專利名稱：復(fù)合材料板樁及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程施工用具，尤其是一種利用復(fù)合材料制造的用于替代現(xiàn)有鋼 板樁的復(fù)合材料板樁，具體地說是一種復(fù)合材料板樁及制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，我國傳統(tǒng)材料圍堰采用木板樁圍堰、木籠圍堰、鋼板樁圍堰、混凝土圍 堰等，這些傳統(tǒng)材料制成的圍堰為我國的建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。其中在土木工程結(jié)構(gòu)中 應(yīng)用最多的是鋼板樁圍堰，雖然鋼材具有強(qiáng)度高、彈性模量高等特性，但是在大氣環(huán)境，尤 其是海洋腐蝕環(huán)境中很容易銹蝕，如果不做防腐保護(hù)，使用年限很短。而且對于很多施工用 臨時板樁圍堰，需要多次重復(fù)利用板樁，而鋼板樁在樁頭沖擊荷載作用下很容易發(fā)生不可 恢復(fù)的塑性變形，無法多次周轉(zhuǎn)使用。木板樁由于木材本身材料的限制，容易蟲蛀和腐蝕， 已很少作為板樁圍堰結(jié)構(gòu)。混凝土板樁圍堰自重大，一般與鋼圍堰相結(jié)合用作永久圍堰。近年來，復(fù)合材料以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點，開始在土木與建筑工程結(jié)構(gòu)中 得到應(yīng)用，并受到工程界的廣泛關(guān)注。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種彈性材料，只要在極限承 載力范圍以內(nèi)受荷，其變形可以恢復(fù)，因此與鋼板樁相比，其使用周轉(zhuǎn)次數(shù)高，在海洋環(huán)境 中的使用壽命能達(dá)到50年以上，無需維護(hù)。國外已有拉擠成形的復(fù)合材料板樁應(yīng)用于近海 圍堰工程實例，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料雖然抗拉強(qiáng)度較高，但同時存在剛度較低的弱點，且受經(jīng) 濟(jì)條件的制約，目前國外的應(yīng)用僅局限于小型碼頭。若要實現(xiàn)在土木工程中大規(guī)模應(yīng)用，還 需將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與其他材料相結(jié)合，通過創(chuàng)新構(gòu)造與成型工藝提高構(gòu)件的強(qiáng)度與剛 度、降低成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前工程施工中大多采用鋼板樁存在的耐腐蝕性差、成本高 的問題，而現(xiàn)有的復(fù)合材料板樁存在強(qiáng)度低無法在大型工程中使用的問題，發(fā)明一種強(qiáng)度 高、壽命長、施工方便的復(fù)合材料板樁及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種復(fù)合材料板樁，包括樁體1，其特征是所述的樁體1為復(fù)合材料樁體，在所述的樁 體1的上端包裹有不銹鋼套頭2，下端連接有不銹鋼樁靴3，樁體1的兩側(cè)邊分別連接有與 相鄰的樁體1相連的鎖扣4 ；所述的樁體1由芯材101、包裹芯材101的內(nèi)包裹層102及將 各包裹有內(nèi)包裹層102的芯材101包裹成所需形狀的外包裹層103組成，相鄰芯材101之 間形成有格構(gòu)結(jié)構(gòu)104。所述的芯材101為泡沫或木材，所述的包裹層為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維、 玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中的一種或幾種的組合。所述的樁體1的截面形狀為Z形、斜Z形、U形、T形或工字形。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種復(fù)合材料板樁的制造方法，其特征是它包括以下步驟首先，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹在芯材的表面，芯材的長度、寬度及厚度應(yīng)與最終成形 板樁相配；
