CN106894646A - 一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置 - Google Patents

一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置，在钢牛腿的上翼缘板和钢柱的翼缘板之间利用粘钢胶粘结有L型钢板，其中上翼缘板的上表面和钢柱的翼缘板之间设有一块L型钢板，上翼缘板的下表面和钢柱的翼缘板之间设有关于钢牛腿的腹板对称并与其紧邻设置的两块L型钢板；在竖向加劲肋与上翼缘板之间利用粘钢胶粘结有分别关于竖向加劲肋和钢牛腿的腹板对称设置四块L型钢板。通过在钢牛腿和钢柱的连接位置处设置L型钢板，能够起到降低焊缝处水平应力的作用；在钢牛腿上与吊车梁对应的位置处设置L型钢板并在钢牛腿的上表面上铺设含橡胶颗粒的沥青混凝土板，能够在钢吊车梁和钢牛腿之间形成缓冲作用层，从而提高其抗损伤性能。

Description

一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置
技术领域
本发明涉及一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置，适用于钢结构工业厂房的技术领域。
背景技术
钢牛腿柱是工业厂房建筑中一个非常重要的结构构件,具有施工方法简单、工期短、理论计算可靠、截面小承载力高等优点，其作为传力构件常用于建构(筑)物的连接部位，在大跨度空间结构体系中起着重要作用。在钢结构的工业厂房建筑物中，牛腿与立柱连接，吊车梁置于牛腿上。在吊车梁的上部设有轨道，供吊车行进使用。
如图1和2所示，显示了现有技术中典型的钢牛腿柱的结构装配图，包括钢柱10和钢牛腿20。钢柱10为通长无截断的工字钢，在钢柱10和钢牛腿20的连接节点处设有上加劲板11和下加劲板12。上加劲板11和下加劲板12各两块，分别设置在钢柱10的腹板两侧。位于腹板同侧的上加劲板11和下加劲板12之间设有与钢柱10的腹板平行的竖向加强板13和沿对角线分布的斜撑板14。斜撑板14紧邻竖向加强板13设置。
钢牛腿20包括上翼缘板21、下翼缘板22、腹板23和竖向加劲肋24，上翼缘板21与上加劲板11齐平设置，下翼缘板22倾斜设置，其与上翼缘板21之间形成的锐角为30-45°。竖向加劲肋24垂直于上翼缘板21设置。在相邻的两个牛腿柱上设置有吊车梁30，吊车梁30直接放置在与竖向加劲肋24对应的位置。钢柱10和钢牛腿20之间的连接通过将上翼缘板21、下翼缘板22和腹板23焊接到钢柱10的翼缘板上实现。图1中的A-A面为沿上翼缘板21和上加劲板11的平面。
现有技术中的上述牛腿柱在应用过程中会经常发生疲劳破坏的现象，疲劳裂纹通常出现在上翼缘板21与钢柱10的翼缘板的焊接位置。另外，竖向加劲肋24与上翼缘板21的焊接位置也经常会出现损伤裂纹。由于使用过程中，上翼缘板21与钢柱10的翼缘板的焊接位置处于受拉状态，焊缝容易发生疲劳损伤。而竖向加劲肋24与上翼缘板21的焊接位置由于吊车梁30的负荷也比较容易发生损伤。实践表明损坏的牛腿柱中，80-90％是由于疲劳失效，而非强度失效。由此可见，疲劳问题是钢结构工业厂房中存在的最大问题，然而现有技术中的钢结构抗疲劳加固装置如焊接、螺栓连接均存在一定的局限性，例如焊接会导致焊缝缺陷和残余应力、容易产生新的疲劳裂纹源、施工难度大、质量难以保证等，螺栓连接需要在原结构上开孔从而削弱截面、容易发生应力集中、受限于作业空间、容易应力松弛等。如何对现有技术中的上述结构进行抗疲劳加固成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的上述缺陷，提出了一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置，钢牛腿柱包括钢柱和钢牛腿，在钢柱和钢牛腿的连接节点处设有上加劲板和下加劲板，上加劲板和下加劲板各两块，分别设置在钢柱的腹板两侧；位于腹板同侧的上加劲板和下加劲板之间设有与钢柱的腹板平行的竖向加强板和沿对角线分布的斜撑板，斜撑板紧邻竖向加强板设置；
