CN104790683A - 一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，包括以下步骤：首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复合材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部锚固三个步骤，最后进行养护。本发明的方法施工简便、无需复杂设备，并适应管节点复杂的几何外形。同时，所粘贴的FRP材料轻质高强、无需额外增加节点负重。加固完成后，节点外形美观，并具有良好的耐久性。本发明的方法针对常见金属管节点，通过使FRP材料与金属管节点协同工作并抑制节点变形的方式，来提高节点的刚度、延性、承载力等静力性能及疲劳性能；该方法同样可以为其他类型的管节点提供设计思路上的参考。

Description

一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法

技术领域

本发明属于土木工程中的结构工程技术领域，涉及一种加固金属管节点的方法。

背景技术

金属管结构历史悠久并且应用广泛，但是随着社会的发展，很多结构最初的设计已经难以满足现在的使用要求，出现许多由于结构超载等原因导致损伤甚至破坏的案例。因此，对既有金属管结构的加固，尤其是对其关键部位——金属管节点的加固具有重要的理论意义和实用价值。传统加固方法包括钢板粘贴、套管加固、肋板焊接等，不仅施工困难，影响美观，耐蚀性差，而且某些方法(例如焊接肋板)极可能引起节点区域应力集中，致使节点在反复荷载作用下更容易发生疲劳破坏。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)是继混凝土、金属之后的第三大现代建筑材料，具有轻质高强、成型方便、耐腐蚀等优点以及绝缘、绝热等功能。相较于焊接钢板等方法，采用外贴FRP加固金属管节点的方法(简称FRP加固法)克服了传统加固方法的诸多缺陷，已日益成为结构加固领域的主流。但是该方法在金属结构加固领域起步较晚，尤其是金属管节点加固方面的相关研究和设计十分欠缺。因此，提出一套合理可行的FRP加固金属管节点的设计方法具有重要意义，为工业界的加固设计和学术界的加固研究提供参考。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，包括以下步骤：首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复合材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部锚固三个步骤，最后进行养护。

所述圆管K型节点根据材料区分为铝管K型节点或钢管K型节点；根据几何形状区分为平面圆管K型节点或空间圆管K型节点

所述纤维增强复合材料布，包括碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)等。选用FRP材料时，需要决定弹性模量E和抗拉强度f两个材料参数，建议所选FRP材料的弹性模量不低于金属结构，同时综合考虑经济性问题，所选FRP材料的抗拉强度为金属结构屈服强度的10倍以上。

所述表面处理为抛丸处理，目的是除去锈层，并且使表面粗糙，以利于胶层附着；对局部油污较多的地方，采用丙酮除污，目的也是便于胶层附着。

所述胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；其中面胶是结构粘合剂的主要成分，用来浸润到FRP布中形成复合材料；面固是面胶的固化剂，作用是促使面胶快速凝固。加固时需要把二者按面胶和面固3:1的比例混合均匀使用。

所述双向纤维增强复合材料布加固是采用双向FRP布，以两层为一个单位来环向加固金属管节点主管，并保持双向FRP布的其中一类纤维方向与主管轴线保持一致；双向FRP布在主管上的粘贴长度L_frp1应满足下式：

$L_{\mathrm{frp}1}\≥k\sqrt{\mathrm{DT}}+d/\sin \mathrm{\θ}+g$

式中，L_frp1为双向FRP布在主管上的粘贴长度，单位mm；k为加固系数，对于CFRP布加固钢管节点，建议取值为10；D、T分别为主管的直径和壁厚，单位mm；d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度(degree)；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。建议粘贴4层双向FRP布，可以达到较好的加固效果。

所述单向纤维增强复合材料布加固是采用单向FRP布以三层为一个单位来增强主管与支管，并且保持纤维方向与支管轴向平行；单向FRP布在支管上的粘贴长度L_frp2应满足下式：

L_frp2≥l_e+dcotθ

式中，L_frp2为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位mm；l_e为FRP与金属结构之间的有效粘结长度，单位mm，对于CFRP布加固钢管结构，建议取值为120mm；d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度(degree)。

