一種加固鋼構(gòu)件方法及其構(gòu)造的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明“一種加固鋼構(gòu)件方法及其構(gòu)造”，涉及鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。對原核心構(gòu)件不進行任何卸載和截面削弱，通過在核心構(gòu)件外逐層設(shè)置固體塊材、外包柔性材料來約束原核心構(gòu)件的局部平面外變形和構(gòu)件整體的彎曲變形，使核心構(gòu)件的材料處于三項受力狀態(tài)。加固鋼構(gòu)件構(gòu)造包括需加固的核心構(gòu)件、固體塊材與外包柔性材料，固體塊材的抗彎剛度遠大于核心構(gòu)件的抗彎剛度，固體塊材的厚度遠大于核心鋼構(gòu)件的截面厚度，固體塊材位于柔性材料與核心構(gòu)件之間，內(nèi)接觸面無粘結(jié)，外接觸面有粘結(jié)。本發(fā)明既約束構(gòu)件的受壓整體屈曲，又約束構(gòu)件的局部屈曲，加固效果顯著，布置靈活、無需現(xiàn)場焊接，加固過程簡單、對原結(jié)構(gòu)影響小，大大提高施工效率。
【專利說明】一種加固鋼構(gòu)件方法及其構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，特別是涉及具有初始彎曲、局部屈曲、殘余應(yīng)力的受壓構(gòu)件的加固。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)役鋼結(jié)構(gòu)建筑由于設(shè)計、制造、施工、使用及環(huán)境等因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件出現(xiàn)了缺陷和損傷，比如銹蝕、局部屈曲及撓度過大等，給整體結(jié)構(gòu)的使用帶來了嚴重的安全隱患。對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固，加固的方法包括:
[0003]1、截面補強法:在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補強，連成整體使之共同受力。傳統(tǒng)的截面補強方法多采用焊接型鋼或者鋼板，焊接時高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化產(chǎn)生溫度應(yīng)力、存在焊接缺陷、殘余應(yīng)力，相較于普通構(gòu)件更容易導(dǎo)致開裂，并且裂縫一旦擴展，就有可能一斷到底，引發(fā)重大事故。采用螺栓連接需要在損傷部位附近的鋼材上開孔，削弱了截面，形成新的應(yīng)力集中區(qū)；普通螺栓在動載作用下易松動，高強螺栓易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，降低了結(jié)構(gòu)的修補效果；補板與原結(jié)構(gòu)僅在螺栓連接點處緊密結(jié)合，很難達到理想的補強加固效果，
[0004]2、改變計算簡圖:增設(shè)附加支承，調(diào)整荷載分布情況，降低內(nèi)力水平，對超靜定結(jié)構(gòu)支座進行強迫位移，降低應(yīng)力峰值等；此方法對結(jié)構(gòu)的使用功能有所限制，影響原結(jié)構(gòu)的受力情況，需對整體結(jié)構(gòu)重新計算，施工過程復(fù)雜。
[0005]3、預(yù)應(yīng)力拉索法:利用高強拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度和穩(wěn)度；此方法與改變計算簡圖法有很多相似之處，對結(jié)構(gòu)的適用功能有限制，影響原結(jié)構(gòu)的受力情況，需對整體結(jié)構(gòu)重新計算，而且此方法對原結(jié)構(gòu)的要求較改變計算簡圖法更為苛刻，施工更加復(fù)雜，對操作者的技術(shù)要求很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明相較于已有的鋼構(gòu)件加固方法是一種加固原理上的革新，現(xiàn)有加固方法主要從兩種思路切入，要么是加大構(gòu)件橫截面或者降低構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系中承載的力；而本發(fā)明是在充分利用材料強度方面切入，通過防止核心構(gòu)件屈曲來增加對材料強度的利用。
