按标准尺寸制造的纤维加强复合材料结构构件的制作方法

专利名称：按标准尺寸制造的纤维加强复合材料结构构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及结构混凝土构件，特别涉及具有改进的强度和抗腐蚀性的填充了混凝土的低成本纤维加强复合材料结构构件，还涉及用来相互连接许多按标准尺寸制造的纤维加强复合材料结构构件以便形成框架和支承结构的不同方法，该框架和支承结构可减少制造和保养费用并消除地震冲击和化学腐蚀。
2．相关领域描述结构混凝土构件广泛采用在各种土木工程应用中。混凝土的高抗压强度、其低成本和易于获得使其特别适用于许多土木工程中，例如用于桥梁柱、梁和支承塔。混凝土构件可预制和利用机械紧固件现场安装，或更普遍的使用适当的模板现场就地浇注。
对需要高强度和/或增加变形量的应用，例如桥梁支承柱，常使用钢筋混凝土构件。传统的加强物包括埋置的钢筋或沿结构构件的长度布置的总体与结构构件轴线在一条直线上的张拉钢丝索/钢筋。在地震区通常选择使用低碳钢筋，以便在地震活动情况下，加大钢筋混凝土结构构件的非弹性变形量和延展反应。
预制这种加强结构混凝土构件是可能的，但由于其重量的原因，它们很难进行长途距离输送且输送花费很高。而且，必须现场准备重型起重设备以便在安装时定位和支承结构构件。现场制造也是可能的，但由于必须(1)在现场搭制一个适当的临时模板以浇注理想形状的混凝土；(2)在混凝土内绑扎钢筋或钢筋笼(有时必须焊接)以提供足够的抗拉能力；和(3)一旦混凝土固化需拆卸和移走模板，因此耗费时间并增加施工劳力消耗。
甚至在初始制造完成后，特别是在易于发生地震活动或暴露于盐或其它化学制剂中的区域，常需大量的附加费用以便维修和/或保养传统的钢筋混凝土结构。这是因为根据传统钢筋混凝土的设计原理，它需要破裂来把挠曲张力传送到钢筋。当钢筋在所施加载荷作用下拉伸时在混凝土构件的张拉侧形成了这些裂缝。这些裂缝允许水和空气进入并腐蚀钢筋。钢筋的腐蚀通过钢横筋截面上的体积膨胀实现。
过一段时间，绕裂缝区的钢筋局部腐蚀可使混凝土保护层剥落并减弱混凝土结构构件的结构整体性，这使其低于所需的最低标准和设计值。常需大量的修复劳动来恢复构件的结构整体性，在这种修复后钢筋的腐蚀通常继续发生。
预张拉钢筋或提供内部支承例如后张钢丝索/钢筋可以增加钢筋混凝土结构构件的名义弹性强度，从而限制应力所产生裂缝的大小。参见Yee的美国专利5305572。但是这产生一种很难变形且吸收能量的刚性结构构件，因此更易于脆坏。通常，特别是在地震区，最好是保留尽可能多的延展变形量。
Sato的美国专利4722156建议使用预制外钢管或外套以便提供一种用于混凝土结构构件的模板，一旦混凝土固化该模板就地留下作为加强件使用。因为钢加强管在混凝土芯外侧，钢加强件的腐蚀或其它削弱能可见地观察和维修。
然而，钢管的缺点是它很重且很难加工。在现场需要重型起重设备以便安装时定位和支承钢管。不利地是，钢加强件的附加重量增加了结构的地震扰动质量。还需要熟练技术的焊工来焊接相邻的管构件。这种焊接很不利，因为它不仅增加了制造总体费用，而且焊接缝易于脆坏。另外，特别在腐蚀化学或海上环境，因为钢加强结构构件完全暴露，合成的结构仍易于腐蚀损坏。由于需要周期性地油漆钢管且维修任何腐蚀损坏，因此增加了保养费用。
其它人还提出用不腐蚀复合材料例如保持在一个硬化的聚合物母体上的碳、芳族聚酰胺或玻璃纤维来替换传统的钢筋或张拉钢筋。这种材料在现存的钢筋混凝土结构构件例如墙、桥梁柱和支承塔的抗地震改进方面很有希望。见在此作为参考的ASCE结构工程杂志(ASCEJournal OF Structural Engineering),1994年3月第3期第120卷第925-946页，Seible,F.,Priestley,M.J.N.,Kingsley,G.R,和Kurkchubasche,A.所著的“五层全范围加强圬工建筑物的地震反应”(“Seismic Response of Five Story Full Scale Reinforced MasonryBuilding”)。通过用适当的树脂浸渍纤维材料并将纤维束绕混凝土结构构件的周边缠绕，从而将碳纤维用于受地震破坏的混凝土结构构件的外周边。通过限制混凝土以防止脆坏而增加了钢筋混凝土构件的强度。参见Fyfe的美国专利5043033和Kobatake等的美国专利4786341。
然而，在结构有效性和经济性方面，这种复合材料在新建筑中仅取得了有限的成功。未解决的技术难题例如锚固问题和长期蠕变/松弛问题阻止碳纤维杆或腱代替钢筋。几倍于传统钢筋混凝土构件的增加的材料成本阻止了在该领域的进一步研究和发展。
另一方面，对现存混凝土结构的连续改进很难进行且耗费时间。而且，为了使侧限强度最大，碳纤维总体在几乎垂直于结构构件纵向轴线的方向上定向。这样，纤维不会显著的直接影响改进结构构件的弯曲变形量。相反，仍需要钢筋。最后，这种改进的技术没有提到在相邻结构构件之间的连接的问题。这是一个关键的问题，因为包括多个结构构件的任意结构的整体性受到将单独结构构件固定在一起的连接部分的强度和韧度的限制。
发明概述当前建筑工业中需要不易受腐蚀作用的低成本、轻质加强结构构件，该结构构件可快速和简单的在现场安装，安装使用了轻型设备和不熟练或半熟练的劳力，且该结构构件可以以按标准尺寸制造的部件形式预制并实际输送到世界上的任意地方。因此，本发明的一个目的是满足这种需要并解决传统钢筋混凝土结构构件的上述缺陷和局限。
根据本发明的一个实施例，提供了一种预制的轻质纤维加强外壳，该外壳可在现场快速和很容易的安装，且填充有混凝土以便形成具有混凝土的承压强度特性和复合材料纤维的拉伸强度特性的复合材料结构构件。尽管高强度纤维材料具有较高的材料成本(例如碳=约10-15美元每磅)，但根据本发明制造的一种纤维加强复合材料系统在整个寿命周期内的成本令人惊奇的低于具有类似载荷/变形量的传统钢筋混凝土结构系统。这主要是由于使用了不熟练或较不熟练的劳力来安装轻质外壳、减少劳动密集模板和拆卸模板的步骤以及加强件的布置和绑扎、加快施工进度、增加可靠性并减少保养费用等引起了成本的显著节省。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种纤维加强外壳，它包括以一个或多个预定角度及一个或多个预定厚度缠绕的高强度纤维丝，选择每个角度和/或厚度，以便为结构挠性提供最优强度和侧限以及为给定的整体壁厚提供剪切。外壳是轻质的，因此，很容易在现场处理。形成的外壳在纵向上还具有显著的抗拉强度，这样尽管可以选择性地使用钢筋，但不再要求必须增加钢筋。