其次，在與最終成形的板樁外形相配的下模中鋪設(shè)至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； 第三，將包裹成形的多片芯材置于下模中并拼接成與最終成形的板樁相一致的形狀； 第四，再在鋪設(shè)好的芯材上覆蓋至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或直接將鋪設(shè)在凹模中的 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹在所述的芯材表面以便使包裹有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單片芯材的 表面再包裹至少一層將它們連接成一體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；
第五，將形狀相配的上模放入下模中并在模具上開孔置入真空導(dǎo)入爐中進(jìn)行真空導(dǎo) 入，使所有的芯材粘結(jié)成一個整體結(jié)構(gòu)，并在相鄰的芯材結(jié)構(gòu)面之間形成格構(gòu)結(jié)構(gòu)；即得復(fù) 合材料板樁；
第六，在所得的復(fù)合材料板樁的上端包裹上不銹鋼套頭，在下端安裝好不銹鋼樁靴， 以提高打樁效果，同時在樁體的兩側(cè)邊裝上鎖扣以便使相鄰的板樁能方便地連接成一個整 體。也可將復(fù)合材料板樁翼緣通過玻璃型鋼連接(如工字型玻璃型鋼、槽型玻璃型鋼等)。所述的芯材為泡沫或木材，所述的包裹層為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維、玻璃 纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中的一種或幾種的組合。所述樁體的截面形狀為Z形、斜Z形、U形、T形或工字形。所述的鎖扣為與樁體一次拉擠成形的整體式結(jié)構(gòu)或通過連接件相連的分體式結(jié) 構(gòu)。所述的鎖扣為不銹鋼或玻璃鋼制品，其形狀為相配工字形結(jié)構(gòu)、燕尾槽結(jié)構(gòu)或環(huán) 銷結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的復(fù)合材料板樁圍堰具有以下特點
(1)本發(fā)明板樁結(jié)構(gòu)由簡單形狀的芯材外包裹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成的，纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料可以是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等，芯材可以是泡沫或木材。任意形 式的截面均可將劃分成形狀簡單的矩形、梯形、三角形等，以便成型。單片圍堰截面形式可 做成Z型、T型、U型及工字型等形式。(2)各塊包裹著纖維布的芯材組成Z型、斜Z形、T型、U型及工字型，并在截面外 邊整體包裹一層或多層纖維布，裝進(jìn)模具，在模具上開孔進(jìn)行真空導(dǎo)入，使各芯材與纖維布 通過樹脂連成一體。(3)通過真空導(dǎo)入工藝，該構(gòu)件在芯材與芯材的結(jié)合處均形成了格構(gòu)，提高了構(gòu) 件的整體性與強(qiáng)度。格構(gòu)的厚度可根據(jù)受力要求設(shè)計，通過包裹纖維布的層數(shù)與厚度來改 變，截面外表面包裹的纖維布可多于內(nèi)部芯材包裹的纖維布，以提高截面外表面在腐蝕環(huán) 境中的耐久性。(4)板樁的上端包裹不銹鋼套頭，底部連接不銹鋼樁靴，以提高打樁效果。(5)同時可以通過拉擠成形工藝，使得構(gòu)件的整體性更優(yōu)。如果應(yīng)用于小型碼頭 或小跨度橋梁基礎(chǔ)施工，承載力要求不高，也可以直接由復(fù)合材料拉擠成型。施工結(jié)束后，也可將圍堰中填入混凝土建成永久性水利設(shè)施。本發(fā)明的有益效果
(1)本發(fā)明提出的復(fù)合材料板樁，充分利用了復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點，以 聚氨酯泡沫為芯材的格構(gòu)樁柱其自重只有混凝土的1/10，鋼的1/36，以泡桐木為芯材的格構(gòu)樁柱自重只有混凝土的1/5，鋼的1/17。因此它在運輸和施工過程都較為的省力，在偏遠(yuǎn) 無起重設(shè)備的地區(qū)使用時也方便。與國外復(fù)合材料板樁相比，抗彎剛度可提高5 10倍。(2)復(fù)合材料代替鋼等材質(zhì)，大大提高了圍堰的耐腐蝕性，同時圍堰的接口形式 簡單，現(xiàn)場拼接快速簡捷，大大減少了施工的時間。(3)若采用真空導(dǎo)入技術(shù)，則無需大型的拉擠設(shè)備即可做各種形式的復(fù)合材料板樁。( 4 )本發(fā)明的格構(gòu)厚度可根據(jù)受力要求進(jìn)行設(shè)計。(5)本發(fā)明以塑代鋼，具有重量輕，強(qiáng)度高，壽命長，可重復(fù)利用的優(yōu)點。(6)復(fù)合材料板樁圍堰為彈性結(jié)構(gòu)，卸載后變形能夠恢復(fù)，避免了鋼板樁經(jīng)多次 打樁產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，因此可多次重復(fù)周轉(zhuǎn)使用。