[0007]鋼材的力學(xué)物理特性是在材料達到屈服強度前，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，即彈性；在材料達到屈服強度后，在應(yīng)力保持基本不變的情況下應(yīng)變可以有明顯的增加，即塑性。鋼材的力學(xué)物理特性還有一個顯著的特點是在材料三維單一方向受力，其余兩個方向無約束時(即單向受力狀態(tài))的屈服強度要低于另外兩個方向有約束時(即三向受力狀態(tài))的屈服強度?，F(xiàn)有的加固方法加固的構(gòu)件在達到極限承載力時構(gòu)件截面的應(yīng)變應(yīng)力滿足平截面假定，材料處于單項受力狀態(tài)，截面材料僅部分邊緣區(qū)域達到屈服強度，其余均處于彈性階段，對材料的塑性強度利用很少，截面對材料強度利用的平均水平普遍低于50 %的材料屈服強度；而本發(fā)明方法加固后的構(gòu)件在達到極限承載力時，由于可以有效約束構(gòu)件局部平面外變形和構(gòu)件整體的彎曲變形，材料處于三項受力狀態(tài)，截面材料已有大部分處于塑性階段，甚至進入全截面塑性，可以充分的利用材料屈服強度。
[0008]為此，本發(fā)明給出的技術(shù)方案為:
[0009]一種加固鋼構(gòu)件構(gòu)造，其特征在于，包括需加固的核心構(gòu)件、固體塊材與外包的具有較高受拉強度的柔性材料。所述需加固的核心構(gòu)件可以具有初始彎曲、局部屈曲、殘余應(yīng)力等缺陷；所述固體塊材的抗彎剛度大于核心構(gòu)件的抗彎剛度，所述固體塊材的厚度大于核心鋼構(gòu)件的截面厚度。所述具有較高受拉強度的柔性材料(如碳纖維布)完整纏繞所述固體塊材外圍；所述固體塊材位于柔性材料與核心構(gòu)件之間，分別與核心構(gòu)件具有內(nèi)接觸面，與柔性材料具有外接觸面，所述內(nèi)接觸面無粘結(jié)，所述外接觸面有粘結(jié)。
[0010]進一步地，所述柔性材料具有較高的受拉強度，如碳纖維及由各種基體材料和復(fù)合方式形成的碳纖維增強復(fù)合材料，按一定的纏繞方式完整外包所述核心固體塊材。
[0011 ] 進一步地，所述固體塊材位于柔性材料與核心構(gòu)件之間，所述固體塊材為可以現(xiàn)澆或預(yù)制的具有一定受壓強度的固體，如現(xiàn)澆的混凝土砂漿，PVC,預(yù)制的加氣混泥土砌塊
坐寸O
[0012]進一步地，需加固的核心構(gòu)件與固體塊材的內(nèi)接觸面無粘結(jié),軸向位移變形相互分離，不能承受剪力；固體塊材與外包的具有較高受拉強度的柔性材料的外接觸面有粘結(jié)，位移變形協(xié)調(diào)，可以承受一定剪力。
[0013]一種加固鋼構(gòu)件方法，其特征在于，對原核心構(gòu)件不進行任何卸載和截面削弱的情況下，通過在核心構(gòu)件外逐層設(shè)置固體塊材、外包柔性材料來約束原核心構(gòu)件的局部平面外變形和構(gòu)件整體的彎曲變形，使核心構(gòu)件的材料處于三項受力狀態(tài)，因此可以通過利用材料的屈服強度和三向受力強度提高核心構(gòu)件的極限承載力。
[0014]所述核心構(gòu)件與固體塊材之間采用無粘結(jié)，則兩者軸向變形分離，其余兩個方向變形協(xié)調(diào)，固體塊材的抗彎剛度大于核心構(gòu)件的抗彎剛度，通過固體塊材的抗彎剛度約束核心構(gòu)件平面內(nèi)和平面外兩個方向的彎曲變形，由于固體塊材的厚度大于核心鋼構(gòu)件的截面厚度，可以有效約束核心構(gòu)件的局部屈曲，使核心構(gòu)件的材料處于三項受力狀態(tài)，同時也提高了核心構(gòu)件的抗彎剛度。而且由于核心構(gòu)件與固體塊材之間無粘結(jié)，在原核心構(gòu)件承受往復(fù)荷載作用時，例如地震作用、機械運轉(zhuǎn)作用等，可以有效避免固體塊材大范圍碎裂，是對構(gòu)件耗能能力要求較高時的一種有效加固措施。
[0015]如果核心構(gòu)件與固體塊材之間有粘結(jié)，則核心構(gòu)件與固體塊材之間三個方向均變形協(xié)調(diào)，固體塊材除了能夠約束構(gòu)件整體彎曲與局部屈曲變形外，還可以與核心構(gòu)件一同承擔軸向荷載，結(jié)合了通過利用材料的屈服強度和三向受力強度提高核心構(gòu)件的極限承載力和傳統(tǒng)截面補強方法的特征。相對于核心構(gòu)件與固體塊材之間無粘結(jié)的加固方法，對固體塊材的材料強度剛度要求較高，但對構(gòu)件的極限承載力提高相差無幾，因此是在對構(gòu)件耗能能力要求不高時的也可以采用的一種加固措施。但由于核心構(gòu)件與固體塊材之間有粘結(jié)時對固體塊材的材料要求較高，對構(gòu)件極限承載能力提高有限，對構(gòu)件的耗能能力損失很大，相比較來說更推薦核心構(gòu)件與固體塊材之間無粘結(jié)的加固方法。
[0016]所述外包采用具有較高受拉強度的柔性材料是為了是固體塊材也處于三向受力狀態(tài)，有效防止固體塊材過早的開裂或壓碎，固體塊材與外包的具有較高受拉強度的柔性材料的外接觸面有粘結(jié)，是為了使兩者變形協(xié)調(diào)，同時也起到固定柔性材料的作用。