根据本发明的另一个实施例，提供了一个具有肋或类似构件的纤维加强外壳以防止混凝土芯相对于外壳移动，并且在混凝土芯和外壳之间提供一个力传送机构。肋可以仅布置在外壳的端部以便与相邻的结构构件保持适当的连接，或者为了在复合材料结构构件的长度上提供与混凝土芯的足够接合，因而在外壳的整个内部连续提供肋。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种空间框架结构，例如一种由许多复合材料结构构件制成的桁架桥。桁架构件利用按标准尺寸制造的纤维加强外壳在现场安装，然后填充混凝土以形成合成结构。或者，本发明提供了一种由复合材料结构构件制成的拱桥或索拉桥。
考虑到下面对优选实施例的说明并参考附图，本发明的这些和其它目的及优点对本领域的技术人员来说十分显然。然而本发明并不仅限于所公开的特定的优选实施例。
附图简述

图1A是具有本发明特征的纤维加强复合材料结构构件的局部剖开的透视图；图1B是具有本发明特征的纤维加强外壳的局部剖开的透视图；图2A-2C是示出具有本发明特征的纤维加强外壳的若干可能横截面形状的示意图；图3A是具有本发明特征的的纤维加强复合材料结构构件的纵向截面图，它表示将复合材料构件固定到一个基础上的一个优选方法；图3B是具有本发明特征的的纤维加强复合材料结构构件的纵向截面图，它表示将复合材料构件固定到一个基础上的另一个优选方法；图3C是在基础交界面上图3B的纤维加强复合材料构件的放大截面图；图4A-4D是示出具有本发明特征的纤维加强复合材料结构构件的一般压力和拉力的应力-应变图；图5是沿45度的假想剪力面具有本发明特征的一个纤维加强外壳的一般剪力特征的力示意图；图6A是承受一个侧向载荷的一个传统钢筋混凝土柱的载荷-位移图6B是根据图3A制造的且承受一个侧向载荷的一个纤维加强复合材料柱的载荷-位移图；图6C是根据图3B制造的且承受一个侧向载荷的一个纤维加强复合材料柱的载荷-位移图；图6D是图6A-6C表示的不同载荷-位移特性的比较图表；图7A和7B分别是具有本发明特征的拼接连接器的纵向和横向截面图；图8A和8B分别是具有本发明特征的拼接连接器的另一个实施例的纵向和横向截面图；图9A和9B分别是具有本发明特征的拼接连接器的又一个实施例的纵向和横向截面图；图10A和10B分别是结合了图7-9所示拼接连接器特征的一个拼接连接器的另一个实施例的纵向和横向截面图；图11A和11B分别是具有本发明特征的拼接连接器的另外一个实施例的纵向和横向截面图；图12A和12B分别是具有本发明特征的拼接连接器的另外一个实施例的纵向和横向截面图；图13A和13B分别是具有本发明特征的拼接连接器的另外一个实施例的纵向和横向截面图；图14A-14D是示出具有本发明特征的一个交叉形铰接连接器的使用和组装的按时间顺序的前立视图；图15A是具有根据本发明制造和安装的梁形塑性铰链的一个纤维加强空间框架的示意图；图15B是具有根据本发明制造和安装的柱形塑性铰链的一个纤维加强空间框架的示意图；图16A-16C分别是根据本发明制造和安装的一个纤维加强复合材料桁架桥的侧立视图、底平面图和横向截面图；和图17A-17C分别是根据本发明制造和安装的一个纤维加强复合材料拱桥的侧立视图、底平面图和横向截面图。
优选实施方案详述图1A和1B表示一种具有本发明特征的纤维加强复合材料结构构件100的一个局部剖视图。图中所示的具体复合材料构件为优选的圆柱体形状，因为对于给定的横截面来说，圆柱体形状能最有效地利用材料，而且具有最大的结构整体性。然而，本发明不仅限于圆柱体结构构件，还可以使用例如如图2A-2C所示的各种其它形状和尺寸的结构构件，该构件仅作为例子来提供。图2A表示上述优选的圆形横截面。图2B表示有侧限为矩形或“conrec”横截面，这种横截面在需要较扁平的梁或柱表面的用途中可能具有某些优点。图2C表示具有如图所示的较小外圆角半径Rmin的基本上正方形横截面。还可使用具备在此所公开的本发明优点和益处的这些和其它凸管、棱柱或非棱柱形状。
再次参见图1，如下详细所述，复合材料构件100总体包括一个纤维加强外壳或外套103和一个灌注进外壳103内并在其中就地固化的混凝土芯105。
纤维加强外壳外壳103由呈工作关系固定在一个适合的聚合物母体或粘合剂内的多圈高强度纤维丝绕组107,109组成。合适的高强度纤维可包括例如玻璃或芳族聚酰胺纤维或更优选为高强度碳纤维，但不限于此。适当的，聚合物母体材料可包括各种环氧树脂、乙烯酯或聚酯中的任意其中之一，但不限于此，这些材料可通过化学方法、加热或紫外线固化来硬化。环氧树脂，特别是大力神航空航天(Hercules Aerospace)HBRF55A环氧树脂，由于其具有极佳的机械性能和容易得到而最好用作母体材料。不同的公知添加剂可自由的添加到未固化的聚合物母体中，以加强其可加工性、机械特性和/或延缓其易燃性或提供对紫外线辐射的保护。
最好以传统方式通过将成束的高强度丝缠绕在一个旋转卷筒上来缠丝。成束的丝可根据需要以预浸渍材料方式预先涂上一种聚合物粘合剂(“干法缠绕”)，或者在缠绕于卷筒上之前(“干法缠绕”)成束的丝可在一个树脂槽内浸透。丝绕组可一层叠一层以便形成具有预定壁厚“t”的外壳。
不同的丝层最好以一个或多个预定的缠绕角度缠绕在卷筒上，以便根据预定的设计标准来调整外壳103的应力和弯曲特性。在图示的优选实施例中，碳纤维丝107,109分别相对于复合材料构件100的纵轴“Z”呈±10度(纵向纤维)和90度(环向纤维)的角度缠绕。当然，可采用其它缠绕角度，并仍具备本发明所带来的益处和优点。
根据设计构思和材料成本各层缠绕丝可根据需要以编织或其它方式形成交叉，或者分成各分离层。例如，丝层可形成分离部分，这样，例如外壳103的内侧部分由基本上所有呈90度的纤维109构成，而外壳103的外侧部分由基本上所有呈±10度的纤维107组成。相反，处于一个缠绕角的丝层可嵌入在以不同缠绕角度缠绕的多个丝层之间。
上面对优选制造技术的描述仅仅是为了说明的目的。对本领域的普通技术人员来说，很容易理解，种种其它制造技术可以用来制造具有本发明的所需强度和柔顺特性的一种外壳103。其它适合的制造技术可包括，例如，将高强度纤维布缠放在一个模板或旋转卷筒上、将随机取向的低模量短切纤维缠放在一个模板或旋转卷筒上、将低模量短切纤维连续挤出到一个母体材料内、或者连续地编织一种由高强度纤维丝构成的管套并且用聚合物涂敷。
如图1B的局部剖视图所示，在外壳103的内表面的至少一部分上最好设有肋115。肋115在外壳103和内部混凝土芯105之间提供了一种机械接合互锁。肋115最好具有约0.01至0.10英寸的高度，最好约为0.045英寸，且形成接近传统钢筋构件的滚花外表面。当然，也可根据需要采用其它便利的形状和尺寸。
如图1A所示，肋115可以是同心的或从纤维加强复合材料外壳的一端呈连续螺旋至一理想的深度d，或者，为了在构件100的全长上在外壳103和混凝土芯105之间提供一种机械接合，肋115可沿纤维加强复合材料外壳103的长度方向上连续伸展。最好，肋115形成突出的突起，该突出突起从外壳103的内表面伸进混凝土芯105内，这样在接合点肋115不会降低外壳103的厚度。或者，靠近每个肋115的外壳103的厚度可增加以便补偿由肋115引起的壁厚“t”的任何变化。