钢牛腿包括上翼缘板、下翼缘板、腹板和竖向加劲肋，上翼缘板与上加劲板齐平设置，下翼缘板倾斜设置，下翼缘板与上翼缘板之间形成的锐角为30-45°，竖向加劲肋垂直于上翼缘板设置，上翼缘板、下翼缘板和腹板焊接到钢柱的翼缘板上；
在钢牛腿的上翼缘板和钢柱的翼缘板之间利用粘钢胶粘结有第一类L型钢板，其中上翼缘板的上表面和钢柱的翼缘板之间设有一块第一类L型钢板，上翼缘板的下表面和钢柱的翼缘板之间设有关于钢牛腿的腹板对称并与其紧邻设置的两块第一类L型钢板；
在竖向加劲肋与上翼缘板之间利用粘钢胶粘结有分别关于竖向加劲肋和钢牛腿的腹板对称设置的四块第二类L型钢板。
优选地，设置在上翼缘板的上表面和钢柱的翼缘板之间的第一类L型钢板的宽度与上翼缘板的宽度相等，与钢柱的翼缘板粘结的第一类L型钢板的分肢、与上翼缘板粘结的第一类L型钢板的分肢、以及上翼缘板的长度之比为1.5:1:5。
优选地，粘钢胶由A组分和B组分按照质量比为3.8:1混合均匀制成，其中的A组分由双酚A型环氧树脂45份、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷12份、液体丙烯酸酯橡胶10份、环氧丙烷丁基醚3份组成；B组分由芳香胺与脂环胺复合改性固化剂25份、碳化硅粉末13份、气相二氧化硅触变剂17份、聚酰胺28份、膨润土4份组成；
将L型角钢粘贴到钢牛腿柱的施工过程包括以下步骤：
(1)对待粘贴的部位进行清扫和打磨，以去除表面杂质；
(2)将上述A组分放入反应釜中混合均匀后加热至80℃，将混合均匀后的B组分加入反应釜中并充分搅拌，然后加热至125℃使各组分充分反应后冷却至62℃制成粘钢胶备用；
(3)在待粘贴位置处涂刷一层界面剂，然后将温度在62℃的粘钢胶涂抹在待粘贴位置处，使用量为5.6千克/平米；
(4)等待30-50秒，将L型角钢粘贴到吊车梁上翼缘和腹板，并在2MPa的压力下保持至少半小时；
(5)撤去压力后静置24小时，使得粘钢胶充分固化。
优选地，在钢牛腿的上翼缘板上、与竖向加劲肋对应的位置设有含橡胶颗粒的预制沥青混凝土板。优选地，预制沥青混凝土板采用石油沥青、双酚A型环氧树脂和水泥作为主粘结材料，由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、粒径在1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径在3-5mm的碎石子、细度为50-60目的碳化硅粉末、水泥、长度为13-25mm的碳纤维、粉煤灰组成，制备时分别制备第一组分和第二组分，第一组分和第二组分的质量比为1：1.6，其中：
第一组分由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、γ-氨丙基三甲氧基硅烷按照质量比为1：0.6：0.15：0.08：0.05组成；
第二组分由粒径为1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径为3-5mm的碎石子、碳化硅粉末、水泥、碳纤维、粉煤灰按照质量比为1：1：0.3：0.15：0.1：0.26组成；
所述预制沥青混凝土板的制备过程如下：
(1)在反应釜中将石油沥青和双酚A型环氧树脂混合加热至135℃，然后间隔35-40秒依次加入甲基丙烯酸缩水甘油酯增韧剂、γ-氨丙基三甲氧基硅烷和聚酰胺固化剂，充分搅拌后加热至150℃，制得第一组分备用；
