CN106320731A - 一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，该方法包括：制作标示；裁制碳纤维增强复合材料板；喷砂处理；丙酮擦洗；涂胶处理；粘贴；压力保持。上述工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，通过结构胶粘剂将碳纤维增强复合材料板与待加固区域粘结，粘结界面最大应力的准确计算，大大减轻了加固区域的重量的增加，同时通过结构胶粘剂厚度采用直径相同的小球珠进行控制，使得结构胶粘剂的厚度控制更加简单方便，因此避免了传统工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题。

Description

一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法

技术领域

本发明涉及钢结构建筑技术领域，尤其涉及一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法。

背景技术

钢结构建筑一种新型的建筑体系有可通房地产业、建筑业、冶金业之间的行业界线，集合成为一个新的产业体系，这就是业内人士普遍看好的钢结构建筑体系。钢结构建筑相比传统的混凝土建筑而言，用钢板或型钢替代了钢筋混凝土，强度更高，抗震性更好。并且由于构件可以工厂化制作，现场安装。因而大大减少工期，由于钢材的可重复利用，可以大大减少建筑垃圾，更加绿色环保。因而被世界各国广泛采用，应用在工业建筑和民用建筑中。

目前钢结构建筑在高层建筑上的运用日益成熟，逐渐成为主流的建筑工艺，是未来建筑的发展方向。而在钢结构建设中工字钢梁的应用也比较广泛。

在役的工字钢梁构件，受高温、高湿、高压等因素，特别是在疲劳荷载作用下，工字钢梁翼缘受拉力位置容易产生裂缝，很多未达到设计使用年限就丧失服务能力，从而影响到结构使用和安全。这些不符合要求的结构急需要通过有效的加固措施来提高其承载力，恢复服务能力。

传统的工字钢梁翼缘带裂缝加固方法是通过将钢盖板或者型钢焊接或者粘结到在役工字钢梁的翼缘带的裂缝部位修复承载力，但是这种方法也存在许多缺陷，比如粘钢加固后增加了工字钢梁的自重，耐腐蚀性较差，且由于对结构胶粘剂厚度的控制采用压力控制，操作繁琐不易控制，并且施工过程中往往需借助大型机械设备，浪费时间、人力及物力。

综上所述，如何解决传统工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，以避免工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，该方法包括：

制作标示，在待加固工字钢梁的翼缘带的界面上标示出待加固区域；

裁制碳纤维增强复合材料板，根据所述待加固区域的尺寸裁制相应尺寸的碳纤维增强复合材料板；

喷砂处理，对所述待加固区域的表面进行喷砂处理获得第一喷砂表面，对所述碳纤维增强复合材料板的表面进行喷砂处理获得第二喷砂表面；

丙酮擦洗，用丙酮溶液擦洗经所述第一喷砂表面和第二喷砂表面；

涂胶处理，在所述第一喷砂表面和/或所述第二喷砂表面涂制结构胶粘剂，且所述结构胶粘剂内具有多个直径相同的小球珠；

粘贴，经所述涂胶处理后，将所述第二喷砂表面粘贴至所述第一喷砂表面上，并对所述碳纤维增强复合材料板施加压力，使得所述结构胶粘剂的胶层的厚度等于小球珠的直径，所述碳纤维增强复合材料板的厚度和宽度的选取原则为加固后粘结界面最大主应力不大于结构胶粘剂的抗拉强度，具体粘结界面最大主应力计算公式采用：

${\mathrm{\σ}}_{1\max }=-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}\right)}^2+{{\mathrm{\τ}}_{\max }}^2},$