所述单向纤维增强复合材料布加固包括以下两部分：节点域中间区域加固和节点域侧面区域加固；其中，节点域中间区域加固对应的单向FRP布的两端分别粘贴在节点中间区域的两个支管上，总长L_frp2mid应满足下式，

L_frp2mid≥2L_frp2+g

式中，L_frp2mid为单向FRP布在节点域中间区域的粘贴长度，单位mm；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。节点域侧面区域加固对应的单向FRP布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上，总长L_frp2side应满足下式，

L_frp2side≥L_frp2+1.5πD

式中，L_frp2side为单向FRP布在节点域侧面区域的粘贴长度，单位mm；D为主管的直径，单位mm。建议节点域中间区域粘贴3层单向FRP布，侧面区域粘贴6层单向FRP布，可以起到较好的加固效果。

所述单向纤维增强复合材料布加固中的节点域中间区域加固和侧面区域加固是根据节点区域的几何形状，裁剪两类单向FRP布，分别为类型I和类型II，分别对应节点域中间区域加固与侧面区域加固。

所述单向纤维增强复合材料布加固中，节点域中间区域加固和侧面区域加固包括以下步骤：首先根据节点区域的几何形状，裁剪类型I和类型II两类单向FRP布，分别对应节点域中间区域加固与侧面区域加固；其次，采用裁剪好的类型I单向FRP布来加固节点域中间区域；然后，采用裁剪好的类型II单向布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。

所述端部锚固包括以下步骤：采用单向FRP布作为压条，在加固区域端部环向锚固支管和主管处的FRP布，同时在节点域中间区域设置环向压条做锚固，其目的是使得单双向FRP布在加固区域端部与金属管紧密结合；同时，保持端部压条的纤维方向与主管或支管的轴线垂直；每个锚固位置均缠绕三层单向FRP布，层数过少锚固效果不好，层数过多粘贴效果不佳。

所述端部锚固是根据节点尺寸裁剪三类单向FRP，分别对应主管端部、支管端部和主管间隙处三个区域的压条，其宽度分别为L_end1、L_end2和L_mid，其长度则分别为对应管件截面外表面的三倍周长，将FRP布剪成两段，每一段缠绕管件一圈半。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明合理有效是基于管节点受力机制和FRP材料的特性，合理设计FRP材料的用量，并充分利用了FRP材料的良好的抗拉性能，所述设计方法合理有效，既能有效提高管节点约25％的静力性能，也能提高疲劳寿命约50％以上。

本发明的方法施工简便、无需复杂设备，并适应管节点复杂的几何外形。同时，所粘贴的FRP材料轻质高强、无需额外增加节点负重。加固完成后，节点外形美观，并具有良好的耐久性。

本发明的方法特别适用于加固那些已无法满足当前使用要求或出现损伤的现役钢管结构，无需拆除杆件，可直接在现役结构现场进行FRP布的粘贴加固，通过增强节点性能来提高结构的安全性、适用性和耐久性。

本发明的方法针对常见金属管节点，设计一套合理可行、并具有推广意义的FRP加固方法，通过使FRP材料与金属管节点协同工作并抑制节点变形的方式，来提高节点的刚度、延性、承载力等静力性能及疲劳性能；该方法同样可以为其他类型的管节点提供设计思路上的参考。

