專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗屈曲加固金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種施工快捷、工藝簡(jiǎn)單、用材輕質(zhì)、效果顯著的抗屈曲加固金屬結(jié)構(gòu)的 方法，屬于土木工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
屈曲失穩(wěn)破壞是結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的一種主要形式，在鋼結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)。屈曲破壞通常 出現(xiàn)較突然，會(huì)造成較嚴(yán)重的損失。在世界各國(guó)的工程史上，因壓桿失穩(wěn)破壞而造成的事 故屢見(jiàn)不鮮，例如1907年加拿大魁北克大橋的倒塌，1978年美國(guó)哈特福特城體育館網(wǎng)架 結(jié)構(gòu)的垮塌，以及2008年初我國(guó)南方冰雪災(zāi)害中輸電鋼塔的大量倒塌。近年來(lái)，我國(guó)鋼結(jié) 構(gòu)的發(fā)展很快，由于經(jīng)驗(yàn)不足或過(guò)高追求經(jīng)濟(jì)性，出現(xiàn)了許多穩(wěn)定承載力安全儲(chǔ)備較低的 結(jié)構(gòu)，甚至有一些發(fā)生了失穩(wěn)破壞；還有一些結(jié)構(gòu)因使用荷載提高、腐蝕破壞、施工失誤 等原因也造成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力不足。隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模的逐年增大，對(duì)這類(lèi)鋼結(jié) 構(gòu)進(jìn)行加固的需求將越來(lái)越強(qiáng)烈。去年南方冰雪災(zāi)害后，國(guó)內(nèi)大量的輸電鋼塔亟待進(jìn)行加 固，但多數(shù)鋼塔在野外，交通不便，缺少適合的加固方法，因此迫切需要施工簡(jiǎn)單、用材 輕便、效果顯著的加固技術(shù)。
目前，實(shí)際工程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的主要方法有構(gòu)件替換、減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)體 系、加大構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力拉索等，這些方法都有其適用條件和范圍，有些很 難滿足施工和使用的要求，如不能拆卸、不能明火等；有些會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的問(wèn)題，如局 部損傷、殘余應(yīng)力等。
FRP是由玻璃纖維或碳纖維等高性能纖維與樹(shù)脂基體混合經(jīng)過(guò)一定的加工工藝復(fù)合而 成的非金屬材料。它具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工成型方便、耐腐蝕等顯著優(yōu)點(diǎn)。近十年，F(xiàn)RP 在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補(bǔ)充， 合理地將FRP應(yīng)用于各類(lèi)結(jié)構(gòu)物中已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的一個(gè)重要方向。本發(fā)明提出一種 采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,即FRP)進(jìn)行構(gòu)件抗屈曲加固的新技術(shù)，即采用工廠生產(chǎn)的FRP管拉擠型材與縱向纖維布組成套管通長(zhǎng)套住鋼構(gòu)件，再外纏環(huán)向纖維 布進(jìn)行環(huán)向約束，F(xiàn)RP套管與鋼構(gòu)件間填入微膨脹泡沫砂漿、輕質(zhì)混凝土、竹篾、木材或泡 沫等輕質(zhì)填充材料，從而提高構(gòu)件的剛度和承載力，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱、輸電鋼塔桿、桁架 桿、網(wǎng)架桿、支撐等構(gòu)件的加固。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種施工簡(jiǎn)單、用材輕便、效果顯著的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 抗屈曲加固方法。
本發(fā)明的特征之一在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全水平要求提高時(shí)， 通過(guò)抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下
