夹持和锚固高强度复合材料的新方法 一、技术领域
本发明属于高强度复合材料的夹持和锚固技术领域。
二、背景技术
高强度复合材料，如碳纤维增强塑料、高分子聚合物纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料等，是以高强度纤维为增强体，以树脂为基体组合而成的复合材料。由于高强度复合材料具有自重轻、强度高、低徐变、低热膨胀系数、适中的弹性模量以及良好的抗腐蚀、耐疲劳等性能，应用非常广泛，特别是用其制造拉索结构，承载力能力大，是预应力钢丝束的理想替代品。复合材料在使用形态上可以分为三类：片材类、棒材类及格栅类，其中片材类又分为布材和板材。棒材类制造及应用比较复杂，基本处于试验阶段；而片材类的制造及加工最为简便，应用也比较广泛，主要应用在加固补强工程结构方面。
在高强度复合材料的应用中，由于复合材料的抗剪能力较差，以及它自身对缺陷的敏感性，复合材料的夹持和锚固技术一直是困扰工程界的大难题。到目前为此，世界各国已开发的多种高强度复合材料的夹持和锚固系统，都只能以复合材料棒材为对象进行夹持和锚固，这些锚固系统大致可以分为两类：一类是套筒填充法，即将复合材料棒材放入金属套筒内并填入树脂或其它高强度粘结材料；另一类是涂覆软质合金法，即在复合材料棒材地端部一定范围内涂覆软质合金，然后再用楔入等方法锚固。由于这些方法的制造工艺复杂、尺寸较大、可靠性差，并且成本也较昂贵，不便于在工程应用中大量推广应用。而对于复合材料片材的夹持和锚固，采用以上方法是根本无法解决的难题。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种夹持和锚固高强度复合材料的新方法，特别适用于对复合材料片材类的夹持和锚固。本发明的方法简单，操作简便，制造工艺简单，成本低廉，夹持和锚固的效果好、可靠性高，易于在工程中推广应用。
本发明的目的是这样实现的：一种夹持和锚固高强度复合材料的新方法，其夹持和锚固复合材料的装置是采用本发明人于2002年10月29日申请的《高强度复合材料波形齿夹具锚》(申请号为02244587.9)的专利技术，主要是利用波形齿夹具锚的波形齿特点，将高强度复合材料片材粘贴于上波形齿板、加劲波形板及下波形齿板之间，然后用压紧及锁定装置对其施加一定的压力并锁定，使上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板及它们之间的复合材料片材互相粘贴和挤压而紧密结合地形成一个整体结构，依靠它们之间的粘结力和摩擦力，实现对高强度复合材料片材可靠的夹持和锚固。
夹持和锚固复合材料的方法步骤如下：
第一步：选择波形齿夹具锚的形状
1.增强或加固工程结构时
当用高强度复合材料增强或加固工程结构时，应根据被增强或加固的工程结构的形状，选择与其相适应的波形齿夹具锚的形状，如直线型或曲线型或折线型等。波形齿夹具锚的线型，即为波形齿夹具锚中波形齿排列的形状。例如，对梁结构的底面进行加固，若底面是平面，则可选择直线型夹具锚，即波形齿呈直线排列，与平直表面相适应；又比如，对圆柱形的柱状工程结构沿圆周方向加固时，可选择圆弧型的波形齿夹具锚，即波形齿呈圆弧形排列，与圆柱表面相适应；再如，对横截面为矩形的工程结构进行横截面方向的加固时，在四个角处设置的波形齿夹具锚可选择折线型的夹具锚，即与四个角的形状相匹配，等等。在波形齿夹具锚的形状确定后，将选定的夹具锚的上波形齿板或下波形齿板固定设置(如焊接、嵌入、锚入等方式)于被增强或被加固的工程结构表面内，或者在被增强或加固的工程结构表面上预留与所选择的波形齿夹具锚的形状相吻合的波形齿槽。
2.制作大吨位拉索结构时
当用高强度复合材料制作拉索状构件时，可选择平行式或扇形式等类型的波形齿夹具锚。平行式或扇形式即波形齿夹具锚中上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板的各波形齿面的布置方式，即各波形面的相互位置关系。例如，若各波形面互相平行，则为平行式。
波形齿夹具锚的尺寸及个数，应根据被增强或加固的工程结构的尺寸大小或拉索的吨位而定。在波形齿夹具锚的上、下波形齿板之间所增设的加劲波形板的数量，应根据高强度复合材料片材的厚度及层数而定。
第二步：进行表面处理并涂刷粘结剂
对选定的波形齿夹具锚的上、下波形齿板及加劲波形板的波形面进行除锈、打磨及清洁等处理，并在其表面涂刷粘结剂。
第三步：复合材料片材的预处理
1.当复合材料片材为未经浸渍粘结树脂的布材时，须先将其充分浸渍粘结树脂，并碾压密实；
2.当复合材料片材为已浸渍粘结树脂并固化成型的板材时，须先将其端部加工(如热处理工艺等方法)制成与波形齿夹具锚的波形面相吻合的波形板状，并在其上、下表面涂刷粘结剂。
第四步：放置复合材料片材
1.当复合材料片材较厚时，将复合材料片材分层放置于已进行表面处理并涂刷粘结剂的上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板之间。