[0017]本發(fā)明既可以約束構(gòu)件的受壓整體屈曲，又可以約束構(gòu)件的局部屈曲；相較于傳統(tǒng)的加固方式，既可以只提高剛度，也可以同時提高剛度和承載力；不需要對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行焊接、開孔等操作，不影響原構(gòu)件的承載力；在施工期間，一般不需要對原結(jié)構(gòu)進行臨時支撐，施工過程相對簡單?？傊?，本發(fā)明相較于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)加固方法，加固效果顯著，而且布置靈活、無需現(xiàn)場焊接、對操作者的技術(shù)沒有很高的要求，加固過程簡單、對原結(jié)構(gòu)影響小，大大提高施工效率。
[0018]如上所述，本發(fā)明型使用具有較高受拉強度的柔性材料(如碳纖維布)結(jié)合固體塊材加固鋼構(gòu)件的方法能很好解決鋼結(jié)構(gòu)剛度與承載力的問題。而且本發(fā)明型相較于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)加固方法，加固效果顯著，而且布置靈活、無需現(xiàn)場焊接、對操作者的技術(shù)沒有很高的要求，加固過程簡單、對原結(jié)構(gòu)影響小，大大提高施工效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1:使用具有較高受拉強度的柔性材料(如碳纖維布)結(jié)合其他固體塊材加固鋼構(gòu)件示意圖。
[0020]圖2為圖1的1-1剖面圖。各個剖面圖從上到下分別為需加固的核心構(gòu)件截面為空心圓管、T型、工字型、角鋼、扁鋼時的剖面。
[0021 ] 圖中標號說明:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種加固鋼構(gòu)件構(gòu)造，其特征在于，包括需加固的核心構(gòu)件、固體塊材與外包柔性材料， 所述固體塊材的抗彎剛度大于核心構(gòu)件的抗彎剛度， 所述固體塊材的厚度大于核心鋼構(gòu)件的截面厚度， 所述固體塊材位于柔性材料與核心構(gòu)件之間，分別與核心構(gòu)件具有內(nèi)接觸面，與柔性材料具有外接觸面，所述內(nèi)接觸面無粘結(jié)，所述外接觸面有粘結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的加固鋼構(gòu)件構(gòu)造，其特征在于，所述柔性材料，為具有較高的受拉強度，如碳纖維及由各種基體材料和復(fù)合方式形成的碳纖維增強復(fù)合材料，按一定的纏繞方式完整外包所述核心固體塊材。
3.如權(quán)利要求1所述的加固鋼構(gòu)件構(gòu)造，其特征在于，所述固體塊材為現(xiàn)澆或預(yù)制的具有一定受壓強度的固體，如現(xiàn)澆的混凝土砂漿，PVC,或者預(yù)制的加氣混泥土砌塊。
4.如權(quán)利要求1所述的加固鋼構(gòu)件構(gòu)造，其特征在于，核心構(gòu)件與固體塊材的內(nèi)接觸面無粘結(jié)，軸向位移變形相互分離，不能承受剪力；固體塊材與外包的具有較高受拉強度的柔性材料的外接觸面有粘結(jié)，位移變形協(xié)調(diào)，可以承受一定剪力。
5.一種加固鋼構(gòu)件方法，其特征在于，對原核心構(gòu)件不進行任何卸載和截面削弱，通過在核心構(gòu)件外逐層設(shè)置固體塊材、外包柔性材料來約束原核心構(gòu)件的局部平面外變形和構(gòu)件整體的彎曲變形，使核心構(gòu)件的材料處于三項受力狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的加固鋼構(gòu)件方法，其特征在于，所述核心構(gòu)件與固體塊材之間采用無粘結(jié)，兩者軸向變形分離，其余兩個方向變形協(xié)調(diào)，固體塊材的抗彎剛度大于甚至遠大于核心構(gòu)件的抗彎剛度，通過固體塊材的抗彎剛度約束核心構(gòu)件平面內(nèi)和平面外兩個方向的彎曲變形，固體塊材的厚度遠大于核心鋼構(gòu)件的截面厚度，有效約束核心構(gòu)件的局部屈曲，使核心構(gòu)件的材料處于三項受力狀態(tài)，同時也提高了核心構(gòu)件的抗彎剛度。
7.如權(quán)利要求5所述的加固鋼構(gòu)件方法，其特征在于，所述固體塊材與外包柔性材料之間的外接觸面有粘結(jié)，是為使兩者變形協(xié)調(diào)、固定柔性材料。
【文檔編號】E04G23/02GK104032974SQ201410200668
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】蔣首超, 蔡雨芳, 文見, 何飛 申請人:同濟大學(xué)