圖1-1為本發(fā)明的Z型單片板樁斷面示意圖。圖1-2為本發(fā)明的Z型板樁拼接示意圖。圖1-3為本發(fā)明的Z型板樁組成的圍堰立面圖。圖2-1為本發(fā)明的斜Z型單片板樁斷面示意圖。圖2-2為本發(fā)明的斜Z型板樁拼接示意圖。圖2-3為本發(fā)明的斜Z型板樁組成的圍堰立面圖。圖3-1為本發(fā)明的U型單片板樁斷面示意圖。圖3-2為本發(fā)明的U型板樁拼接示意圖。圖3-3為本發(fā)明的U型板樁組成的圍堰立面圖。圖4-1為本發(fā)明的工字型單片板樁斷面示意圖。圖4-2為本發(fā)明的工字型板樁拼接示意圖。圖4-3為本發(fā)明的工字型板樁組成的圍堰的立面圖。圖5-1-1為本發(fā)明的T型單片板樁斷面示意圖(圖中的鎖扣為公扣)。圖5-1-2為本發(fā)明的T型板樁拼接斷面示意圖(圖中的鎖扣為母扣，圖5-1-1中的 公扣可插入本圖的母扣中)。圖5-2為本發(fā)明的T型板樁拼接示意圖。圖5-3為本發(fā)明的T型板樁組成的圍堰的立面圖。圖6-1為圖5-3的圍堰銜接效果圖。圖6-2是圖6-1的正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6-3是圖6-2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6-4是圖6-2的左視結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明的類U形板樁的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是加拿大LB. P公司生產(chǎn)的WaterFRONT型復(fù)合板樁截面照片。圖中6為復(fù)合材料與不銹鋼連接螺栓；9為連接螺栓或自攻螺絲或鉚栓；11為 連接螺栓或自攻螺絲或鉚栓。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
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如圖 1-1、1_2、1-3 所示。實施例一。一種復(fù)合材料板樁，包括樁體1，樁體1的截面形狀如圖1-1所示，樁體1與樁體1 拼接結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，樁體拼接后的立體結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。所述的樁體1為復(fù)合材料 樁體，在所述的樁體1的上端包裹有不銹鋼套頭2，下端連接有不銹鋼樁靴3，樁體1的兩側(cè) 邊分別連接有與相鄰的樁體1相連的鎖扣4，如圖1-3所示；所述的樁體1由芯材101、包裹 芯材101的內(nèi)包裹層102及將各包裹有內(nèi)包裹層102的芯材101包裹成所需形狀的外包裹 層103組成，相鄰芯材101之間形成有格構(gòu)結(jié)構(gòu)104，如圖1-1所示。其中的芯材101可為 泡沫或木材，包裹層為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中 的一種或幾種的組合。圖1-1、1-2、1-3所示的板樁的制造方法如下
首先，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(可為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中的一種 或幾種的組合)包裹在芯材101 (可采用泡沫或木材)的表面，芯材的長度、寬度及厚度應(yīng)與 最終成形板樁相配；
其次，在與最終成形的板樁外形相配的下模中鋪設(shè)至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； 第三，將包裹成形的多片芯材置于下模中并拼接成與最終成形的板樁相一致的形狀； 第四，再在鋪設(shè)好的芯材上覆蓋至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或直接將鋪設(shè)在凹模中的 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹在所述的芯材表面以便使包裹有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單片芯材的 表面再包裹至少一層將它們連接成一體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；