混凝土芯混凝土芯105可包括一种任选填加有砂或集料的常规砂浆或混凝土浆，或者，混凝土芯105可由在建筑工业中所熟知和很容易得到的下列物质的任何一种全部或部分地组成，这些物质包括大量特种水泥，集料或浆、例如轻质混凝土、泡沫混凝土或其它可固化的砖石实体。
不同的添加剂可与未固化的混凝土芯105混合在一起以提高其和易性和/或提供增强的结构性能。可以添加其它熟知的添加剂以防止在固化过程中混凝土芯105的过度收缩或者在固化过程中使混凝土芯105膨胀，这样外壳103保持足够小的抵抗固化混凝土芯105的侧限压力。根据参数研究，发现约εd=0.001英寸的膨胀应变可在塑性铰链或过渡区域内产生足够的侧限压力。
混凝土芯105在液态或未固化状态下开始灌注进纤维加强复合材料外壳103内。外壳103提供了一个用于容纳正在固化的液态混凝土的模板。可任选使用机械搅拌装置或其它振捣器以便使在外壳103内的混凝土沉降从而阻止空隙形成。使用混凝土稀料、砂或细粒集料还有助于制造匀质无空隙的混凝土芯105。尽管这里所公开的本发明中并不需要，然而仍可任选在混凝土芯105内设置钢筋构件或后张钢丝索/钢筋(未表示)。
复合材料柱/塔结构尽管可以想象到本发明可以广泛应用于土木工程和结构设计中，然而早期的发展集中在设计纤维加强复合材料柱支架和塔上。因此，尽管下面的详细描述专门涉及设计不同的复合材料柱支架构件和塔，应该想到这里公开的原理和设计技术同样可用来设计其它复合材料结构构件如梁、托梁、桁架、拱架等。
图3A和3B表示具有本发明特征的纤维加强复合材料柱结构构件的两个可选实施例。图3A的复合材料柱设计成具有最大延展特性和最大变形量并且最好用在地震活动多发区域。图3B的复合材料柱设计成具有最大强度且最好用于无地震区域或者中度大地扰动的地震区域。
首先，如图3A所示的实施例，如图所示，复合材料结构构件120包括一个内直径为“D”的纤维加强外壳123和一个具有基本相等外直径的内混凝土芯121。复合材料柱120通过许多软钢搭接钢筋125安装在一个基础129上。本领域的普通技术人员可以理解搭接钢筋125和外壳所提供的侧限形成一塑性铰链，该塑性铰链在地震冲击的情况下可以使柱120的延展性柔量增加到最大。
通过为基础设置一个模板，并且将搭接钢筋125放置在其中，可将柱120固定在基础129上。搭接钢筋125最好为L形或者T形，并且布置成间隔开的环形图案，如图所示，每个搭接钢筋的下端向外和/或向内伸展。搭接钢筋的上垂直部分向上伸进外壳123内的一预定距离“L”，并且限定了一个假想的圆筒，该圆筒直径在约1至5英寸之间，最好是约3英寸，它比外壳123的内直径“D”小。根据需要，通过利用传统的施工方法围绕搭接钢筋构件125连续地缠绕一个或多个钢筋构件126，搭接钢筋的下垂直部分可以系紧在一起，从而形成一个钢筋笼128。
在搭接钢筋125固定就位后，灌注基础129，并使混凝土固化。然后，外壳123放置在搭接钢筋125上并且利用加斜撑、脚手架或者其它适当的支撑结构来将它固定就位。为了在复合材料柱120发生较大角位移的情况下防止外壳123破碎，在外壳123的底部和基础129的上表面之间最好设有一个小缝隙127。缝隙127在约0.5和3.0英寸之间，并且最好是约1.0英寸，该缝隙应足够用于大多数应用情况。如果需要，一种柔顺材料例如橡胶、泡沫塑料或者金属环(未示出)可放置在缝隙127内以便使外壳123密封到基础129的顶表面上，从而防止在混凝土芯121处于未固化状态时该混凝土芯121发生渗漏。
一旦外壳123固定(且任选密封)到基础129上之后，然后将混凝土灌注到外壳123内至一理想水平面。如果在柱120的顶部需要一个第二接头，那么可以在灌注混凝土芯121之前使接头布置就位，或者逐步完成该连接。例如，可以将混凝土灌注到第一水平面，使其凝固，同时附加接缝和接头固定就位，然后灌注到第二水平面，根据需要重复该步骤多次以便形成支撑框架结构。
如上简述，在灌注混凝土芯121期间可以使用一种机械搅拌装置或振捣器，以便使混凝土混合物固化并且防止形成空隙。或者，混凝土可以被压力泵送入外壳123内并且在压力下密封成基本相同的理想产物。如上所述，还可以使用不收缩或可膨胀的混凝土以确保对混凝土芯121的足够的侧压力。如果估计到有大量收缩的话，肋115的尺寸(图1B)还可以增加以便在外壳123和混凝土芯121之间保持机械接合。
在图3B所示的另一个实施例中，如图所示，外壳139直接伸进基础137内，其深度增加以便容纳较高的预期应力。一旦外壳139固定就位，混凝土芯140和基础137同时灌注。或者，如图3C所示，在基础交界面处围绕复合材料柱135的底部设有一个过渡区141，以便在复合材料柱135和基础137之间提供一个柔顺的过渡。过渡区141的尺寸可以根据需要改变，但是该尺寸在最大点处最好处于比复合材料柱135的直径大1-3英寸的范围内，该最大点从基础137的顶部渐缩至零所历经的尺寸为5-12英寸。本领域的普通技术人员很容易理解在具备本发明所带来的益处和优点的同时可以使用种种其它形状和尺寸，过渡区141最好包括一种柔顺材料，例如一种结构粘合剂，该结构粘合剂具有低于混凝土弹性模量、且最好比混凝土弹性模量的大约一半还要低的低弹性模量。
为了提供阻止轴向拔拉外壳的附加阻力，在外壳139的下端上还设有一个可选择的向外伸出的唇缘或突缘。在复合材料构件135内还可能设有孔以便根据需要容纳水平锚固杆。或者，本领域的普通技术人员很容易理解可以使用许多其它适当的方法和连接装置，以便将一个复合材料构件固定到一个基础或其它结构上，同时具备本发明所带来的益处和优点。
设计方法学根据本发明制造的纤维加强复合材料结构构件的一个有利特征是，它能够通过对纤维朝向和叠压顺序选择适当的布置来形成纤维加强外壳，从而精确的设计复合材料构件的强度和柔顺特性。在最简单的情况下，外壳可由沿外壳长度方向均匀布置的高强度丝制成。或者，丝层的朝向和/或厚度可以沿外壳的长度方向随意变化，以便仅在需要的区域提供强度和柔量。调整纤维加强外壳的强度特性是本发明的重要优点，因为这使原材料更有效的利用，否则将比例如钢等传统的材料更昂贵。
考虑三个关键作用-弯曲、剪切和侧限的量设计方法可以成功地指导本发明的复合材料结构构件的有效设计。下面逐一详述弯曲设计本发明制作的复合材料构件的弯曲量基于计算对一个给定的横截面在给定的5载荷作用下需要保持力和弯矩平衡时的外壳壁厚。力平衡条件如图4A-4D图解表示。
如图4A所示，使在设计载荷P下的复合材料结构构件100承受给定的名义设计量弯矩Mn，这样在混凝土芯内产生在区域151上分布的压力Fc。如图4C和4D所示，在中性轴“n”的相对侧上，在外壳103的部分153内的拉力Fj抵消了该压力。
