳纖維。
3．如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述聚合物母體包括一種固化到預(yù)定硬度的環(huán)氧樹脂粘合劑。
4．如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述外殼由第一組加強(qiáng)纖維和第二組加強(qiáng)纖維制成，該第一組加強(qiáng)纖維相對于所述外殼的縱軸成第一角度定向且具有合成的第一預(yù)定厚度，該第二組加強(qiáng)纖維相對于所述外殼的所述縱軸成第二角度定向且具有合成的第二預(yù)定厚度。
5．如權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述第一組加強(qiáng)纖維相對于所述縱軸在約±10度之間定向，且所述第二組加強(qiáng)纖維相對于所述縱軸以約90度定向。
6．如權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述第一預(yù)定厚度在與約0.1至0.5英寸之間。
7．如權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述第二預(yù)定厚度在與約0.005至0.1英寸之間。
8．如權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述外殼由繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)卷筒的所述加強(qiáng)纖維的纏繞絲制成。
9．如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述外殼還包括許多肋，該肋在外殼的內(nèi)表面上形成并適合與所述混凝土芯接合以便阻止其相對的軸向移動(dòng)。
10．如權(quán)利要求9所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述肋在所述外殼的至少一端上形成，從而限定了用來與基礎(chǔ)或其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的一個(gè)塑性鉸接區(qū)，所述肋隔離開并向內(nèi)伸展一定距離，該距離足以基本上防止所述混凝土芯在一預(yù)定的最大設(shè)計(jì)載荷作用下拔出。
11．如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述混凝土芯包括一種抗收縮劑或膨脹劑。
12．許多如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)合在一起形成了一種按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的空間框架結(jié)構(gòu)。
13．一種纖維加強(qiáng)外殼，它用來容納在固化時(shí)處于未固化狀態(tài)的混凝土并在固化后在現(xiàn)場加強(qiáng)所述混凝土，所述外殼包括加強(qiáng)纖維的聚合物浸漬絲，該加強(qiáng)纖維在基本平行于所述外殼縱軸的方向上定向且所述外殼具有合成的第一預(yù)定壁厚。
14．如權(quán)利要求13所述的外殼與一個(gè)混凝土芯結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
15．如權(quán)利要求13所述的外殼，其特征在于所述纖維包括碳纖維。
16．如權(quán)利要求13所述的外殼，其特征在于所述加強(qiáng)纖維用一種環(huán)氧樹脂粘合劑浸漬。
17．如權(quán)利要求13所述的外殼，其特征在于還包括許多肋，該肋在所述外殼的內(nèi)表面上形成，以便與所述澆注混凝土接合而阻止其相對軸向移動(dòng)。
18．如權(quán)利要求13所述的外殼，其特征在于還包括加強(qiáng)纖維的聚合物浸漬絲，該加強(qiáng)纖維在基本上垂直于所述外殼縱軸的方向上定向，且外殼具有合成的第二預(yù)定壁厚。
19．一種制造復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)的方法，其步驟包括形成一種具有一個(gè)內(nèi)部腔室的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼，用混凝土填充所述內(nèi)部腔室的至少一部分，并使所述混凝土在所述外殼內(nèi)固化。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于纖維加強(qiáng)復(fù)合材料外殼是預(yù)制的，這樣它可輸送到工作現(xiàn)場，然后在所述工作現(xiàn)場用混凝土填充。
全文摘要
一種填充有混凝土的纖維加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(100),它包括封閉在輕質(zhì)纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料外殼(103)內(nèi)的一個(gè)混凝土芯(105),該復(fù)合材料外殼通過由纏繞聚合物所浸漬的高強(qiáng)度絲(107,109)形成。纖維設(shè)置成最佳強(qiáng)度并可調(diào)整成特定要求。外殼結(jié)構(gòu)(103)是可靠的、不起化學(xué)作用的,且適合許多土木工程應(yīng)用。許多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件(100)可用不同的連接器(301,402,409,411)連接以便形成復(fù)雜的空間框架結(jié)構(gòu)(601,701),例如工業(yè)支撐結(jié)構(gòu)、橋、建筑物等。
文檔編號E04C3/20GK1231712SQ97193293
公開日1999年10月13日 申請日期1997年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月5日
發(fā)明者F·塞布勒, G·A·赫格米爾 申請人:圣地亞哥加州大學(xué)評議會(huì)