步驟(l.i).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在內(nèi)的其中任何一種固體輕質(zhì)材料作為填充 料包覆在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件周?chē)纬梢粋€(gè)實(shí)體；
步驟(1.2).用？1 >套管通長(zhǎng)地套在步驟(1.1)中的所述填充料的外表；
步驟(1.3).再用？處通長(zhǎng)地外纏繞在所述 1 >套管上增強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部的所述填充料和 被加固鋼構(gòu)件的約束。
本發(fā)明的特征之二在于，所述FRP套管是預(yù)先成形并扣套在所述被加固構(gòu)件上的。
本發(fā)明的特征之三在于，所述填充材料是預(yù)先用竹篾包裹成形的。
本發(fā)明的特征之四在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全水平提高時(shí)，通過(guò) 抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下
步驟(2.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在內(nèi)的其中任何一種固體輕質(zhì)材料作為填充 料包覆在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件周?chē)?，形成一個(gè)實(shí)體；
步驟(2.2).用纖維布通長(zhǎng)地包裹在步驟(1.1)中的所述填充料的外表，對(duì)內(nèi)部的填充料和 被加固鋼構(gòu)件的形成約束。
本發(fā)明的特征之五在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全水平提高時(shí)，通過(guò) 抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下-
步驟(3.1).采用工廠預(yù)制的FRP型材通長(zhǎng)地扣套在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件上，形 成一個(gè)實(shí)體；
步驟(3.2).再向步驟(3.1)中所述的被加固鋼構(gòu)件和FRP型材之間的縫隙里完全或局部地填入聚氨酯泡沫、膨脹砂漿在內(nèi)的任何一種固態(tài)輕質(zhì)材料。
步驟(3.3).再采用纖維布，通長(zhǎng)地纏繞在所述FRP型材外，以進(jìn)行加強(qiáng)。 本發(fā)明的特征之六在于，在所述步驟(3.1)之后，緊接著執(zhí)行步驟(3.3)所述的在所述FRP
型材外部纏繞所述的纖維布。
本發(fā)明的特征之七在于，所述被加固鋼構(gòu)件的截面為圖l所示各種截面形狀中任一種以
及其他形式。
此項(xiàng)加固技術(shù)與其他加固技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)-
(1) 施工方便快捷，無(wú)明火，可不用起重設(shè)備，無(wú)需支模，對(duì)生產(chǎn)使用影響小；
(2) 附加重量輕，對(duì)原結(jié)構(gòu)影響??；
(3) 加固后構(gòu)件的抗腐蝕性能大大提高；
(4) 加固方式靈活，可套管也可外包，適用于各種截面形式；
(5) 承載力提高顯著，破壞過(guò)程的延性得到改善；
(6) 可與其他的FRP加固鋼結(jié)構(gòu)，如抗疲勞加固、抗彎加固、抗剪加固以及節(jié)點(diǎn)加固等 結(jié)合進(jìn)行。


圖l各種截面形式的FRP抗屈曲加固鋼構(gòu)件。 圖2 FRP抗屈曲加固構(gòu)造示意圖
1. 被加固構(gòu)件本技術(shù)適合于不同截面類(lèi)型的構(gòu)件，截面類(lèi)型如圖l所示；
2. 填充物；
3. FRP型材或FRP外纏增強(qiáng)層；
4. FRP布局部增強(qiáng)，當(dāng)有必要時(shí)中部和端部都應(yīng)局部增強(qiáng)。 圖3套管加固的施工流程框圖。
具體實(shí)施例方式
承受軸壓和壓彎的金屬構(gòu)件通常都為屈曲承載力控制，即細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件在較低的荷載作用 下就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，沒(méi)有達(dá)到屈服就喪失了承載能力，材料強(qiáng)度沒(méi)有得到充分發(fā)揮。當(dāng) 結(jié)構(gòu)的使用荷載提高或安全水平要求提高時(shí)，可通過(guò)抗屈曲加固，提高構(gòu)件&失穩(wěn)承載力，從而實(shí)現(xiàn)加固目的。