第五，將形狀相配的上模放入下模中并在模具上開孔置入真空導(dǎo)入爐中進(jìn)行真空導(dǎo) 入，使所有的芯材粘結(jié)成一個整體結(jié)構(gòu)，并在相鄰的芯材結(jié)構(gòu)面之間形成格構(gòu)結(jié)構(gòu)；即得截 面形狀如圖1-1所示的復(fù)合材料板樁；
第六，在所得的復(fù)合材料板樁的上端包裹上不銹鋼套頭，在下端安裝好不銹鋼樁靴，以 提高打樁效果，同時在樁體的兩側(cè)邊裝上鎖扣以便使相鄰的板樁能方便地連接成一個如圖 1-3所示的整體，具體實施時，所述的鎖扣可采用與樁體一次拉擠成形的整體式結(jié)構(gòu)也可為 通過連接件相連的分體式結(jié)構(gòu)，圖1-3中即為分體式結(jié)構(gòu)，圖7為整體式結(jié)構(gòu)，由于不銹鋼 材料與樁體材料不同，因此如采用不銹鋼作為鎖扣件，則鎖扣只能是分體式結(jié)構(gòu)，如采用玻 璃鋼鎖扣，則既可采用分體式結(jié)構(gòu)，也可采用整體式結(jié)構(gòu)，在樁體進(jìn)行真空導(dǎo)入時借助模具 的作用一次成形。鎖扣的形狀為相配工字形結(jié)構(gòu)、T字形(圖1-1、1_2所示)、燕尾槽形結(jié)構(gòu) (圖7)、環(huán)銷結(jié)構(gòu)或其它形狀較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(如圖3-1、3-2所示)，總之，由于復(fù)合材料成形方 便，除可采用現(xiàn)有鋼板樁所有的鎖扣結(jié)構(gòu)還，還可根據(jù)需要設(shè)計更為復(fù)雜的鎖扣結(jié)構(gòu)。本實施例的關(guān)鍵是通過真空導(dǎo)入或拉擠工藝制備單片復(fù)合材料板樁，為了提高板 樁的抗彎剛度而將板樁截面設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)，纖維層主要承受彎曲應(yīng)力，芯材主要用來提 高截面剛度。為了進(jìn)一步增強(qiáng)芯材與板壁的界面抗剪強(qiáng)度，板樁可由一塊塊外裹纖維布的 芯材先拼裝后真空導(dǎo)入而成，芯材與芯材之間便形成了復(fù)合材料格構(gòu)，能增強(qiáng)截面的抗剪 強(qiáng)度。本發(fā)明的每塊板樁的左右兩端，一端通過螺栓或自攻螺絲或鉚栓連接不銹鋼榫 眼，另一端連接不銹鋼榫頭(即鎖扣)，插打每片板樁時，相鄰板樁便可榫接成一體。為了提高板樁插打時的抗沖擊能力，保護(hù)樁頭，沿樁頭頂面與側(cè)面包裹高度10 20cm,厚度為2 4mm的不銹鋼套頭2。本發(fā)明的復(fù)合材料板樁底部通過螺栓或自攻螺絲或鉚栓與不銹鋼樁靴3連接，以 方便打樁，尤其是加強(qiáng)在堅硬土層板樁的打樁效果。為了加強(qiáng)各片板樁橫向連接的整體性，可沿著板樁高度可設(shè)置一道或多道復(fù)合材 料橫梁5，橫梁5通過螺栓或自攻螺絲或鉚栓與板樁1連接，如圖1-3所示。實施例二。如圖2-1、2-2、2_3 所示。本實施例與實施例一的區(qū)別在于板樁的截面形狀為斜Z字形，其余與實施例一相 同。實施例三。如圖3-1、3-2、3_3 所示。本實施例與實施例一的區(qū)別在于板樁的截面形狀為斜U字形，其余與實施例一相 同。實施例四。如圖4-1、4-2、4_3 所示。本實施例與實施例一的區(qū)別在于板樁的截面形狀為斜工字形，其余與實施例一相 同。實施例五。如圖5-1-1、5-1-2、5-2、5-3、6-1、6-2、6-3、6-4 所示。本實施例與實施例一的區(qū)別在于板樁的截面形狀為斜T字形，其余與實施例一相 同。利用本實施例的鋼板樁所筑成的圍堰立體效果照片如圖5-3所示，圖5-3中接口處采 用的是螺栓鏈接，螺栓連接的局部立體效果圖如圖6-1所示，與圖6-1相配的三視投影圖如 圖6-2、6-3及6-4所示。實施例六。本實施例的鋼板樁的截面如圖7所示，圖8是與圖7相近似的加拿大LB. P公司生 產(chǎn)的WaterFRONT型無格構(gòu)和夾層的純復(fù)合板樁的截面照片。該LB. P公司的板樁由上翼、 下翼和腹板三部分組成，兩塊板樁可以通過白身的鎖口進(jìn)行連接。板的高度為0. 126m，寬度 為0. 416m，厚度為0. 032 0. 047m。表1是本發(fā)明的圖7所示的板樁的性能參數(shù)與同規(guī)格 鋼板樁及加拿大LB. P公司的純復(fù)合材料板樁的性能參數(shù)比較。