CN101575915B

CN101575915B - 一种采用纤维增强复合材料抗屈曲加固金属结构技术

Info

Publication number: CN101575915B
Application number: CN2009100859137A
Authority: CN
Inventors: 冯鹏; 叶列平; 沙吾列提·拜开依
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101575915A

Abstract

一种纤维增强复合材料抗屈曲加固方法，属于金属构件抗屈曲加固技术领域，其特征在于，其中包括的以下三种不同且独立的加固方法：填充固态轻质材料+纤维增强复合材料型材+纤维布外缠增强；填充固态轻质材料后再用纤维布外缠增强；用纤维增强复合材料套管通长地套在被加固构件上后，再填充固态轻质材料，并用纤维布外缠增强。本发明所述的加固方法灵活、方便、快捷、安全，对结构影响小，而且附加重量轻，承载力提高显著，且还可与其他加固方式结合进行。

Description

一种采用纤维增强复合材料抗屈曲加固金属结构技术

发明领域

本发明涉及一种施工快捷、工艺简单、用材轻质、效果显著的抗屈曲加固金属结构的方法，属于土木工程领域。

背景技术

屈曲失稳破坏是结构构件破坏的一种主要形式，在钢结构中最为常见。屈曲破坏通常出现较突然，会造成较严重的损失。在世界各国的工程史上，因压杆失稳破坏而造成的事故屡见不鲜，例如：1907年加拿大魁北克大桥的倒塌，1978年美国哈特福特城体育馆网架结构的垮塌，以及2008年初我国南方冰雪灾害中输电钢塔的大量倒塌。近年来，我国钢结构的发展很快，由于经验不足或过高追求经济性，出现了许多稳定承载力安全储备较低的结构，甚至有一些发生了失稳破坏；还有一些结构因使用荷载提高、腐蚀破坏、施工失误等原因也造成了结构稳定承载力不足。随着我国钢结构建设规模的逐年增大，对这类钢结构进行加固的需求将越来越强烈。去年南方冰雪灾害后，国内大量的输电钢塔亟待进行加固，但多数钢塔在野外，交通不便，缺少适合的加固方法，因此迫切需要施工简单、用材轻便、效果显著的加固技术。

目前，实际工程中对钢结构进行加固的主要方法有构件替换、减轻荷载、改变结构体系、加大构件截面和连接强度、预应力拉索等，这些方法都有其适用条件和范围，有些很难满足施工和使用的要求，如不能拆卸、不能明火等；有些会给结构带来新的问题，如局部损伤、残余应力等。

FRP是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂基体混合经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。它具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点。近十年，FRP在结构工程领域中的应用发展迅速，现已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充，合理地将FRP应用于各类结构物中已经成为结构工程发展的一个重要方向。本发明提出一种采用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即FRP)进行构件抗屈曲加固的新技术，即采用工厂生产的FRP管拉挤型材与纵向纤维布组成套管通长套住钢构件，再外缠环向纤维布进行环向约束，FRP套管与钢构件间填入微膨胀泡沫砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫等轻质填充材料，从而提高构件的刚度和承载力，实现对钢结构柱、输电钢塔杆、桁架杆、网架杆、支撑等构件的加固。

发明内容

本发明的目的在于提供一种施工简单、用材轻便、效果显著的一种纤维增强复合材料抗屈曲加固方法。

本发明的特征之一在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平要求提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(1.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在内的其中任何一种固体轻质材料作为填充料包覆在截面为任意形状的被加固构件周围，形成一个实体；

步骤(1.2).用FRP套管通长地套在步骤(1.1)中的所述填充料的外表；

步骤(1.3).再用FRP通长地外缠绕在所述FRP套管上增强，以实现对内部的所述填充料和被加固构件的约束。

本发明的特征之二在于，所述FRP套管是预先成形并扣套在所述被加固构件上的。

本发明的特征之三在于，所述填充材料是预先用竹篾包裹成形的。

本发明的特征之四在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(2.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在内的其中任何一种固体轻质材料作为填充料包覆在截面为任意形状的被加固构件周围，形成一个实体；

步骤(2.2).用纤维布通长地包裹在步骤(2.1)中的所述填充料的外表，对内部的填充料和被加固构件的形成约束。

本发明的特征之五在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(3.1).采用工厂预制的FRP型材通长地扣套在截面为任意形状的被加固构件上，形成一个实体；

步骤(3.2).再向步骤(3.1)中所述的被加固构件和FRP型材之间的缝隙里完全或局部地填入聚氨酯泡沫、膨胀砂浆在内的任何一种固态轻质材料。

步骤(3.3).再采用纤维布，通长地缠绕在所述FRP型材外，以进行加强。

本发明的特征之六在于，在所述步骤(3.1)之后，紧接着执行步骤(3.3)所述的在所述FRP型材外部缠绕所述的纤维布。

本发明的特征之七在于，所述被加固构件的截面为图1所示各种截面形状中任一种以及其他形式。

此项加固技术与其他加固技术相比，具有以下优势：

(1)施工方便快捷，无明火，可不用起重设备，无需支模，对生产使用影响小；

(2)附加重量轻，对原结构影响小；

(3)加固后构件的抗腐蚀性能大大提高；

(4)加固方式灵活，可套管也可外包，适用于各种截面形式；

(5)承载力提高显著，破坏过程的延性得到改善；

(6)可与其他的FRP加固钢结构，如抗疲劳加固、抗弯加固、抗剪加固以及节点加固等结合进行。

附图说明

图1各种截面形式的FRP抗屈曲加固金属构件。

图2FRP抗屈曲加固构造示意图：

1.被加固构件：本技术适合于不同截面类型的构件，截面类型如图1所示；

2.填充物；

3.FRP型材或FRP外缠增强层；

4.FRP布局部增强，当有必要时中部和端部都应局部增强。

图3套管加固的施工流程框图。

具体实施方式

承受轴压和压弯的金属构件通常都为屈曲承载力控制，即细长构件在较低的荷载作用下就会发生失稳破坏，没有达到屈服就丧失了承载能力，材料强度没有得到充分发挥。当结构的使用荷载提高或安全水平要求提高时，可通过抗屈曲加固，提高构件的失稳承载力，从而实现加固目的。