本發(fā)明中，采用FRP與輕質(zhì)填充材料來(lái)實(shí)現(xiàn)抗屈曲加固，構(gòu)造有三種。
(1) 采用固態(tài)輕質(zhì)材料，如竹材、木材、聚氨酯泡沫等包覆在被加固構(gòu)件的周?chē)?，形?一個(gè)實(shí)體斷面，如圓形、橢圓形、方形等；再采用FRP型材套在填充材料的外表，再用FRP 布外纏增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部的填充材料和被加固構(gòu)件的約束。
(2) 采用固態(tài)輕質(zhì)材料，如竹材、木材、聚氨酯泡沫等包覆在被加固構(gòu)件的周?chē)纬?一個(gè)實(shí)體斷面，如圓形、橢圓形、方形等；再采用FRP布包覆在填充材料的外表，對(duì)內(nèi)部的 填充材料和被加固的構(gòu)件形成約束。
(3) 采用工廠預(yù)制的FRP型材套住鋼構(gòu)件，再向鋼構(gòu)件與FRP型材之間的縫隙里填入填 充材料，如發(fā)泡聚氨酯泡沫、膨脹砂漿等，也可以完全不填充，最后在FRP型材外部纏繞FRP 布進(jìn)行加強(qiáng)。
構(gòu)造l:"填充+FRP型材+纖維布外纏增強(qiáng)"。其中FRP型材也為預(yù)先成形，可扣套鋼 構(gòu)件；環(huán)向纖維通長(zhǎng)包裹在FRP型材外，約束內(nèi)部的填充部分和核心；填充部分也可以用竹 篾扎裹成形。這種構(gòu)造適合于現(xiàn)場(chǎng)的改造與加固，施工較容易。
構(gòu)造2:"填充+纖維布外纏增強(qiáng)"。首先用填充物扎裹成所需的截面形狀，沿軸向鋪
設(shè)纖維提供抗彎剛度，再用利用環(huán)向纖維包裹進(jìn)行約束。加固后構(gòu)件的外輪廓尺寸無(wú)顯著 增大，并且適用于各種形狀的截面，還可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)外約束的截面形狀。因此，這種 技術(shù)非常適合于現(xiàn)場(chǎng)的改造與加固。
構(gòu)造3: "FRP套管+填充+FRP布局部增強(qiáng)"。FRP套管為工廠預(yù)制成形，外包裹的纖維 布為主要防止局部應(yīng)力造成的破壞；填充物一方面使外管與內(nèi)核心共同抗彎，另一方面也 可增加構(gòu)件的抗彎剛度，也可以完全不填充，最后在FRP型材外部纏繞FRP布進(jìn)行加強(qiáng)。這 種構(gòu)造適合于現(xiàn)場(chǎng)可允許套管的加固工程。
外約束由FRP管、纏繞FRP、泡沫微膨脹砂漿或竹篾等多種材料構(gòu)成，具有抗彎能力、 抗扭能力以及端部的抗劈裂能力。通常構(gòu)件受荷后首先會(huì)出現(xiàn)少波的低階屈曲，加固后的 構(gòu)件由于外約束的存在抑制了低階屈曲模態(tài)的橫向變形發(fā)展，促使被加固構(gòu)件向?qū)?yīng)著更 高承載力的高階屈曲模態(tài)發(fā)展；更高階的屈曲模態(tài)意味著出現(xiàn)更多的半波數(shù)，使得外約束 對(duì)內(nèi)部構(gòu)件有更多的作用點(diǎn)以限制其屈曲變形；當(dāng)外圍約束單元具有足夠的環(huán)向剛度和強(qiáng) 度，并沿縱向具有一定的抗彎剛度，可使外荷載不斷增加，直到鋼構(gòu)件截面上各點(diǎn)的軸向
6應(yīng)力都達(dá)到屈服。
FRP的材料種類(lèi)有玻璃纖維、連續(xù)玄武巖纖維、碳纖維、混雜纖維、芳綸纖維等。在實(shí) 際應(yīng)用中，用于外約束的FRP材料將主要利用價(jià)格低廉的GFRP (玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材)，當(dāng) 受力要求很高時(shí)可采用少量性能優(yōu)越但價(jià)格較高的CFRP (碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)。同時(shí)， 對(duì)于有較高防火要求的結(jié)構(gòu)，填充材料應(yīng)采用泡沫微膨脹砂漿，可以大大提高核心鋼構(gòu)件 的耐火性能，而對(duì)于如輸電桿塔等室外結(jié)構(gòu)物則主要采用竹篾，可減少現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)，方 便施工。
這種加固方法與一般的加固方法不同，通過(guò)外加約束和合理的擴(kuò)大斷面提高了被加固 構(gòu)件的屈曲承載力。申請(qǐng)人已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性，對(duì)FRP抗屈曲加固的等邊角鋼進(jìn)行 了軸壓試驗(yàn)研究，結(jié)果表明對(duì)于常用長(zhǎng)細(xì)比的角鋼經(jīng)過(guò)加固抗壓承載力可提高71~186%。
權(quán)利要求