对复合材料构件的一个给定的横截面，平衡条件可表示成如下的数学公式Fj+P=FcMj+Mc+Mp=Mn(1)式中P=名义轴向载荷；Fj=考虑纤维朝向，纤维加强复合材料外壳的最大拉力分量；Fc=混凝土芯的最大压力分量；Mj=由纤维加强复合材料外壳提供的最大弯矩分量；Mc=由混凝土芯提供的最大弯矩分量；Mp=由轴向载荷P提供的合成弯矩分量；Mn=充填有混凝土的复合材料构件的名义设计弯矩量。
在上述公式中，Fj、Mj和Fc、Mc通过对绕环形轮廓的外壳内的应力求积分以及对在混凝土芯上在横截面的压缩部分上的压应力求积分来确定。根据由极限载荷条件所确定的线性应变图形来计算应力。根据对应于每个选定的纤维朝向的等效弹性模量来推算在纤维加强复合材料外壳内的应力。在这种情况下，具有缠绕角θ≈0度(实际上由于考虑到制造因素下端≈±10度)的纵向纤维提供最大的抗弯强度。在ASCE结构工程杂志(Journal of Structural Engineering)1998年8月第8期第114卷第1804-26页“侧限混凝土理论应力应变模型(“Theoretical Stress-strain model for Confined concrete”)”中，根据由Mander等提出的侧限混凝土应力-应变模型来计算混凝土芯内的压应力，这里引入该文用作参考。
对上述公式求积分并求解平衡条件，推导出用以支撑名义设计弯矩量Mn所需的给定缠绕角的预定最小外壳壁厚度。在基于设置在外壳内表面内的肋尺寸的该模型中，还应考虑外壳和混凝土芯之间的滑动。
剪切设计在这里用作参考的ASCE结构工程杂志1994年8月第8期第120卷第2310-29页“钢筋混凝土柱的地震抗剪强度”(“Seismic ShearStrength of Reinforced Concrete Columns”)中，根据由Priestley等提出的预测抗剪强度模型来确定根据本发明制造的复合材料构件的剪切力。在该模型中，认为复合材料结构构件的抗剪强度包括三个独立分量一个混凝土分量Vc，其值取决于混凝土的延展性；一个轴向载荷分量Vp，其值取决于结构构件的纵横比(长度与直径之比)；以及一个桁架分量Vj，在这种情况下，其值取决于外壳加强的有效强度。平衡条件如下所示Vn=Vc+Vp+Vj(2)如图5所示，相对于复合材料构件的整体抗剪强度，外壳的分量Vj取决于相对于轴“z”的假想的45度剪切面(即破裂图)。对于呈缠绕角±θj的多个纤维朝向，桁架分量Vj可如下表示
式中n=缠绕角数量；D=横截面直径；ti=缠绕角±θi下的外壳壁厚φ=材料强度降低因子；和fα=呈定向角α的加强纤维的极限抗拉强度。
而且，具有一个缠绕角θ≈0度(实际下端≈±10度)的纵向纤维提供最大抗剪强度。
侧限设计正如上述弯曲和剪切设计方法，根据本发明制造的复合材料构件的侧限量取决于计算在最大载荷条件下保持平衡所需的外壳壁厚。在这种情况下，侧限要求的变化取决于复合材料构件的设计，特别是无论它是否包括一个塑性铰接区或者搭接钢筋，在该塑性铰接区构件与一个塑性铰链或搭接钢筋连接。在塑性铰接区，侧限或者夹紧量取决于直接向外拔拉纤维加强外壳123时绕搭接钢筋125(图3A)的外周边出现的接合破坏机构。
在该区域，设计方法基于有关传统搭接接头的侧限的已接受原理。参见Priestley等于圣地亚哥La Jolla,Cal.92093的加利福尼亚大学应用力学及工程科学系1992年8月研究报告SSRP-92/01“地震作用下桥梁的维修和评估更新的设计准则”(“Design Guildlinesfor Assessment Retrofit and Repair of Bridges for SeismicPerformance”)，该文章′引作参考。根据这些原则和实验研究，在端部或塑性铰接区直径为D的复合材料柱构件的名义所需膨胀应变可如下计算εcu=0.004+2.5ρfujεuj/f′cc(4)式中ρ=体积侧限比=4t/D；fuj,εuj=分别是考虑了纤维朝向的外壳的极限允许膨胀应力和应变；f′cc=根据Mander的侧限混凝土的应力应变模型的混凝土芯的抗压强度；f′cc=f′c[-1.254+2.2541+7.94f1/f′C-2f1/f′C----(5)]]>式中f1=理想的侧限压力；和f′c=未受侧限的混凝土的名义抗压强度。
由于在垂直于构件轴的一个截面内的力的平衡，从而推导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)呈缠绕角θ=90度朝向的纤维(“环向纤维”)提供最大侧限强度。因此，一个方便的设计方法是首先确定所需的纵向纤维(θ≈±10度)的层数以便提供规定的弯曲强度和抗剪强度，然后使用上述方程以确定所需的环向纤维的附加层数以便提供足够的侧限强度。或者，上述方程可同时解出所需的最小和/或最大均匀缠绕角±θi，以便提供给定的外壳横截面所需的弯曲、剪切和侧限量。
在塑性铰接区外侧，设计目的是简单的提供足够的侧限压力，以便符合传统的钢筋混凝土构件的特性。通过参数研究，可以确定在约0.001至0.008英寸且最好是约0.004英寸的膨胀应变εd下，约150至600磅每平方英寸(1至4兆帕)、且最好是约300磅每平方英寸(2兆帕)的一个侧限压力f1提供满足大多数用途所需的可接受的特性。根据这些优选范围，对应于本发明制造的复合材料构件中跨区域内所需缠绕角±θi的最小外壳壁厚度”ti”可如下计算t≥125Df1/Eθ=37.5D/Eθ(7)式中D=外壳的内直径；f1=理想的侧限压力；和Eθ=对应于缠绕角±θI的膨胀外壳的有效弹性模量。
有利的，本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明的教导上述设计步骤、公式和准则可用来确定多丝层的有效缠绕角和外壳厚度，以便提供理想的外壳强度和柔顺特性。
实施例下列例子可用来说明根据本发明制造的纤维加强复合材料结构构件的若干结构。这些例子仅用来解释目的而不会限定这里所公开和描述的本发明。
实施例1(“CS1”)第一纤维加强复合材料结构构件(“CS1”)在犹它州盐湖城大力神航空航天公司(Hercules Aerospace Company in Salt Lade City,Utah)2号工厂的丝缠绕设备上制造。它使用了用来制造管，容器，壳体和其它成型结构的传统的丝缠绕方法。以预定的缠绕方式通过将多束纤维加强丝在一个旋转卷筒上缠绕和自动分层，从而形成外壳。
卷筒是由一个钢框架形成的一个传统“分离”(“breakdown”)型，框上缠置有分段的baisa木料。一种无指示剂碳布织物AW370-5H用来形成外壳的最内层表面以避免使与卷筒交接的结构丝层表面损伤。然后外壳上缠绕有预浸在一种大力神HBRF-55A环氧树脂系统中的AS4D-GP(12K)碳纤维。成束的高强度丝缠绕在处于张力下的卷筒上，提供了均匀的多排或多层的基本上无孔的纤维复合材料。根据需要涂敷隔离层以获得基本上均匀的材料紧密性。根据传统的实践确定缠绕和涂敷顺序以获得规定的厚度，从而确保对分层材料进行足够的质量控制并提供一种均匀的相对无空隙的结构。