2.当复合材料片材较薄时，不必增设加劲波形板，而将复合材料片材直接放置于已进行表面处理并涂刷粘结剂的上、下波形齿板之间。
第五步：压紧及锁定
待以上步骤完成后，安装压紧及锁定装置，并对上、下波形齿板施加压紧力并锁定，使上、下波形齿板及加劲波形板和它们之间所夹持的复合材料片材互相挤压、紧密结合地形成一个整体结构。例如，使用带弹簧垫圈的螺栓作为压紧及锁定装置时，将螺栓穿过在上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板上预留的螺栓孔，装上弹簧垫圈，拧紧螺母，就能对上、下波形齿板施加一定的压紧力并锁定，使上波形齿板、下波形齿板、加劲波形板和它们之间所夹持的复合材料片材互相挤压、紧密结合地形成一个整体结构，实现对复合材料片材的夹持和锚固。
第六步：自然养生
待以上步骤完成后，可自然养生24小时以上，待粘结剂产生强度。
本发明的工作原理是利用复合材料片材与上、下波形齿板及加劲波形板之间的粘结力和摩擦力，将复合材料可靠地夹持并锚固于上、下波形齿板及加劲波形板之间；上、下波形齿板为凸缘〔或凹缘〕结构，有增大摩擦力和增加粘结面积的作用；压紧及锁定装置使上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板以及它们之间所粘贴并夹持的复合材料片材之间互相挤压，进一步增大摩擦力和提高粘结力，使复合材料片材的夹持和锚固效果更好更可靠。此外，由于本夹具锚是依靠粘结力和摩擦力工作的，对抗剪性能较差的复合材料没有集中的剪切力作用，因此复合材料不会被夹断，可靠地解决了复合材料片材的夹持和锚固的难题。
本发明采用上述技术方案的方法简单，操作方便，适用性好；波形齿夹具锚的形状和种类可多样化，适应性好；夹持和锚固复合材料的效果好，可靠性高；制造工艺简单(如采用简便的手工工艺，就可以制作承拉力达400吨以上的大吨位高强度复合材料拉索构件)，成本低廉，经济性好；等等，并有效而可靠地解决了复合材料片材的夹持和锚固的难题。应用本发明，可以制造大吨位的高强度复合材料拉力构件，如吊索、拉索、预应力筋等；也可以用来增强工程结构(如钢结构、木结构、混凝土结构等)，例如加强梁、板、柱等承受拉应力的部位，可大大提高这些构件的承载能力；还可以对已有的工程结构(如桥梁、房屋、船舶等)进行加固补强之用，以提高其使用寿命等。
四、附图说明
图1：波形齿夹具锚的结构示意图；
图2：厚型复合材料片材夹持和锚固的示意图；
图3：薄型碳纤维复合材料片材夹持和锚固的示意图。
图中：1上波形齿板、2下波形齿板、3加劲波形板、4复合材料片材、5螺栓孔、6吊扣预留孔。
五、具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
如图1、3所示，对薄型碳纤维复合材料片材夹持和锚固的方法步骤如下：
第一步：选择夹具锚的形状
由于本实施例是对碳纤维布片材进行夹持和锚固，并且碳纤维布片材较薄，层数也少(即2×0.111mm)，故本实施例选择平行式直线型的波形齿夹具锚，并且不增设加劲波形板。
本实施例用4块长200mm，宽100mm，厚25mm的钢板，分别制成两块上波形齿板1和下波形齿板2，构成两个波形齿夹具锚。每个波形齿夹具锚由相互吻合的上波形齿板1和下波形齿板2组成，并在其上预留四个高强螺栓孔5和两个吊扣预留孔6。
第二步：进行表面处理并涂刷粘结剂
分别对各个夹具锚的上波形齿板1和下波形齿板2的波形面进行除锈、打磨及清洁等表面处理。然后在各波形面上涂刷粘结剂；
第三步：复合材料片材的预处理
用手工剪裁10cm宽的碳纤维布片材，对折后平铺，对其用环氧树脂浸渍剂充分浸渍、碾压。
第四步：放置碳纤维布片材
然后将充分浸渍的碳纤维布片材的两端分别粘贴于两个夹具锚的上、下波形齿板之间。
第五步：压紧及锁定
将四根直径16mm的高强螺栓穿过上、下波形齿板的预留螺栓孔，并拧紧带预应力弹簧垫圈的螺母，从而实现对上、下波形齿板施加一定压力并锁定，使上、下波形齿板及其之间所粘贴并夹持的碳纤维布片材互相挤压、紧密结合地形成一个整体结构。
第六步：自然养生24小时。
对采用本发明方法夹持和锚固的碳纤维复合材料进行拉力试验，即用吊扣穿过吊扣预留孔6，并用钢丝绳将其一端的夹具锚悬挂起来，另一端的夹具锚悬挂一个用于放置重物的木筐子，然后往木筐里加重物，直到碳纤维布片材拉断为止。碳纤维布片材拉断后，将夹具锚拆开，检查、清洗，然后再重复以上试验。经过多次试验表明：碳纤维布片材的设计最大拉应力为2650MPa，实际试验值均在3200MPa以上，最高可达3976Mpa，一方面证明采用本发明夹持和锚固复合材料的方法，碳纤维复合材料片材可充分发挥了其抗拉能力，另一方面也证明了本发明夹持和锚固复合材料的方法安全可靠，效果良好，对夹具锚中的复合材料片材无任何损伤。总之，试验证明：利用波形齿夹具锚，采用本发明的方法夹持和锚固碳纤维复合材料片材等高强度复合材料是十分可靠的。