(2)将第二组分中的各组分按照对应的质量比混合均匀；
(3)将第一组分加热至160℃后，放入第二组分，并混合搅拌均匀后再次加热至160℃，将沥青混凝土浇筑在制板模具中，沥青混凝土的浇筑温度为152-155℃，浇筑后振捣压实；
(4)自然冷却、干燥后从制板模具中取出。
采用本发明的抗疲劳加固装置，能够显著提高现有技术中钢牛腿柱的抗疲劳性能。首先，通过在钢牛腿和钢柱的连接位置处设置L型钢板，能够起到降低焊缝处水平应力的作用，从而降低焊缝的应力水平，提高其抗疲劳性能。其次，在钢牛腿上与吊车梁对应的位置处设置L型钢板并在钢牛腿的上表面上铺设含橡胶颗粒的沥青混凝土板，能够在钢吊车梁和钢牛腿之间形成缓冲作用层，从而提高其抗损伤性能。
附图说明
图1显示了现有技术中钢牛腿柱的结构装配图。
图2显示了图1中的A-A面剖视图。
图3显示了钢牛腿和钢柱之间的抗疲劳加固装置的示意图。
图4显示了竖向加劲肋处的加固装置的示意图。
图5显示了竖向加劲肋处的加固装置的优选实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图3-4所示，根据本发明的钢牛腿柱的抗疲劳加固装置，在如图1-2所示的现有钢牛腿柱结构的基础上进行的加固措施至少包括以下两个方面：
(1)在钢牛腿20的上翼缘板21和钢柱10的翼缘板之间利用粘钢胶粘结有L型钢板，其中上翼缘板21的上表面和钢柱10的翼缘板之间设有一块L型钢板26，上翼缘板21的下表面和钢柱10的翼缘板之间设有关于钢牛腿20的腹板23对称并与其紧邻设置的两块L型钢板25。在正常工作状态下，上翼缘板21与钢柱10的翼缘板之间的焊缝承受拉应力，此时一部分的拉应力由L型钢板25、26与钢柱10的翼缘板之间粘钢胶的粘接力承受，降低了焊缝处的应力水平，从而提高了抗疲劳性能。本申请中的L型钢板25和L型钢板26具有相同的结构。
(2)在竖向加劲肋24与上翼缘板21之间利用粘钢胶粘结有四块L型钢板27，L型钢板27分别关于竖向加劲肋24、钢牛腿20的腹板23对称设置。通过四块L型钢板27的设置，能够有效增加结构的承载强度，减少竖向加劲肋24与上翼缘板21之间产生损伤的可能性。
本发明采用的粘钢胶是A、B双组分的双酚A型改性环氧树脂结构胶，具有超强粘接力、剪切力强、抗老化、抗冲击性能强，常温固化、硬化过程收缩小，可在较宽温度范围内施工。
粘钢胶由A组分和B组分按照质量比为3.8:1混合均匀制成，其中的A组分由双酚A型环氧树脂45份(质量份数，下同)、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷12份、液体丙烯酸酯橡胶10份、环氧丙烷丁基醚3份组成；B组分由芳香胺与脂环胺复合改性固化剂25份、碳化硅粉末13份、气相二氧化硅触变剂17份、聚酰胺28份、膨润土4份组成。粘钢胶在施工现场制作，这样可以充分利用胶的粘结特性，使其在最佳状态下发挥出最佳的粘结效果。
采用本申请的粘钢胶将L型角钢粘贴到钢牛腿柱的施工过程包括以下步骤：
1.对待粘贴的部位进行清扫和打磨，以去除表面杂质；
2.将上述A组分放入反应釜中混合均匀后加热至80℃，将混合均匀后的B组分加入反应釜中并充分搅拌，然后加热至125℃使各组分充分反应后冷却至62℃制成粘钢胶备用；
3.在待粘贴位置处涂刷一层界面剂，然后将温度在62℃的粘钢胶涂抹在待粘贴位置处，使用量为5.6千克/平米；
4.等待30-50秒，将L型角钢粘贴到吊车梁上翼缘和腹板，并在2MPa的压力下保持至少半小时；
5.撤去压力后静置24小时，使得粘钢胶充分固化。
在优选实施例中，L型钢板26的宽度与上翼缘板21的宽度相等，与钢柱10的翼缘板粘结的L型钢板26的分肢、与上翼缘板21粘结的L型钢板26的分肢、以及上翼缘板21的长度之比为1.5:1:5。