通过在卷筒上形成螺旋槽可以在塑性铰接区内的外壳的内部分上形成螺旋肋。该肋的幅度为0.045英寸(1.2毫米)，对应的肋间距为0.5英寸(13毫米)且从外壳的每一端向内伸展40英寸(1米)。
CS1外壳在现场(UCSD实验场)安装并如图3A所示及如上所述充填混凝土。下面表1概括出根据实施例1制造并在图3A中表示的纤维加强复合材料结构构件的不同参数。
表1
参数 过渡区 中跨区 加强材料 粘合剂内层 0.025″ 0.025″AW370-5H 大力神(0.6mm) (0.6mm) 无指示剂碳布织物HBRF-55A树脂±10度纤维0.140″ 0.140″ AS4D-GP(12K) 大力神(3.5mm) (3.5mm)碳纤维 HBRF-55A树脂90度纤维 0.235″ 0.041″ AS4D-GP(12K) 大力神(6.0mm) (1.0mm)碳纤维 HBRF-55A树脂整个外壳厚度 0.400″ 0.200″ 不适用(N/A) 不适用(10mm) (5mm)直径 24″(610mm) 24″(610mm) 不适用 不适用高度 144″(3.7m) 144″(3.7m) 不适用 不适用主钢筋保护层 1″(25.4mm)不适用不适用 不适用搭接钢筋 20#7不适用G60钢不适用混凝土芯 标准 标准 不适用 不适用实施例2(“CS2”)实施例2的纤维加强复合材料结构构件也是在大力神航空航天公司的2号工厂的丝缠绕设备上利用与上述实施例1相同的工艺和材料制成。然而，在这种情况下，通过设计量值要求可以确定，沿外壳长度形成均匀厚度的外壳且该外壳主要由±10度纤维组成。如图3B所示，这是因为根据实施例2制造的结构构件设计成直接伸进基础内。而且，肋没有设在实施例2的外壳的内表面上，因为在这种情况下没有使用搭接钢筋来将复合材料结构构件固定到基础上。
CS2外壳在现场(UCSD实验场)安装并如图3B所示及如上所述充填混凝土。下面表2概括出根据实施例2制造并在图3B中表示的纤维加强复合材料结构构件的不同参数。
表2
参数 过渡区 中跨区加强材料 粘合剂内层 0.084″ 0.084″ AW370-5H 大力神(2.1mm) (2.1mm)无指示剂碳布织物 HBRF-55A树脂±10度纤维 0.356″ 0.356″AS4D-GP(12K) 大力神(9.0mm) (9.0mm)碳纤维 HBRF-55A树脂90度纤维0.020″ 0.020″AS4D-GP(12K) 大力神(0.5mm) (0.5mm)碳纤维 HBRF-55A树脂整个外壳厚度 0.460″ 0.460″ 不适用不适用(12mm) (12mm)直径 24″(610mm) 24″(610mm) 不适用不适用高度 144″(3.7m) 144″(3.7m) 不适用不适用主钢筋保护层 不适用 不适用不适用不适用搭接钢筋 不适用 不适用不适用不适用混凝土芯标准 标准 不适用不适用图6A-6D分别表示根据实施例1和2制造并根据图3A和3B安装的复合材料构件与一个传统的钢筋加强柱(“竣工”)相比较的延展反应特性曲线。每个实验柱支承在一个方形基础上，该方形基础的侧边为5.5英尺，对于例1及竣工柱为19英寸(483毫米)深、而对于例2为36英寸(914毫米)深。竣工柱包含20个#7G60连续纵向加强钢筋，对应于2.66％的纵向配筋率。主钢筋的净保护层约为1英寸(25.4毫米)。横向加强由间距为2.25英寸(57毫米)的#3G60钢螺旋提供。
每个实验柱承受一个对应于设计载荷的恒定的400千磅(1780KN)的轴向载荷和模拟一种单向地震冲击的环向侧载荷。通过先张拉到测试台的高强钢筋可使轴向载荷作用到每个柱上。通过一个完全可逆液压传动装置可将侧载荷施加到每个柱的顶部。每个柱在每次增量为12.5千磅(55.6KN)的不断增加的载荷变化下通过位移控制开始测试。
图6B表示根据例1制造的柱的力位移曲线。直至破坏前该柱显示出一种稳定的滞后的载荷位移特性。就在破坏开始之前达到了对应于(8.6％的Δ1/1)偏移比的12.4英寸(315毫米)的最大顶位移。
图6C表示根据例2制造的柱的力位移曲线。在这种情况下，如图所示，直至施加约为37.4千磅(166KN)的载荷且顶位移为0.53英寸(13毫米)，柱的性质基本上是线弹性。最大载荷反应达到115千磅(512KN)，且顶位移为3.05英寸(77.5毫米)。注意到有略呈非线性的特性，相信这是由于受纤维加强复合材料外壳相对基础块的滑动和所引起的混凝土芯的脱离的影响。
图6D概括了每个实验柱的力位移包迹线。如图所示，发现根据例1制造的实验柱具有几乎与传统的竣工柱相同的力位移曲线。根据例2制造的实验柱具有有些陡的特性曲线，如图所示，显示了复合材料构件增加的刚性和减少的延展性。
下面，表3概括了上述根据例1和2制造和测试的纤维加强复合材料结构构件的平均机械特性表3特性 实施例1实施例2纤维体积比 61.9％ 53.4％树脂体积比 34.4％ 42.2％空隙体积比 3.7％ 4.4％轴向拉伸模量14580千磅(100.5gpa)15030千磅(103.6gpa)轴向抗拉强度86.00千磅(592.9Mpa)86.58千磅(596.9Mpa)轴向压缩模量14580千磅(100.5gpa)13410千磅(92.46gpa)轴向抗压强度53.84千磅(371.2Mpa)70.19千磅(483.9Mpa)安装/连接器可使用不同的方法和连接装置来安装本发明的纤维加强复合材料结构构件，以便形成一个支撑框架或空间桁架结构。然而，最好使用若干改进的连接器的其中之一，该连接器特别适用于提供一种具有任选的理想强度和/或侧限特性的高度整体结构。图7-14表示了若干这种改进的连接器和连接技术的例子，下面将对此作详细的描述。
图7-13表示将一个充填有混凝土的纤维加强复合材料构件呈轴向关系连接到另一个构件之上的不同的拼接连接器。例如，这种连接器可用来将多个纤维加强复合材料构件连接在一起以产生一个所需的桁架跨越构件或其它结构支撑构件。图7A和7B表示使用一个内部联轴器201来连接两个相邻的纤维加强外壳203,205。联轴器201最好由一种纤维加强复合材料制成，该纤维加强复合材料具有与待连接的外壳类似的强度和侧限。
联轴器201具有一个外径D，从而可使其牢固固定在每个外壳203,205的端部内侧。通过使用适当粘合剂例如环氧树脂可将联轴器201固定到每个外壳203,205上。或者，可使用机械紧固件或利用其它方便的装置。联轴器201长度为Lc，这样联轴器伸进每个相邻的外壳内(1/2)Lc的距离。该距离经选择可在每个外壳和联轴器201之间提供足够的接合区域，这样在最大设计载荷作用下不会拔出联轴器。根据所选择的可使外壳粘接到联轴器上的具体粘合剂，长度L在约0.5D至2D之间且最好约为D的一个联轴器201应可以满足大多数用途。