附图说明

图1是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管K型间隙节点的结构示意图。

图2是图1所示双向FRP布加固圆管K型节点域的示意图，图中阴影区域代表双向FRP布包裹的部位，阴影中的细线方向代表纤维丝的方向。

图3是图1所示单向FRP布加固圆管K型节点域示意图；图中阴影斜线区域代表单向FRP布包裹粘贴的部位，阴影斜线方向代表单向FRP布的纤维方向。

图4是图1所示单向FRP布锚固示意图；图中深色阴影区域代表压条锚固部位，阴影线代表单向FRP布的纤维方向。

图5是采用双向FRP布加固时第一层双向布裁剪尺寸示意图。

图6是采用双向FRP布加固时第二层双向布裁剪尺寸示意图。

图7是采用双向FRP布加固时第一层双向布粘贴示意图。

图8是采用双向FRP布加固时第二层双向布粘贴示意图。

图9是采用单向FRP布加固时单向FRP布类型I裁剪尺寸示意图。

图10是采用单向FRP布加固时单向FRP布类型II裁剪尺寸示意图。

图11是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层中间区域加固的示意图。

图12是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固I的正视图。

图13是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固I的后视图。

图14是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固II的正视图。

图15是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固II的后视图。

图16是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固III的正视图。

图17是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固III的后视图。

图18是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固IV的正视图。

图19是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固IV的后视图。

图20是锚固用单向FRP布的支管端部压条的裁剪尺寸示意图。

图21是锚固用单向FRP布的主管端部压条的裁剪尺寸示意图。

图22是锚固用单向FRP布的主管间隙处压条(间隙节点)的裁剪尺寸示意图。

图23是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管K型搭接节点的结构示意图。

图24是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管Y型节点的结构示意图。

图25是图24所示双向FRP布加固圆管Y型节点域的示意图，图中阴影区域代表双向FRP布包裹的部位，阴影中的细线方向代表纤维丝的方向。

图26是图24所示单向FRP布加固圆管Y型节点域示意图；图中阴影斜线区域代表单向FRP布包裹粘贴的部位，阴影斜线方向代表单向FRP布的纤维方向。

图27是图24所示单向FRP布锚固示意图；图中深色阴影区域代表压条锚固部位，阴影线代表单向FRP布的纤维方向。

图28是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层中间区域加固的示意图。

图29是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固I的正视图。

图30是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固I的后视图。

图31是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固II的正视图。

图32是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固II的后视图。

具体实施方式

下面结合附图所示三个实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固圆钢管K型间隙节点

图1是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管K型间隙节点的结构示意图。加固对象为圆钢管K型间隙节点，主管尺寸为Φ219mm×8mm，支管直径为Φ133mm×6mm，主管与支管夹角θ为55°，节点域间隙长度g为40mm。节点所用钢材为Q235B。

首先对钢管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固；表面处理为抛丸处理，目的是除去锈层，并且使表面粗糙，以利于胶层附着；对局部油污较多的地方，采用丙酮除污，目的也是便于胶层附着。胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；其中面胶是结构粘合剂的主要成分，用来浸润到FRP布中形成复合材料；面固是面胶的固化剂，作用是促使面胶快速凝固。加固时需要把二者按面胶和面固3:1的比例混合均匀使用。

加固材料采用单向和双向CFRP布组合使用，CFRP布的弹性模量为230GPa，抗拉强度为3400MPa。配以专用结构粘合剂，对圆钢管K型间隙节点进行合理加固。

具体加固设计分为三部分：双向CFRP布设计加固、单向CFRP布设计加固和端部压条锚固。

1)第一步：双向CFRP布粘贴节点域主管部位：图2是图1所示双向FRP布加固圆管K型节点域的示意图，图中阴影区域代表双向FRP布包裹的部位，阴影中的细线方向代表纤维丝的方向。以两层为一个单位来环向加固金属管节点主管，并保持双向CFRP布的其中一类纤维方向与主管轴线保持一致；双向CFRP布在主管上的粘贴长度L_frp1应满足下式：

$L_{\mathrm{frp}1}\≥k\sqrt{\mathrm{DT}}+d/\sin \mathrm{\θ}+g$

式中，L_frp1为双向CFRP布在主管上的粘贴长度，单位mm；k为加固系数，对于CFRP布加固钢管节点，建议取值为10；D、T分别为主管的直径和壁厚，单位mm；d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度(degree)；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。建议粘贴4层双向FRP布，可以达到较好的加固效果。