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料板樁，包括樁體(1)，其特征是所述的樁體(1)為復(fù)合材料樁體，在所 述的樁體(1)的上端包裹有不銹鋼套頭(2)，下端連接有不銹鋼樁靴(3)，樁體(1)的兩側(cè) 邊分別連接有與相鄰的樁體(1)相連的鎖扣(4)；所述的樁體(1)由芯材(101)、包裹芯材 (101)的內(nèi)包裹層(102)及將各包裹有內(nèi)包裹層(102)的芯材(101)包裹成所需形狀的外 包裹層(103)組成，相鄰芯材(101)之間形成有格構(gòu)結(jié)構(gòu)(104)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料板樁，其特征是所述的芯材(101)為泡沫或木材，所 述的包裹層為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中的一種 或幾種的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料板樁，其特征是所述的樁體(1)的截面形狀為Z形、 斜Z形、U形、T形或工字形。
4.一種復(fù)合材料板樁的制造方法，其特征是它包括以下步驟首先，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹在芯材的表面，芯材的長度、寬度及厚度應(yīng)與最終成形 板樁相配；其次，在與最終成形的板樁外形相配的下模中鋪設(shè)至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；第三，將包裹成形的多片芯材置于下模中并拼接成與最終成形的板樁相一致的形狀；第四，再在鋪設(shè)好的芯材上覆蓋至少一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或直接將鋪設(shè)在凹模中的 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹在所述的芯材表面以便使包裹有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單片芯材的 表面再包裹至少一層將它們連接成一體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；第五，將形狀相配的上模放入下模中并在模具上開孔置入真空導(dǎo)入爐中進(jìn)行真空導(dǎo) 入，使所有的芯材粘結(jié)成一個整體結(jié)構(gòu)，并在相鄰的芯材結(jié)構(gòu)面之間形成格構(gòu)結(jié)構(gòu)；即得復(fù) 合材料板樁；第六，在所得的復(fù)合材料板樁的上端包裹上不銹鋼套頭，在下端安裝好不銹鋼樁靴， 以提高打樁效果，同時在樁體的兩側(cè)邊裝上鎖扣以便使相鄰的板樁能方便地連接成一個整 體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的芯材為泡沫或木材，所述的包裹層為 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維中的一種或幾種的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述樁體的截面形狀為Z形、斜Z形、U形、T 形或工字形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的鎖扣為與樁體一次拉擠成形的整體式 結(jié)構(gòu)或通過連接件相連的分體式結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的方法，其特征是所述的鎖扣為不銹鋼或玻璃鋼制品，其形 狀為相配工字形結(jié)構(gòu)、燕尾槽結(jié)構(gòu)或環(huán)銷結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料板樁及其制備方法，包括樁體(1)，其特征是所述的樁體(1)為復(fù)合材料樁體，在所述的樁體(1)的上端包裹有不銹鋼套頭(2)，下端連接有不銹鋼樁靴(3)，樁體(1)的兩側(cè)邊分別連接有與相鄰的樁體(1)相連的鎖扣結(jié)構(gòu)(4)；所述的樁體(1)由芯材(101)、包裹芯材(101)的內(nèi)包裹層(102)及將各包裹有內(nèi)包裹層(102)的芯材(101)包裹成所需形狀的外包裹層(103)組成，相鄰芯材(101)之間形成有格構(gòu)結(jié)構(gòu)(104)。本發(fā)明以塑代鋼，具有重量輕，強(qiáng)度高，壽命長，可重復(fù)利用的優(yōu)點。
文檔編號E02D5/03GK102071676SQ201010604399
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者劉偉慶, 方海, 王俊, 胡世俊, 趙慧敏, 陸偉東 申請人:南京工業(yè)大學(xué)