一旦外壳203,205固定到联轴器201上，合成的结构内可充填混凝土以便形成理想的复合材料结构。需要时可提供可选择的浆孔(未示出)以便需要时允许将混凝土泵送进外壳203,205内。通过切割、钻孔或机加工操作可现场形成浆孔，或者以小孔或“敲出”(“knockout”)的形式来提供浆孔，在灌浆后该小孔或“敲出”在现场被有选择的阻断并用薄片覆盖回原位。
在另一个可选实施例中，可以预见联轴器201可整体形成在任一外壳203或205的一端上。以这种方式可提供一种预制外壳，通过将一个外壳的一凸端插入到另一个外壳的凹端内，该预制外壳可简单的相互连接，以便形成连续的复合材料构件。
图8表示用来连接直径为D的相邻外壳213,215的另一拼接连接器和方法。在这种方法中，长度为L的许多连接钢筋211设在待连接的两个外壳之间，这样如图所示他们伸进每个外壳213,215内(1/2)L的距离。长度L=D至4D、最好约为2D的一个适当的连接钢筋应产生满足大多数的用途。连接钢筋211可包括任意数量的许多本领域人员所公知的传统低碳钢或纤维复合材料钢筋。例如，可使用#7 G60钢筋。或者，根据接头的强度和侧限要求，连接钢筋可根据需要包括预应力钢或硬化钢或纤维复合材料。
为连接复合材料柱构件，连接钢筋211可首先在下外壳构件内浇注就位。一旦混凝土在下外壳内充分凝固，接着第二外壳可在连接钢筋211的伸出端上固定就位，该合成结构内充填混凝土至理想的水平面。为了连接复合材料梁和倾斜构件，必须使用粘合剂，隔离件或其它适当的装置来将连接钢筋固定就位。
最好外壳213,215在其内表面219的至少一部分上设有肋，以便确保在塑性铰接区可适当地与混凝土包围的连接钢筋机械接合。对后张方式，为了在灌注过程中密封混凝土芯207并在相邻的外壳之间提供一个侧限压缩交界面以防止在弯曲过程中外壳破裂，在相邻的外壳213,215之间的交界面上可设有一个可选的密封或膨胀接缝(未示出)。
图9A和9B表示用来连接相邻的外壳223,225的一个拼接连接器的另一个可选实施例。在该方法中，如图所示，外壳223,225沿轴向对齐并相互对接。一根后张钢筋或钢丝索221轴向穿过两个外壳223,225布置并通过适当的张力调节锚(未示出)来固定。后张钢筋221可包括任选由钢或其它适当的材料制成的一个或多个钢筋腱。一个可选外套例如波纹管套或PVC管可任意绕张拉钢筋221设置，以便防止其与混凝土芯227初始接合。一旦后张钢筋就位，外壳223,225将填充有混凝土芯227并使组合体固化。接着张拉钢筋以预定力张紧或调节以迫使复合材料构件结合在一起。
而且，为了密封以防湿混凝土渗漏，而且为了提供一个膨胀接缝或承压接缝以便在正常挠曲和弯曲过程中限制纤维加强复合材料外壳的碎裂，因而在外壳223,225的对接面之间提供了一个可选的密封或膨胀接缝(未示出)。
图10A和10B表示结合了图7-9所示连接器和连接技术的不同特征和优点的一种拼接连接器和方法。
图11A和11B表示用来连接直径为D的相邻纤维加强复合材料外壳243,245的一种螺纹拼接连接器。联轴器201最好由加强复合材料制成，该加强复合材料具有与待连接的相邻外壳的强度和柔量类似的强度和柔量。每个相邻的外壳243,245的端部形成具有内螺纹，该内螺纹对应于在螺纹联轴器241上形成的外“螺旋起重器”螺纹。这些螺纹可以以与前述肋类似的方式形成，或根据例如美国专利5233737所公开的其它公知的纤维复合材料制造技术形成。
考虑到螺纹的抗剪强度，螺纹联轴器241的长度Lc最好足以防止外壳/联轴器在设计载荷作用下拔出。约0.5D至2D且最好约为D的长度Lc应产生满足大多数的目的。或者，螺纹联轴器241可任选接合到外壳243,245上以提供更牢固的连接。
对于后张法，为了防止在挠曲或弯曲期间外壳破裂，在纤维加强外壳243,245的对接面之间可提供一个可选的承压接缝或膨胀接缝(未示出)。或者，在外壳243,245的相对表面之间可提供一个缝隙242,以允许在制造和安装期间进行长度调节。一旦外壳布置就位，螺纹联轴器242象一个螺旋起重器一样旋转以便将外壳拉到一起。然后这种合成结构填充有混凝土247以形成合成复合材料梁或柱。
或者，可以预见螺纹联轴器241可与外壳243,245的任意其中之一形成整体，这样每个外壳的一端具有一个凸螺纹端，而相匹配的外壳的一个相对端具有一个对应的凹螺纹端。在外壳制造工艺中这可通过自己或由工厂将一个独立的螺纹联轴器接合到预制外壳的端部上来完成。以这种方式，简单的通过将一个外壳的一个凸端螺纹旋进另一个相邻外壳的凹端，可将预制外壳安装在一起以形成一个结构。这具有用于通常使用目的的按标准尺寸制造的预制外壳的特殊优点。
图12A和12B表示图8A和8B所示的特别适合用于水平或倾斜复合材料梁结构构件的拼接连接器的一个可能的变型。在该方法中，隔离环252a、b用来以周向隔离开的外形支撑连接钢筋251，并且外壳内充填混凝土。另外，可设置通道或浆孔254以调节连接钢筋并使混凝土泵送进水平或倾斜外壳253、255内，同时确保在连接钢筋251所述区域内的充分填充。
如图12B所示，隔离环252a、b最好是由一种适当的材料制成的环且其外直径大约等于外壳253、255的对应内直径D。沿其中心周边设有许多隔离孔以容插并支承连接钢筋251。
在安装过程中，一个隔离件252a可插进对应外壳253的端部内一定深度，该深度足以容纳和支承连接钢筋251。然后连接钢筋插进隔离件252a内对应的孔中以便以环向隔离开的方式支承。接着一个第二隔离环252b放到连接钢筋251的另一端上，以便形成一个筒状笼。然后如图所示，外壳255装到隔离环252b和连接钢筋251的端部上并就地支承。接着，所连接的外壳内填充混凝土257以形成任选的复合材料梁。
或者，混凝土可任选仅泵送入塑性铰接区以确保复合材料梁的充分连接。例如理想的是使一个或两个外壳253,255在整个中跨区是空的，这样仅通过纤维加强外壳的固有强度来提供梁支承。这是理想的，例如在梁不需要支承显著的弯曲或压缩载荷或者在梁仅需支承拉伸载荷的情况下。这个特征对于节省混凝土材料成本和在地震区制造轻质框架方面都是特别有利的，其中在地震区希望使合成结构的地震扰动量减到最小。为此目的，可分别将一个插塞或圆盖(未示出)插入到浆通孔254a,254b的左侧和右侧，以便如果想使结构构件中空，则需阻止混凝土渗透进入外壳253、255的中跨区。