根据设计方法中的计算公式，计算双向CFRP布在主管上的粘贴长度L_frp1，

因此，取L_frp1为620mm。基于主管外径，双向CFRP布的宽度取1000mm(可直接选用1m幅宽的双向CFRP布)。

其次，根据钢管节点尺寸对双向CFRP布进行合理裁剪，尽量减少由裁剪产生的布匹废料。为节点域处的支管预留空间，双向CFRP布中间部位裁剪出孔洞，其尺寸为400mm×200mm。图5～8给出了粘贴双向CFRP布的具体实施示意图，图5是第一层双向布裁剪示意图；图6是第二层双向布裁剪示意图；图7是第一层双向布粘贴示意图；图8是第二层双向布粘贴示意图。粘贴时，双向布的一个纤维方向与主管轴线保持一致。图中在以两层为一个单位的粘贴过程中，每一层均由两块双向CFRP布部分重叠压接而成，以增强其粘接效果，相互压叠长度取50mm；随后，再覆盖粘贴第二层双向CFRP布时，保持其粘贴区域与第一层相同，但是需要注意错开裁剪接合位置以增强相互粘接效果。基于有效性和经济性考虑，一共粘贴4层双向CFRP布。

2)第二步：单向CFRP布粘贴节点域支管部位：图3是图1所示单向FRP布加固圆管K型节点域示意图；图中阴影斜线区域代表单向FRP布包裹粘贴的部位，阴影斜线方向代表单向FRP布的纤维方向。采用单向CFRP布以三层为一个单位来增强主管与支管，并且保持纤维方向与支管轴向平行；单向CFRP布在支管上的粘贴长度L_frp2应满足下式：

L_frp2≥l_e+dcotθ

式中，L_frp2为单向CFRP布在支管上的粘贴长度，单位mm；l_e为CFRP与金属结构之间的有效粘结长度，单位mm，对于CFRP布加固钢管结构，建议取值为120mm；d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度(degree)。

根据设计方法中的计算公式，计算单向CFRP布在支管上的粘贴长度L_frp2，

L_frp2≥l_e+dcotθ＝120+133×cot(55°)＝213

因此，取L_frp2为220mm。基于节点域尺寸，选用100mm和200mm幅宽单向CFRP布，对支管和节点区域进行加固，并且保持纤维方向与支管轴向平行。

其次，根据节点区域的几何形状，裁剪两类单向CFRP布(类型I和类型II，详见附图9和10；图9是单向FRP布裁剪类型I示意图；图10是单向FRP布裁剪类型II示意图。)，分别对应两类不同的加固步骤，即节点域中间区域加固与侧面区域加固。

单向纤维增强复合材料布加固包括以下两部分：节点域中间区域加固和节点域侧面区域加固；其中，节点域中间区域加固对应的单向FRP布的两端分别粘贴在节点中间区域的两个支管上，总长L_frp2mid应满足下式，

L_frp2mid≥2L_frp2+g

式中，L_frp2mid为单向FRP布在节点域中间区域的粘贴长度，单位mm；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。节点域侧面区域加固对应的单向FRP布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上，总长L_frp2side应满足下式，

L_frp2side≥L_frp2+1.5πD

式中，L_frp2side为单向FRP布在节点域侧面区域的粘贴长度，单位mm；D为主管的直径，单位mm。建议节点域中间区域粘贴3层单向FRP布，侧面区域粘贴6层单向FRP布，可以起到较好的加固效果。

裁剪尺寸计算如下：

L_frp2mid≥2L_frp2+g＝2×220+40＝480

L_frp2side≥L_frp2+1.5πD＝220+1.5×π×219＝1252

因此，类型I布尺寸为480mm×100mm，类型II布尺寸为1260mm×200mm。同时，为粘贴方便，在类型I布上预留20mm深切口，在类型II布上预留30mm深切口。

具体加固步骤包括5步，首先采用一块裁剪好的类型I单向CFRP布来加固节点域中间区域；然后采用四块裁剪好的类型II单向CFRP布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。完成上述5个步骤后，即完成了一层单向CFRP布加固节点区域的工作(详见附图11～19，图11是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层中间区域加固的示意图。图12是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固I的正视图。图13是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固I的后视图。图14是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固II的正视图。图15是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固II的后视图。图16是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固III的正视图。图17是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固III的后视图。图18是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固IV的正视图。图19是采用单向FRP布加固圆管K型节点时第一层侧面区域加固IV的后视图。)。在加固时，也需要注意每层单向FRP布的接合区域，尽量错开接缝并相互叠合以增强相互粘贴效果。基于有效性和经济性考虑，节点域中间区域粘贴3层单向CFRP布，侧面区域粘贴6层单向CFRP布。