其中，

压力保持，对所述碳纤维增强复合材料板施加压力保持的时间不小于72小时。

优选地，所述小球珠为玻璃球。

优选地，所述玻璃球相对结构胶粘剂的掺入量为质量的1％。

优选地，所述小球珠的直径范围为1-2mm。

优选地，所述结构胶粘剂采用AB型改性环氧树脂胶粘剂，弹性模量≥2.5GPa，抗拉强度≥25MPa。

优选地，所述碳纤维增强复合材料板的弹性模量≥130GPa，抗拉强度≥2000MPa。

优选地，对所述待加固区域的表面进行喷砂处理采用60目金刚砂；对所述碳纤维增强复合材料板的表面进行喷砂处理采用240目白刚玉。

优选地，所述压力保持的时间为72小时。

相比于背景技术中所介绍的内容，上述工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，通过结构胶粘剂将碳纤维增强复合材料板与待加固区域粘结，有效提高损伤钢结构的承载能力，使得钢梁的承载能力恢复到正常水平；粘结界面最大应力的准确计算(即加固后粘结界面最大主应力不大于胶粘剂的抗拉强度为原则选取碳纤维增强复合材料板的厚度和宽度，可以准确计算出碳纤维增强复合材料板的尺寸)，保证加固效果，大大减轻了加固区域的重量的增加，同时通过结构胶粘剂厚度采用直径相同的小球珠进行控制，使得结构胶粘剂的厚度控制更加简单方便，另外，本方案操作简单方便，耐腐蚀，无需动用大型机械设备，节省时间、人力及物力。因此避免了传统工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的工字钢梁翼缘带裂缝加固方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的工字钢梁翼缘带裂缝加固示意图；

图3为本发明实施例提供的工字钢梁翼缘带裂缝加固截面示意图；

图4为本发明实施例提供的裂缝的局部示意图。

上图1中，制作标示100、裁制碳纤维增强复合材料板200、喷砂处理300、丙酮擦洗400、涂胶处理500、粘贴600、压力保持700；

上图2-4中，

工字钢梁1、裂缝2、结构胶黏剂3、碳纤维增强复合材料4、加劲肋5。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，以避免工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，该方法包括：

制作标示100，在待加固工字钢梁1的翼缘带的界面上标示出待加固区域；

裁制碳纤维增强复合材料板200，根据待加固区域的尺寸裁制相应尺寸的碳纤维增强复合材料板4；

喷砂处理300，对待加固区域的表面进行喷砂处理获得第一喷砂表面，对碳纤维增强复合材料板4的表面进行喷砂处理获得第二喷砂表面(通过喷砂处理以清除其表面杂质，并增加其表面的粗糙度。)；

丙酮擦洗400，用丙酮溶液擦洗经第一喷砂表面和第二喷砂表面；

涂胶处理500，在第一喷砂表面和/或第二喷砂表面涂制结构胶粘剂3，且结构胶粘剂3内具有多个直径相同的小球珠；

粘贴600，经涂胶处理后，将第二喷砂表面粘贴至第一喷砂表面上，并对碳纤维增强复合材料板4施加压力，使得结构胶粘剂的胶层的厚度等于小球珠的直径，所述碳纤维增强复合材料板的厚度和宽度的选取原则为加固后粘结界面最大主应力不大于结构胶粘剂的抗拉强度，具体粘结界面最大主应力计算公式采用：

${\mathrm{\σ}}_{1\max }=-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}\right)}^2+{{\mathrm{\τ}}_{\max }}^2},$

其中，

其中，σ_1max代表缺陷处最大界面主应力，σ_max代表缺陷处最大正应力，τ_max代表缺陷处最大剪应力；

$\mathrm{\β}=\sqrt[4]{\frac{f_4}{4f_3}},f_3=\frac{t_a}{E_{a}b},f_4=\frac{1}{E_f{I}_f}+\frac{1}{E_s{I}_s},$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{f_2}{f_1}},f_1=\frac{t_a}{Gb},f_2=\frac{(Z_s+Z_f)Z_s}{E_s{I}_s}+\frac{1}{E_s{A}_s}+\frac{1}{E_f{A}_f},$