图13A和13B表示另一个半延展拼接连接器的可选实施例，该半延展拼接连接器通过一个滑动铰接联轴器261来连接相邻的直径为D的外壳263、265。铰接联轴器261最好由一种强度和侧限特性与待连接外壳类似的纤维加强复合材料材料制成。铰接联轴器261的直径略大于外壳263,265的直径，这样它可在每个外壳的端部上滑动。铰接联轴器261的长度Lc足以适当地叠置在外壳上以达到所需的接合并且在相邻的外壳之间形成任意缝隙266。铰接联轴器261的长度Lc在约D至4D之间，最好约为2D，根据缝隙266的尺寸和所选择的将外壳粘接到联轴器上的具体粘合剂，该铰接联轴器应产生满足大多数的用途。
在安装过程中，滑动铰接联轴器261插入到外壳263或265的其中之一的端部上，相对的外壳265如图布置。由于制造公差，缝隙266常位于相邻的外壳之间。外壳轴向布置在一条直线上时，如图所示，铰接联轴器261跨接缝隙266在外壳263,265上滑动。接着外壳内填充进混凝土以形成复合材料结构。为了增加强度，可选的加强钢筋262根据需要使用上述方法的任意其中之一固定就位。
图14A-14D表示用来在一个或多个复合材料结构构件之间提供横向或倾斜连接的具有本发明特征的一个交叉形连接器。图中表示了一个平面交叉形连接器301，本领域的技术人员可以理解，根据本发明的教导，可利用大量的其它平面或空间连接器形状和尺寸，例如隅角，倾角，“L”形，“T”形等。最好这些连接器可预制成按标准尺寸制造的元件，该元件可根据按标准尺寸制造的复合材料结构目录来储存并定购。
图示的交叉形连接器包括一个用作一个纤维加强外壳和沿“z”轴轴向伸展的竖直取向的连接器主体303。考虑到在设计量值下的粘接强度要求，连接器主体303的长度可自由变化。对于预制的连接器，例如，希望提供一种较短长度的连接器主体以减少尺寸和重量，这样可制造、储藏和廉价运输标准的连接器。最好，这种预制连接器的尺寸和形状足以由一个建筑工人在现场单独装运。另一方面，对现场制造来说，连接器主体303的长度变得不太重要，因为连接器主体303最可能包括相邻的复合材料柱构件的中跨区。
连接器伸出部分305a、b从竖直主体303以所需角度横向伸展，以提供一个用来连接相邻外壳307,309的适当的结构，这里对此加以描述。每个连接器伸出部分305a、b的一端切割形成一个适合与连接器主体303的外柱状表面配合的横向柱状表面，并且最好使用一种适当的粘合剂和/或纤维叠层就地粘接。最好，每个连接器伸出部分305a、b的内表面上形成有肋，以便在所述的混凝土芯314和连接器主体303之间提供良好的机械接合。
如图所示，连接钢筋309和滑动铰接外套311a,311b在相邻的梁构件之间提供一种塑性铰接。铰接外套311a,b最好由一种适当的纤维复合材料制成，该纤维复合材料主要包括足以在混凝土芯314上保持足够的侧限压力的环形纤维。外套311a,b的直径最好等于或略大于相应外壳307和连接器伸出部分305a和305b的直径，以便外套可以在端部上滑动。
在安装时，连接器301现场布置或制造，横向穿过连接器主体303以形成容插连接钢筋309的孔，该连接钢筋穿过连接器主体303并移至图14A所示的一侧。在其端部上放置有一个滑动铰接外套311a的一个相邻外壳307被引导至靠近其配合的连接器伸出部分305a的位置。然后，钢筋移动到连接器主体303的另一侧，这样钢筋伸进外壳307内，如图所示，第二外壳309移动就位且具有一个放置在其端部上的相应滑动铰接外套311b。接下来，如图14C和14D所示，连接钢筋309居中且外壳307和309与连接器伸出部分305a、b配合。然后，铰接外套311a和311b滑动就位并在每个连接器伸出部分305a、b和相应外壳307和309之间的交界面上居中。最后，混凝土芯314被灌注或泵送进入每个外壳307、309内并固化以形成图14D所示的复合材料结构。
如上所述，铰接外套311a,b最好主要由环形纤维形成。本领域的普通技术人员可以理解外套311a、b的主要目的是跨接在相邻配合结构构件之间的任意缝隙上，并在外壳的塑性铰接区和连接器伸出部分内提供增加的环向强度和侧限，从而允许较大的塑性变形量。而且，不象图7A,10A,11A和13A所示的拼接联轴器，铰接外套311a、b最好不提供显著的抵抗弯曲应力的阻力，因为这可以限制塑性铰接连接器301的所需的延展反应。
或者，最好在两个或多个相邻的复合材料结构构件之间提供完全弹性的或非延展的连接器。简单地通过改变连接器301以利用一个或多个图7A,10A,11A或13A所示的拼接连接器就可很容易地实现。
空间框架系统图15A和15B表示使用在此所公开和描述的复合材料结构构件和连接器的本发明两种可能的结构建筑技术的示意图。由于所示结构为平面，本领域普通技术人员很容易理解该图表示三维空间结构。
图15A表示包括通过梁塑性铰接件连接在一起的许多复合材料结构构件的一个空间框架401。框架401包括许多竖直复合材料柱403,该垂直复合材料柱例如如图3A所示通过一个适当的基础连接器402连接到对应的基础405上。复合材料柱403可形成为充填有混凝土的连续纤维加强外壳，或者它通过利用图7-14所示的各种拼接连接器将许多外壳连接来安装。例如参见图14A-14D所示，许多梁407利用梁塑性铰接连接器409固定在相邻的柱403之间。假定单个的复合材料柱和梁构件是完全弹性或刚性的，这样仅通过铰接连接器405、409、411提供变形反应。
空间框架401的坍塌方式是柱403完全旋转坍塌，基础连接器402、顶部连接器411和梁塑性铰接连接器409提供倾斜延展变形。图15A所示的框架建筑技术最好用于地震区，因为塑性铰接连接器提供了整个能量吸收和延展变形量。
图15B表示具有柱塑性铰接件509的一个空间框架构造501。在这种情况下，包括复合材料柱506和复合材料梁507的一个刚性框架结构508由许多铰接支承塔503支承，该铰接支承塔503通过一个柱塑性铰接件509连接到刚性框架508上。柱503利用例如图3A所示的一种适当的铰接基础连接器连接到基础505上。结构501的坍塌方式是柔性层坍塌方式。因此空间框架结构表示一种较低的能量吸收结构，该结构具有一个隔离的高强度上部508和包括铰接塔503的一个受限制延展部，该铰接塔503通过柱塑性铰接连接器509与该上部508连接。在需要最大名义强度的无地震区或在希望使框架508的刚性部分与基本地震变形隔离的地震区，利用复合材料结构构件的建筑技术是最理想的。
桁架桥图16A-16C表示一个复合材料空间框架结构的一个可能的实施例，该框架结构采取包括本发明复合材料结构构件的一个桁架桥601的形式。图16A是桁架桥601的侧立视图，它包括支承预浇注的预应力混凝土板606的一个三维空间桁架系统。桁架桥601包括许多互连的纤维加强外壳，该加强外壳形成道路605下方的一个隐藏式空间桁架604。桥601的全跨度约200英尺且桥在任一端上由一对桥台615a、b支承。在任一侧靠近道路表面605设有一个供行人通过的人行道607。