3)第三步：加固区域压条锚固：图4是图1所示单向FRP布锚固示意图；图中深色阴影区域代表压条锚固部位，阴影线代表单向FRP布的纤维方向。

根据节点尺寸，裁剪三类单向CFRP，详见附图20～22，图20是锚固用单向FRP布裁剪的支管端部压条的示意图；图21是锚固用单向FRP布裁剪的主管端部压条的示意图；图22是锚固用单向FRP布裁剪的主管间隙处压条(间隙节点)的示意图。分别对应主管端部、支管端部和主管间隙处等三个区域的压条，其宽度分别为：

L_end1＝L_end2＝200mm；

L_mid＝100mm；

其长度则分别为对应管件截面外表面的三倍周长，即裁剪两条200mm×1260mm单向布分别缠绕在两个支管上；裁剪两条200mm×2070mm单向布分别缠绕在主管节点域两端；裁剪一条100mm×2070mm单向布缠绕在主管节点域中间区域。

在具体粘贴时，由于前一圈的CFRP布尚未凝结固化，导致随后几圈的CFRP布无法达到绷紧的状态，将影响加固效果。因此，将CFRP布剪成两段，每一段缠绕杆件一圈半，就可以解决上述问题。

对加固后的圆钢管K型间隙节点进行性能测试。根据试验结果分析，经过CFRP加固后，K型节点静力承载力提高了25％，热点应力下降了50％，意味着节点的疲劳寿命也能大幅提高。最终，完成了以CFRP对圆管K型间隙节点的加固方案的设计。

实施例2

采用玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)加固圆铝管K型搭接节点

图23是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管K型搭接节点的结构示意图。加固对象为圆铝管K型搭接节点，主管尺寸为Φ200mm×6mm，支管直径为Φ167mm×6mm，主管与支管夹角θ为60°，搭接率Ov为40％，因此，搭接长度q为77mm(取间隙长度g为-77mm)。节点所用铝材为6061-T6。

首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固；表面处理为抛丸处理，目的是除去锈层，并且使表面粗糙，以利于胶层附着；对局部油污较多的地方，采用丙酮除污，目的也是便于胶层附着。胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；其中面胶是结构粘合剂的主要成分，用来浸润到FRP布中形成复合材料；面固是面胶的固化剂，作用是促使面胶快速凝固。加固时需要把二者按面胶和面固3:1的比例混合均匀使用。

加固材料采用单向和双向玻璃纤维增强复合材料(GFRP)布组合使用，GFRP布的弹性模量为87.4GPa，抗拉强度为2890MPa。配以专用结构粘合剂，对圆管K型搭接节点进行合理加固。

具体加固设计分为三部分：双向GFRP布设计加固、单向GFRP布设计加固和端部压锚固。

1)第一步：双向GFRP布粘贴节点域主管部位，这一步骤与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考图2。

首先，根据设计方法中的计算公式，计算双向GFRP布在主管上的粘贴长度L_frp1，

因此，取L_frp1为470mm。基于主管外径，双向GFRP布的宽度取1000mm(可直接选用1m幅宽的双向GFRP布)。

其次，根据铝管节点尺寸对双向GFRP布进行合理裁剪，尽量减少由裁剪产生的布匹废料。为节点域处的支管预留空间，双向GFRP布中间部位裁剪出孔洞，其尺寸为300mm×250mm。裁剪尺寸与实施例1类似，可参考图5～8。粘贴时，双向布的一个纤维方向与主管轴线保持一致。图中在以两层为一个单位的粘贴过程中，每一层均由两块双向GFRP布部分重叠压接而成，以增强其粘接效果，相互压叠长度取50mm；随后，再覆盖粘贴第二层双向GFRP布时，保持其粘贴区域与第一层相同，但是需要注意错开裁剪接合位置以增强相互粘接效果。基于有效性和经济性考虑，一共粘贴4层双向GFRP布。

2)第二步：单向GFRP布粘贴节点域支管部位：这一步骤与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考图3。