$c=\frac{{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{sf}}^{\′}}{{f_2}^{\′}}-\frac{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{sf}}{f_2},{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{sf}}^{\′}=\frac{M_{1}y}{E_s{I_s}^{\′}},{f_2}^{\′}=\frac{y^2}{E_s{I_s}^{\′}}+\frac{1}{E_s{A_s}^{\′}}+\frac{1}{E_f{A}_f},\mathrm{\γ}={Z_s}^{\′}+a+t_a+Z_f,$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_{sf}=\frac{M_1{Z}_s}{E_s{I}_s},$

其中，M₁为外荷载在缺陷处作用产生的弯矩，V(0)为外荷载在缺陷处引起的剪力，t_a为胶层厚度，E_a为胶层的弹性模量，b为CFRP板(碳纤维增强复合材料板)的宽度，E_f为CFRP板的弹性模量，I_f为CFRP板的惯性矩，E_s为钢梁的弹性模量，I_s为钢梁的惯性矩，G为钢梁的剪切模量，Z_s为钢梁中性轴到梁底面的距离，Z_f为CFRP板的中性轴到板顶面的距离，A_s为钢梁的横截面积，A_f为CFRP板的横截面积，t_f为CFRP板厚度，裂纹处钢梁截面面积为A_s'、裂纹处钢梁惯性矩为I_s'、中和轴到裂纹顶部的距离为Z_s'、钢梁裂纹高度为a。

压力保持700，对碳纤维增强复合材料板4施加压力保持的时间不小于72小时。

相比于背景技术中所介绍的内容，上述工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，通过结构胶粘剂将碳纤维增强复合材料板与待加固区域粘结，有效提高损伤钢结构的承载能力，使得钢梁的承载能力恢复到正常水平；粘结界面最大应力的准确计算(即加固后粘结界面最大主应力不大于胶粘剂的抗拉强度为原则选取碳纤维增强复合材料板的厚度和宽度，可以准确计算出碳纤维增强复合材料板的尺寸)，保证加固效果，大大减轻了加固区域的重量的增加，同时通过结构胶粘剂厚度采用直径相同的小球珠进行控制，使得结构胶粘剂的厚度控制更加简单方便，另外，本方案操作简单方便，耐腐蚀，无需动用大型机械设备，节省时间、人力及物力。因此避免了传统工字钢梁翼缘带裂缝加固存在缺陷的问题。

进一步的技术方案中，上述小球珠为玻璃球，当然可以理解的是上述小球珠还可以是其他材质的小球珠，比如小钢珠等等，只不过本发明实施例优选采用上述玻璃珠而已。

进一步地，上述玻璃球相对结构胶粘剂3的掺入量为质量的1％。当然可以理解的是上述掺入量还可以是其他数值，只不过本发明实施例优选采用上述1％而已。

进一步地，上述小球珠的直径范围为1-2mm。可以理解的是上述小球珠的直径还可以是其他数值，只不过本发明实施例优选采用上述数值范围而已。

进一步地，上述结构胶粘剂3采用AB型改性环氧树脂胶粘剂，弹性模量≥2.5GPa，抗拉强度≥25MPa。当然可以理解的是，上述结构胶粘剂还可以是本领域技术人员常用的其他胶粘剂，只不过本发明实施例优选采用上述弹性模量和抗拉强度的AB型改性环氧树脂胶粘剂而已。

进一步地，上述碳纤维增强复合材料板4的弹性模量≥130GPa，抗拉强度≥2000MPa。需要说明的是，上述碳纤维增强复合材料板对应的弹性模量和抗拉强度仅仅是本发明实施例优选的数值范围而已，还可以是其他数值范围，只不过本发明实施例优选采用上述数值范围而已。

进一步地，对上述待加固区域的表面进行喷砂处理采用60目金刚砂；对上述碳纤维增强复合材料板4的表面进行喷砂处理采用240目白刚玉。当然可以理解的是上述喷砂处理采用的材料还可以是本领域技术人员常用的其他材料。