本发明中，采用FRP与轻质填充材料来实现抗屈曲加固，构造有三种。

(1)采用固态轻质材料，如竹材、木材、聚氨酯泡沫等包覆在被加固构件的周围，形成一个实体断面，如圆形、椭圆形、方形等；再采用FRP型材套在填充材料的外表，再用FRP布外缠增强，实现对内部的填充材料和被加固构件的约束。

(2)采用固态轻质材料，如竹材、木材、聚氨酯泡沫等包覆在被加固构件的周围，形成一个实体断面，如圆形、椭圆形、方形等；再采用FRP布包覆在填充材料的外表，对内部的填充材料和被加固的构件形成约束。

(3)采用工厂预制的FRP型材套住钢构件，再向钢构件与FRP型材之间的缝隙里填入填充材料，如发泡聚氨酯泡沫、膨胀砂浆等，也可以完全不填充，最后在FRP型材外部缠绕FRP布进行加强。

构造1：“填充+FRP型材+纤维布外缠增强”。其中FRP型材也为预先成形，可扣套钢构件；环向纤维通长包裹在FRP型材外，约束内部的填充部分和核心；填充部分也可以用竹篾扎裹成形。这种构造适合于现场的改造与加固，施工较容易。

构造2：“填充+纤维布外缠增强”。首先用填充物扎裹成所需的截面形状，沿轴向铺设纤维提供抗弯刚度，再用利用环向纤维包裹进行约束。加固后构件的外轮廓尺寸无显著增大，并且适用于各种形状的截面，还可以根据需要设计外约束的截面形状。因此，这种技术非常适合于现场的改造与加固。

构造3：“FRP套管+填充+FRP布局部增强”。FRP套管为工厂预制成形，外包裹的纤维布为主要防止局部应力造成的破坏；填充物一方面使外管与内核心共同抗弯，另一方面也可增加构件的抗弯刚度，也可以完全不填充，最后在FRP型材外部缠绕FRP布进行加强。这种构造适合于现场可允许套管的加固工程。

外约束由FRP管、缠绕FRP、泡沫微膨胀砂浆或竹篾等多种材料构成，具有抗弯能力、抗扭能力以及端部的抗劈裂能力。通常构件受荷后首先会出现少波的低阶屈曲，加固后的构件由于外约束的存在抑制了低阶屈曲模态的横向变形发展，促使被加固构件向对应着更高承载力的高阶屈曲模态发展；更高阶的屈曲模态意味着出现更多的半波数，使得外约束对内部构件有更多的作用点以限制其屈曲变形；当外围约束单元具有足够的环向刚度和强度，并沿纵向具有一定的抗弯刚度，可使外荷载不断增加，直到钢构件截面上各点的轴向应力都达到屈服。

FRP的材料种类有玻璃纤维、连续玄武岩纤维、碳纤维、混杂纤维、芳纶纤维等。在实际应用中，用于外约束的FRP材料将主要利用价格低廉的GFRP(玻璃纤维增强复合材)，当受力要求很高时可采用少量性能优越但价格较高的CFRP(碳纤维增强复合材料)。同时，对于有较高防火要求的结构，填充材料应采用泡沫微膨胀砂浆，可以大大提高核心钢构件的耐火性能，而对于如输电杆塔等室外结构物则主要采用竹篾，可减少现场的湿作业，方便施工。

这种加固方法与一般的加固方法不同，通过外加约束和合理的扩大断面提高了被加固构件的屈曲承载力。申请人已通过试验验证了其有效性，对FRP抗屈曲加固的等边角钢进行了轴压试验研究，结果表明：对于常用长细比的角钢经过加固抗压承载力可提高71～186％。

Claims

1.一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平要求提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(1.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在内的其中任何一种固体轻质材料作为填充材料包覆在截面为任意形状的被加固构件周围，形成一个实体；

步骤(1.2).用FRP套管通长地套在步骤(1.1)中的所述填充材料的外表；

步骤(1.3).再用FRP通长地外缠绕在所述FRP套管上增强，以实现对内部的所述填充材料和被加固构件的约束。

2.根据权利要求1所述的一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，所述FRP套管是预先成形并扣套在所述被加固构件上的。

3.根据权利要求1所述的一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，所述填充材料是预先用竹篾包裹成形的。

4.一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(2.1).把包括竹材、木材、聚氨酯泡沫在内的其中任何一种固体轻质材料作为填充材料包覆在截面为任意形状的被加固构件周围，形成一个实体；

步骤(2.2).用所述FRP通长地包裹在步骤(2.1)中的所述填充材料的外表，对内部的填充材料和被加固构件形成约束。

5.一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，该方法是一种在结构使用荷载提高或安全水平提高时，通过抗屈曲加固来提高构件的失稳承载力的方法，其步骤依次如下：

步骤(3.2).再采用FRP，通长地缠绕在所述FRP型材外，以进行加强。

6.根据权利要求5所述的一种FRP抗屈曲加固方法，其特征在于，在所述步骤(3.1)和步骤(3.2)之间增加一个步骤：紧接着再向步骤(3.1)中所述的被加固构件和FRP型材之间的缝隙里完全或局部地填入聚氨酯泡沫、膨胀砂浆在内的任何一种固态轻质材料。