首先，根据设计方法中的计算公式，计算单向GFRP布在支管上的粘贴长度L_frp2，根据相关文献，铝管与GFRP的有效粘结长度取100mm。

L_frp2≥l_e+dcotθ＝100+167×cot(60°)＝196

因此，取L_frp2为200mm。基于节点域尺寸，选用100mm和200mm幅宽单向GFRP布，对支管和节点区域进行加固，并且保持纤维方向与支管轴向平行。

其次，根据节点区域的几何形状，裁剪两类单向GFRP布(类型I和类型II，与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考图9和图10)，分别对应两类不同的加固步骤，即节点域中间区域加固与侧面区域加固。裁剪尺寸计算如下：

L_frp2mid≥2L_frp2+g＝2×200-77＝323

L_frp2side≥L_frp2+1.5πD＝200+1.5×π×200＝1142

因此，类型I布尺寸可取400mm×100mm，类型II布尺寸为1200mm×200mm。同时，为粘贴方便，在类型I布上预留20mm深切口，在类型II布上预留30mm深切口。

具体加固步骤包括5步，首先采用一块裁剪好的类型I单向GFRP布来加固节点域中间区域；然后采用四块裁剪好的类型II单向GFRP布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。完成上述5个步骤后，即完成了一层单向GFRP布加固节点区域的工作。(这一步骤与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考附图11～19)。在加固时，也需要注意每层单向GFRP布的接合区域，尽量错开接缝并相互叠合以增强相互粘贴效果。基于有效性和经济性考虑，节点域中间区域粘贴3层单向GFRP布，侧面区域粘贴6层单向GFRP布。

3)第三步：加固区域压条锚固：这一步骤与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考图4。

根据节点尺寸，裁剪三类单向GFRP，可以参考附图20～22。分别对应主管端部、支管端部和主管间隙处等三个区域的压条，其宽度分别为：

L_end1＝L_end2＝200mm；

L_mid＝100mm；

其长度则分别为对应管件截面外表面的三倍周长，即裁剪两条200mm×1580mm单向布分别缠绕在两个支管上；裁剪两条200mm×1890mm单向布分别缠绕在主管节点域两端；裁剪一条100mm×1890mm单向布缠绕在主管节点域中间区域。

在具体粘贴时，由于前一圈的GFRP布尚未凝结固化，导致随后几圈的GFRP布无法达到绷紧的状态，将影响加固效果。因此，将GFRP布剪成两段，每一段缠绕杆件一圈半，就可以解决上述问题。最终，完成了以GFRP对圆铝管K型搭接节点的加固方案的设计。

实施例3

采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固圆钢管Y型节点

图24是本发明实施例纤维增强复合材料加固圆管Y型节点的结构示意图。加固对象为圆钢管Y型节点，主管尺寸为Φ245mm×10mm，支管直径为Φ180mm×8mm，主管与支管夹角θ为45°。由于Y型节点只有一个支管，可近似认为是K型节点的特殊情况——两个支管相互重叠在一起，因此可近似认为搭接长度为支管直径在主管轴线上的投影长度(取间隙长度g＝-d/sinθ＝-180/sin45°＝-255)。节点所用钢材为Q235B。

首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固；表面处理为抛丸处理，目的是除去锈层，并且使表面粗糙，以利于胶层附着；对局部油污较多的地方，采用丙酮除污，目的也是便于胶层附着。胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；其中面胶是结构粘合剂的主要成分，用来浸润到FRP布中形成复合材料；面固是面胶的固化剂，作用是促使面胶快速凝固。加固时需要把二者按面胶和面固3:1的比例混合均匀使用。

加固材料采用单向和双向CFRP布组合使用，CFRP布的弹性模量为230GPa，抗拉强度为3400MPa。配以专用结构粘合剂，对圆钢管K型间隙节点进行合理加固。

具体加固设计分为三部分：双向CFRP布设计加固、单向CFRP布设计加固和端部压条锚固。

1)第一步：双向CFRP布粘贴节点域主管部位：图25是图24所示双向FRP布加固圆管Y型节点域的示意图，图中阴影区域代表双向FRP布包裹的部位，阴影中的细线方向代表纤维丝的方向。