进一步地，上述压力保持的时间为72小时。当然可以理解的是，还可以是大于72小时的其他任何时间，只不过本发明实施例优选采用上述72小时而已。

为了本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体的应用场景进行举例说明：

比如钢梁采用国标12号工字钢，长度为1200mm，翼缘宽度为74mm，腹板厚度为5mm，跨中初始缺陷长度为14.4mm。通过界面最大主应力计算公式确定碳纤维增强复合材料板的长度为400mm，厚度为1.4mm，宽度为74mm。结构胶粘剂采用结构加固用AB型改性环氧树脂胶粘剂，弹性模量为11.2GPa，抗拉强度25.5MPa，结构胶粘剂的厚度为1mm，通过在胶粘剂中掺入1％质量的同尺寸直径的小玻璃珠来控制。为防止加载过程中由于翼缘屈曲而导致钢梁过早破坏，在距跨中缺陷100mm处的腹板两侧焊接4块10mm厚的加劲肋5。

用马克笔在待加固钢梁的翼缘带的界面上标出待加固区域，将钢梁待加固表面以及碳纤维增强复合材料板4进行喷砂处理，以清除其表面杂质，并增加其表面的粗糙度。用丙酮溶液擦洗待加固钢梁喷砂表面及碳纤维增强复合材料板喷砂表面，保持粘贴界面水平，通过在结构胶粘剂中掺入1％质量的同尺寸直径的小玻璃珠来控制胶层厚度，将结构胶粘剂居中摊铺在碳纤维增强复合材料板表面，然后将碳纤维增强复合材料板粘贴到钢梁带裂缝2翼缘的外表面，通过施加表面压力，挤出多余胶粘剂，使得胶层厚度等于掺入小玻璃珠的直径，加固完成保持表面压力72小时。

采用SDS500电液伺服动静万能试验机进行四点弯曲加载，试验结果显示，采用碳纤维增强复合材料板加固的受到拉力的翼缘带裂缝工字型钢梁的承载能力可恢复到正常水平，加固效果显著。

以上对本发明所提供的工字钢梁翼缘带裂缝加固方法进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种工字钢梁翼缘带裂缝加固方法，其特征在于，该方法包括：

制作标示(100)，在待加固工字钢梁(1)的翼缘带的界面上标示出待加固区域；

裁制碳纤维增强复合材料板(200)，根据所述待加固区域的尺寸裁制相应尺寸的碳纤维增强复合材料板(4)；

喷砂处理(300)，对所述待加固区域的表面进行喷砂处理获得第一喷砂表面，对所述碳纤维增强复合材料板(4)的表面进行喷砂处理获得第二喷砂表面；

丙酮擦洗(400)，用丙酮溶液擦洗经所述第一喷砂表面和第二喷砂表面；

涂胶处理(500)，在所述第一喷砂表面和/或所述第二喷砂表面涂制结构胶粘剂(3)，且所述结构胶粘剂内具有多个直径相同的小球珠；

粘贴(600)，经所述涂胶处理后，将所述第二喷砂表面粘贴至所述第一喷砂表面上，并对所述碳纤维增强复合材料板(4)施加压力，使得所述结构胶粘剂的胶层的厚度等于小球珠的直径，所述碳纤维增强复合材料板的厚度和宽度的选取原则为加固后粘结界面最大主应力不大于结构胶粘剂的抗拉强度，具体粘结界面最大主应力计算公式采用：

${\mathrm{\σ}}_{1\max }=-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{2}\right)}^2+{{\mathrm{\τ}}_{\max }}^2},$

其中，

压力保持(700)，对所述碳纤维增强复合材料板(4)施加压力保持的时间不小于72小时。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小球珠为玻璃球。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃球相对结构胶粘剂(3)的掺入量为质量的1％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小球珠的直径范围为1-2mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构胶粘剂(3)采用AB型改性环氧树脂胶粘剂，弹性模量≥2.5GPa，抗拉强度≥25MPa。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料板(4)的弹性模量≥130GPa，抗拉强度≥2000MPa。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述待加固区域的表面进行喷砂处理采用60目金刚砂；所述对所述碳纤维增强复合材料板(4)的表面进行喷砂处理采用240目白刚玉。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力保持的时间为72小时。