优选地，如图5所示，在钢牛腿20的上翼缘板21上、与竖向加劲肋24对应的位置设有含橡胶颗粒的预制沥青混凝土板28，能够在钢吊车梁和钢牛腿之间形成缓冲作用。正常作业时，钢吊车梁放置在预制沥青混凝土板上。沥青混凝土板不仅具有良好的弹性，而且还具有足够的强度，使其能够在钢吊车梁和钢牛腿柱之间形成缓冲作用。申请人针对该需求，开发了一种新型的含橡胶颗粒的沥青混凝土板。
根据本发明的预制沥青混凝土板采用石油沥青、双酚A型环氧树脂和水泥作为主粘结材料，由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、硅烷偶联剂、粒径在1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径在3-5mm的碎石子、碳化硅粉末、水泥、碳纤维、粉煤灰组成，制备时分别制备第一组分和第二组分，第一组分和第二组分的质量比为1：1.6，其中：
第一组分由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、硅烷偶联剂按照质量比为1：0.6：0.15：0.08：0.05组成；
第二组分由粒径为1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径为3-5mm的碎石子、碳化硅粉末、水泥、碳纤维、粉煤灰按照质量比为1：1：0.3：0.15：0.1：0.26组成；
根据本发明的预制沥青混凝土板的制备过程如下：
(1)在反应釜中将石油沥青和双酚A型环氧树脂混合加热至135℃，然后依次加入甲基丙烯酸缩水甘油酯增韧剂、硅烷偶联剂和聚酰胺固化剂，充分搅拌后加热至150℃，制得第一组分备用；优选地，甲基丙烯酸缩水甘油酯增韧剂、硅烷偶联剂和聚酰胺固化剂的加入时间间隔为35-40秒；
(2)将第二组分中的各组分按照对应的质量比混合均匀；
(3)将第一组分加热至160℃后，放入第二组分，并混合搅拌均匀后再次加热至160℃，将沥青混凝土浇筑在制板模具中，沥青混凝土的浇筑温度为152-155℃，浇筑后振捣压实；
(4)自然冷却干燥后从制板模具中取出。
优选地，上述硅烷偶联剂可以是γ-氨丙基三乙氧基硅、γ―氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三甲氧基硅烷中的任一种；碳化硅粉末的细度为50-60目；碳纤维的长度为13-25mm。
采用如上所述的抗疲劳加固装置，能够显著提高现有技术中钢牛腿柱的抗疲劳性能。首先，通过在钢牛腿和钢柱的连接位置处设置L型钢板，能够起到降低焊缝处水平应力的作用，从而降低焊缝的应力水平，提高其抗疲劳性能。其次，在钢牛腿上与吊车梁对应的位置处设置L型钢板并在钢牛腿的上表面上铺设含橡胶颗粒的沥青混凝土板，能够在钢吊车梁和钢牛腿之间形成缓冲作用层，从而提高其抗损伤性能。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种钢牛腿柱的抗疲劳加固装置，所述钢牛腿柱包括钢柱和钢牛腿，在所述钢柱和所述钢牛腿的连接节点处设有上加劲板和下加劲板，所述上加劲板和所述下加劲板各两块，分别设置在所述钢柱的腹板两侧；位于腹板同侧的上加劲板和下加劲板之间设有与所述钢柱的腹板平行的竖向加强板和沿对角线分布的斜撑板，所述斜撑板紧邻所述竖向加强板设置；
所述钢牛腿包括上翼缘板、下翼缘板、腹板和竖向加劲肋，所述上翼缘板与所述上加劲板齐平设置，所述下翼缘板倾斜设置，所述下翼缘板与所述上翼缘板之间形成的锐角为30-45°，所述竖向加劲肋垂直于所述上翼缘板设置，所述上翼缘板、所述下翼缘板和所述腹板焊接到所述钢柱的翼缘板上；其特征在于：