首先，根据设计方法中的计算公式，计算双向CFRP布在主管上的粘贴长度L_frp1，其中间隙长度可以取

因此，取L_frp1为500mm。基于主管外径，双向GFRP布的宽度取1000mm(可直接选用1m幅宽的双向CFRP布)。

其次，根据钢管节点尺寸对双向CFRP布进行合理裁剪，尽量减少由裁剪产生的布匹废料。为节点域处的支管预留空间，双向CFRP布中间部位裁剪出孔洞，其尺寸为250mm×200mm。该步骤与实例1加固圆管K型间隙节点类似，可参考图5～8。粘贴时，双向布的一个纤维方向与主管轴线保持一致。图中在以两层为一个单位的粘贴过程中，每一层均由两块双向CFRP布部分重叠压接而成，以增强其粘接效果，相互压叠长度取50mm；随后，再覆盖粘贴第二层双向CFRP布时，保持其粘贴区域与第一层相同，但是需要注意错开裁剪接合位置以增强相互粘接效果。基于有效性和经济性考虑，一共粘贴4层双向CFRP布。

2)第二步：单向CFRP布粘贴节点域支管部位：图26是图24所示单向CFRP布加固圆管Y型节点域示意图；图中阴影斜线区域代表单向CFRP布包裹粘贴的部位，阴影斜线方向代表单向FRP布的纤维方向。

首先，根据设计方法中的计算公式，计算单向CFRP布在支管上的粘贴长度L_frp2，

L_frp2≥l_e+dcotθ＝120+180×cot(45°)＝300

因此，取L_frp2为300mm。基于节点域尺寸，选用100mm和200mm幅宽单向CFRP布，对支管和节点区域进行加固，并且保持纤维方向与支管轴向平行。

其次，根据节点区域的几何形状，裁剪两类单向CFRP布(类型I和类型II，与实施例1加固圆钢管K型间隙节点类似，可以参考图9和图10)，分别对应两类不同的加固步骤，即节点域中间区域加固与侧面区域加固。裁剪尺寸计算如下：

L_frp2mid≥2L_frp2+g＝2×300-255＝345

L_frp2side≥L_frp2+1.5πD＝300+1.5×π×245＝1455

因此，类型I布尺寸为350mm×100mm，类型II布尺寸为1460mm×200mm。同时，为粘贴方便，在类型I布上预留20mm深切口，在类型II布上预留30mm深切口。

具体加固步骤包括3步，首先采用一块裁剪好的类型I单向GFRP布来加固节点域中间区域；然后采用两块裁剪好的类型II单向GFRP布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。完成上述3个步骤后，即完成了一层单向CFRP布加固节点区域的工作(详见附图28～32，图28是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层中间区域加固的示意图。图29是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固I的正视图。图30是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固I的后视图。图31是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固II的正视图。图32是采用单向FRP布加固圆管Y型节点时第一层侧面区域加固II的后视图。)。在加固时，也需要注意每层单向CFRP布的接合区域，尽量错开接缝并相互叠合以增强相互粘贴效果。基于有效性和经济性考虑，节点域中间区域粘贴3层单向CFRP布，侧面区域粘贴6层单向CFRP布。

3)第三步：加固区域压条锚固：图27是图24所示单向FRP布锚固示意图；图中深色阴影区域代表压条锚固部位，阴影线代表单向FRP布的纤维方向。

根据节点尺寸，裁剪三类单向CFRP，可以参考附图20～22。分别对应主管端部和支管端部和主管节点域等三个区域的压条，其宽度分别为：

L_end1＝L_end2＝200mm；

L_mid＝100mm；

其长度则分别为对应管件截面外表面的三倍周长，即裁剪一条200mm×1700mm单向布缠绕在支管上；裁剪两条200mm×2310mm单向布分别缠绕在主管节点域两端；裁剪一条100mm×2310mm单向布缠绕在主管节点域。

在具体粘贴时，由于前一圈的CFRP布尚未凝结固化，导致随后几圈的CFRP布无法达到绷紧的状态，将影响加固效果。因此，将CFRP布剪成两段，每一段缠绕杆件一圈半，就可以解决上述问题。最终，完成了以CFRP对圆管Y型节点的加固方案的设计。