空间桁架604由一根单独的底弦杆件609和两根顶弦杆件611a、b和互连的桁架杆件613组成。下弦杆件609和两根顶弦杆件611b、611a由例如如图7A和7B所示的通过拼接连接器连接在一起的纤维加强复合材料外壳制成。或者根据桥结构601的具体要求，可使用如图7-13所示的拼接连接器或连接技术的任意其一或其结合来提供所需的适当的延展或弹性反应。
下弦杆件609是直径为3英尺的填充有混凝土的纤维复合材料构件，该复合材料构件经后张以便限制在纤维加强复合材料外壳内的抗拉应力。在桥台615a、b内连续进行一些后张，以便限制桥的竖直变形。根据成本、可能性和锚固技术，后张系统可以是钢或纤维加强钢丝索/钢筋。
两根上弦杆件611a、b的直径是1.5英尺且是填充有混凝土的纤维复合材料构件。通过两根上弦杆件611a、b和一个预应力预浇注的混凝土桥面板606分散压力。桁架连接结构构件613也是1.5英尺直径的填充有混凝土的纤维加强复合材料外壳，该纤维加强复合材料外壳通过适当的连接装置连接在上和下弦杆件611,609之间。道路表面605和人行道607均由如图16C所示的具有中间厚度为约9英寸的预浇注预应力的混凝土板组成。设置路缘石621和人行道栏杆623以防止伤害通过桥601的乘客和行人。
拱桥图17A-17C表示一个复合材料空间框架结构的另一个可能实施例，它采取了包括本发明复合材料结构构件的一个拱桥701的形式。桥701包括一对拱架703a、b，利用钢丝索/钢筋707从该拱架悬垂下许多横梁705。如图所示，每个拱架703a、b由许多3英尺直径的充填有混凝土的纤维加强外壳制成，该纤维加强外壳连接在一起的拱架间距为12.5英尺，且通过后张在桥结构701的每一侧形成一个支承拱。桥701的总跨度为约200英尺且在每一端由一对桥台709a、b支承。桥宽64英尺，且路面宽40英尺足可支承四车道。如图17C所示，在路面711的每一侧还设有由拱架703a、b分隔的人行道719a、b。
每个拱架703a、b的顶点高出路面711约25英尺的距离。如图所示，两个较低的主梁704a、b也连接在一起并经过后张以提供横梁705的支承框架。在梁705的每一端最好具有横向切口，以便以与小木屋中的带槽口圆木类似的方式与主梁704a,b匹配配合。通过上述任意连接方法或通过机械紧固件或粘合剂它们可固定在一起。通过许多空心顶板721使路面和人行道形成一个整体，顶板可沿桥结构横向布置以形成图示的路面711。为增加安全设置栏杆723a、b。
本文的不同实施例公开和描述了本发明。本领域的普通技术人员可以很容易的理解本发明可超出公开的特定实施例而扩展至另外的可选实施例。这些可包括但不限于以下应用，例如轻质长跨顶结构，工业支承结构，化学工业中的管架，索桥等等。因此，希望在此公开的本发明的范围应不仅限于所公开范围，而应由下面的权利要求书所限定。
权利要求
1．一种复合材料结构构件，它包括一个外侧管形外壳，该管形外壳包括在一个硬化的聚合物母体内的加强纤维，该复合材料结构构件还包括一个设置在所述外壳内的内部混凝土芯，通过将未固化状态的所述混凝土浇注或泵送到所述外壳内并使所述混凝土在所述外壳内硬化，从而混凝土芯可在该外壳内成型。
2．如权利要求1所述的复合材料构件，其特征在于所述加强纤维包括碳纤维。
3．如权利要求1所述的复合材料构件，其特征在于所述聚合物母体包括一种固化到预定硬度的环氧树脂粘合剂。
4．如权利要求1所述的复合材料构件，其特征在于所述外壳由第一组加强纤维和第二组加强纤维制成，该第一组加强纤维相对于所述外壳的纵轴成第一角度定向且具有合成的第一预定厚度，该第二组加强纤维相对于所述外壳的所述纵轴成第二角度定向且具有合成的第二预定厚度。
5．如权利要求4所述的复合材料构件，其特征在于所述第一组加强纤维相对于所述纵轴在约±10度之间定向，且所述第二组加强纤维相对于所述纵轴以约90度定向。
6．如权利要求5所述的复合材料构件，其特征在于所述第一预定厚度在与约0.1至0.5英寸之间。
7．如权利要求5所述的复合材料构件，其特征在于所述第二预定厚度在与约0.005至0.1英寸之间。
8．如权利要求5所述的复合材料构件，其特征在于所述外壳由绕一个旋转卷筒的所述加强纤维的缠绕丝制成。
9．如权利要求1所述的复合材料构件，其特征在于所述外壳还包括许多肋，该肋在外壳的内表面上形成并适合与所述混凝土芯接合以便阻止其相对的轴向移动。
10．如权利要求9所述的复合材料构件，其特征在于所述肋在所述外壳的至少一端上形成，从而限定了用来与基础或其它结构构件连接的一个塑性铰接区，所述肋隔离开并向内伸展一定距离，该距离足以基本上防止所述混凝土芯在一预定的最大设计载荷作用下拔出。
11．如权利要求1所述的复合材料构件，其特征在于所述混凝土芯包括一种抗收缩剂或膨胀剂。
12．许多如权利要求1所述的复合材料构件结合在一起形成了一种按标准尺寸制造的空间框架结构。
13．一种纤维加强外壳，它用来容纳在固化时处于未固化状态的混凝土并在固化后在现场加强所述混凝土，所述外壳包括加强纤维的聚合物浸渍丝，该加强纤维在基本平行于所述外壳纵轴的方向上定向且所述外壳具有合成的第一预定壁厚。
14．如权利要求13所述的外壳与一个混凝土芯结合形成一个复合材料结构构件。
15．如权利要求13所述的外壳，其特征在于所述纤维包括碳纤维。
16．如权利要求13所述的外壳，其特征在于所述加强纤维用一种环氧树脂粘合剂浸渍。
17．如权利要求13所述的外壳，其特征在于还包括许多肋，该肋在所述外壳的内表面上形成，以便与所述浇注混凝土接合而阻止其相对轴向移动。
18．如权利要求13所述的外壳，其特征在于还包括加强纤维的聚合物浸渍丝，该加强纤维在基本上垂直于所述外壳纵轴的方向上定向，且外壳具有合成的第二预定壁厚。
19．一种制造复合材料混凝土结构的方法，其步骤包括形成一种具有一个内部腔室的纤维加强复合材料外壳，用混凝土填充所述内部腔室的至少一部分，并使所述混凝土在所述外壳内固化。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于纤维加强复合材料外壳是预制的，这样它可输送到工作现场，然后在所述工作现场用混凝土填充。
全文摘要
一种填充有混凝土的纤维加强的结构构件(100),它包括封闭在轻质纤维加强的复合材料外壳(103)内的一个混凝土芯(105),该复合材料外壳通过由缠绕聚合物所浸渍的高强度丝(107,109)形成。纤维设置成最佳强度并可调整成特定要求。外壳结构(103)是可靠的、不起化学作用的,且适合许多土木工程应用。许多复合材料结构构件(100)可用不同的连接器(301,402,409,411)连接以便形成复杂的空间框架结构(601,701),例如工业支撑结构、桥、建筑物等。
文档编号E04C3/20GK1231712SQ97193293
公开日1999年10月13日 申请日期1997年2月5日 优先权日1996年2月5日
发明者F·塞布勒, G·A·赫格米尔 申请人:圣地亚哥加州大学评议会