在所述钢牛腿的上翼缘板和所述钢柱的翼缘板之间利用粘钢胶粘结有第一类L型钢板，其中所述上翼缘板的上表面和所述钢柱的翼缘板之间设有一块第一类L型钢板，所述上翼缘板的下表面和所述钢柱的翼缘板之间设有关于所述钢牛腿的腹板对称并与其紧邻设置的两块第一类L型钢板；
在所述竖向加劲肋与所述上翼缘板之间利用粘钢胶粘结有分别关于所述竖向加劲肋和所述钢牛腿的腹板对称设置的四块第二类L型钢板。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳加固装置，其特征在于：设置在所述上翼缘板的上表面和所述钢柱的翼缘板之间的所述第一类L型钢板的宽度与所述上翼缘板的宽度相等，与钢柱的翼缘板粘结的所述第一类L型钢板的分肢、与所述上翼缘板粘结的所述第一类L型钢板的分肢、以及所述上翼缘板的长度之比为1.5:1:5。
3.根据权利要求1或2所述的抗疲劳加固装置，其特征在于：所述粘钢胶由A组分和B组分按照质量比为3.8:1混合均匀制成，其中的A组分由双酚A型环氧树脂45份、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷12份、液体丙烯酸酯橡胶10份、环氧丙烷丁基醚3份组成；B组分由芳香胺与脂环胺复合改性固化剂25份、碳化硅粉末13份、气相二氧化硅触变剂17份、聚酰胺28份、膨润土4份组成；
将L型角钢粘贴到钢牛腿柱的施工过程包括以下步骤：
(1)对待粘贴的部位进行清扫和打磨，以去除表面杂质；
(2)将上述A组分放入反应釜中混合均匀后加热至80℃，将混合均匀后的B组分加入反应釜中并充分搅拌，然后加热至125℃使各组分充分反应后冷却至62℃制成粘钢胶备用；
(3)在待粘贴位置处涂刷一层界面剂，然后将温度在62℃的粘钢胶涂抹在待粘贴位置处，使用量为5.6千克/平米；
(4)等待30-50秒，将L型角钢粘贴到吊车梁上翼缘和腹板，并在2MPa的压力下保持至少半小时；
(5)撤去压力后静置24小时，使得粘钢胶充分固化。
4.根据权利要求1或2或3所述的抗疲劳加固装置，其特征在于：在所述钢牛腿的上翼缘板上、与所述竖向加劲肋对应的位置设有含橡胶颗粒的预制沥青混凝土板。
5.根据权利要求4所述的抗疲劳加固装置，其特征在于：所述预制沥青混凝土板采用石油沥青、双酚A型环氧树脂和水泥作为主粘结材料，由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、粒径在1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径在3-5mm的碎石子、细度为50-60目的碳化硅粉末、水泥、长度为13-25mm的碳纤维、粉煤灰组成，制备时分别制备第一组分和第二组分，第一组分和第二组分的质量比为1：1.6，其中：
第一组分由石油沥青、双酚A型环氧树脂、聚酰胺固化剂、甲基丙烯酸缩水甘油酯、γ-氨丙基三甲氧基硅烷按照质量比为1：0.6：0.15：0.08：0.05组成；
第二组分由粒径为1-2.5mm的丁苯橡胶颗粒、粒径为3-5mm的碎石子、碳化硅粉末、水泥、碳纤维、粉煤灰按照质量比为1：1：0.3：0.15：0.1：0.26组成；
所述预制沥青混凝土板的制备过程如下：
(1)在反应釜中将石油沥青和双酚A型环氧树脂混合加热至135℃，然后间隔35-40秒依次加入甲基丙烯酸缩水甘油酯增韧剂、γ-氨丙基三甲氧基硅烷和聚酰胺固化剂，充分搅拌后加热至150℃，制得第一组分备用；
(2)将第二组分中的各组分按照对应的质量比混合均匀；
(3)将第一组分加热至160℃后，放入第二组分，并混合搅拌均匀后再次加热至160℃，将沥青混凝土浇筑在制板模具中，沥青混凝土的浇筑温度为152-155℃，浇筑后振捣压实；
(4)自然冷却、干燥后从制板模具中取出。
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