上述的对三个实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复合材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部锚固三个步骤，最后进行养护。

2.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述金属管节点包括圆管K型节点、圆管Y型节点、KT型节点、KK型节点；优选地，所述圆管K型节点根据材料区分为铝管K型节点或钢管K型节点；根据几何形状区分为平面圆管K型节点或空间圆管K型节点。

3.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述纤维增强复合材料包括碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料；

或所述表面处理为抛丸处理，对局部油污较多的地方，采用丙酮除污；

或所述胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；加固时面胶和面固按质量比为3:1的比例混合均匀。

4.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述双向纤维增强复合材料布加固是采用双向FRP布，以两层为一个单位来环向加固金属管节点主管，并保持双向FRP布的其中一类纤维方向与主管轴线保持一致；双向FRP布在主管上的粘贴长度L_frp1应满足下式：

$L_{\mathrm{frp}1}\≥k\sqrt{\mathrm{DT}}+d/\sin \mathrm{\θ}+g$

式中，L_frp1为双向FRP布在主管上的粘贴长度，单位mm；k为加固系数，D、T分别为主管的直径和壁厚，单位mm；d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。

5.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述单向纤维增强复合材料布加固是采用单向FRP布以三层为一个单位来增强主管与支管，并且保持纤维方向与支管轴向平行；单向FRP布在支管上的粘贴长度L_frp2应满足下式：

$L_{\mathrm{frp}2}\≥l_e+d\cot \mathrm{\θ}$

式中，L_frp2为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位mm；l_e为FRP与金属结构之间的有效粘结长度，单位mm，d为支管的直径，单位mm；θ为主管与支管轴线夹角，单位度。

6.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述单向纤维增强复合材料布加固包括以下两部分：节点域中间区域加固和节点域侧面区域加固；其中，节点域中间区域加固对应的单向FRP布的两端分别粘贴在节点中间区域的两个支管上，总长L_frp2mid应满足下式，

$L_{\mathrm{frp}2\mathrm{mid}}\≥{2L}_{\mathrm{frp}2}+g$

式中，L_frp2mid为单向FRP布在节点域中间区域的粘贴长度，单位mm；L_frp2为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位mm；对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm；对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm；

节点域侧面区域加固对应的单向FRP布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上，总长L_frp2side应满足下式：

$L_{\mathrm{frp}2\mathrm{side}}\≥L_{\mathrm{frp}2}+1.5\mathrm{\πD}$

式中，L_frp2side为单向FRP布在节点域侧面区域的粘贴长度，单位mm；D为主管的直径，单位mm；L_frp2为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位mm。

7.根据权利要求6所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述单向纤维增强复合材料布加固中的节点域中间区域加固和侧面区域加固是根据节点区域的几何形状，裁剪两类单向FRP布，分别为类型I和类型II，分别对应节点域中间区域加固与侧面区域加固。

8.根据权利要求6所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述单向纤维增强复合材料布加固中，节点域中间区域加固和侧面区域加固包括以下步骤：首先根据节点区域的几何形状，裁剪类型I和类型II两类单向FRP布，分别对应节点域中间区域加固与侧面区域加固；其次，采用裁剪好的类型I单向FRP布来加固节点域中间区域；然后，采用裁剪好的类型II单向布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。

9.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述端部锚固包括以下步骤：采用单向FRP布作为压条，在加固区域端部环向锚固支管和主管处的FRP布，同时在节点域中间区域设置环向压条做锚固，其目的是使得单双向FRP布在加固区域端部与金属管紧密结合；同时，保持端部压条的纤维方向与主管或支管的轴线垂直；每个锚固位置均缠绕三层单向FRP布。

10.根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：所述端部锚固是根据节点尺寸裁剪三类单向FRP，分别对应主管端部、支管端部和主管间隙处三个区域的压条，其宽度分别为L_end1、L_end2和L_mid，其长度则分别为对应管件截面外表面的三倍周长，将FRP布剪成两段，每一段缠绕管件一圈半。