1.一種FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全水平要求提高時(shí)，通過(guò)抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下步驟(1.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在內(nèi)的其中任何一種固體輕質(zhì)材料作為填充料包覆在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件周?chē)?，形成一個(gè)實(shí)體；步驟(1.2).用FRP套管通長(zhǎng)地套在步驟(1.1)中的所述填充料的外表；步驟(1.3).再用FRP通長(zhǎng)地外纏繞在所述FRP套管上增強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部的所述填充料和被加固鋼構(gòu)件的約束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FRP抗屈曲加固的方法，其特征在于，所述FRP套管是預(yù)先 成形并扣套在所述被加固構(gòu)件上的。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FRP抗屈曲加固的方法，其特征在于，所述填充材料是預(yù)先 用竹篾包裹成形的。
4. 一種FRP抗屈曲加固的方法，其特征在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全 水平提高時(shí)，通過(guò)抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下步驟(2.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在內(nèi)的其中任何一種固體輕質(zhì)材料作為填充 料包覆在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件周?chē)?，形成一個(gè)實(shí)體；步驟(2. 2).用纖維布通長(zhǎng)地包裹在步驟(1. l)中的所述填充料的外表，對(duì)內(nèi)部的填充料和被加固鋼構(gòu)件的形成約束。
5. —種FRP抗屈曲加固的方法，其特征在于，該方法是一種在結(jié)構(gòu)使用荷載提高或安全 水平提高時(shí)，通過(guò)抗屈曲加固來(lái)提高構(gòu)件的失穩(wěn)承載力的方法，其步驟依次如下-步驟(3. l).采用工廠預(yù)制的FRP型材通長(zhǎng)地扣套在截面為任意形狀的被加固構(gòu)件上，形成 一個(gè)實(shí)體；步驟(3. 2).再向步驟(3. 1)中所述的被加固鋼構(gòu)件和FRP型材之間的縫隙里完全或局部地 填入聚氨酯泡沫、膨脹砂漿在內(nèi)的任何一種固態(tài)輕質(zhì)材料。步驟(3.3).再采用纖維布，通長(zhǎng)地纏繞在所述FRP型材外，以進(jìn)行加強(qiáng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種FRP抗屈曲加固的方法，其特征在于，在所述步驟(3.1)之 后，緊接著執(zhí)行步驟(3. 3)所述的在所述FRP型材外部纏繞所述的纖維布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l、或4、或5所述的任何一種FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，所述被 加固鋼構(gòu)件的截面可為圖l所示各種截面形狀中任何一種以及其他形式。
全文摘要
一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗屈曲加固方法，屬于金屬構(gòu)件抗屈曲加固技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，其中包括的以下三種不同且獨(dú)立的加固方法填充固態(tài)輕質(zhì)材料+纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材+纖維布外纏增強(qiáng)；填充固態(tài)輕質(zhì)材料后再用纖維布外纏增強(qiáng)；用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料套管通長(zhǎng)地套在被加固鋼構(gòu)件上后，再填充固態(tài)輕質(zhì)材料，并用纖維布外纏增強(qiáng)。本發(fā)明所述的加固方法靈活、方便、快捷、安全，對(duì)結(jié)構(gòu)影響小，而且附加重量輕，承載力提高顯著，且還可與其他加固方式結(jié)合進(jìn)行。
文檔編號(hào)E04G23/02GK101575915SQ20091008591
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者鵬 馮, 葉列平, 沙吾列提·拜開(kāi)依 申請(qǐng)人:清華大學(xué)