CN112178352A - 一种复杂空间钢管结构的修复补强结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂空间钢管结构的碳纤维修复补强技术，包括钢管节点主管与两根与其斜交的钢管节点支管，节点钢管外部通过胶黏剂包裹有碳纤维增强复合材料，钢管节点主管外通过胶黏剂包裹有若干层纤维方向不同的主管碳纤维布，每根钢管节点支管外均包裹有若干层纤维方向不同的支管碳纤维布，每层支管碳纤维布均包括条形支管碳纤维布与矩形支管碳纤维布，支管碳纤维布与主管碳纤维布外部均设置有碳纤维材质条，支管碳纤维布与主管碳纤维布外部还设置有若干锚固压条。本发明是针对现有技术所存在的不足，提供一种设计合理，结构简单，安全可靠的复杂空间钢管结构修复补强技术。

Description

一种复杂空间钢管结构的修复补强结构

结构领域

本发明涉及一种复杂空间钢管结构的修复补强结构。

背景结构

在各类钢管结构设备、设施及建筑包括油气输送管道、海上平台导管架和陆上钢管结构等，钢管节点其中非常重要的部位，大量现场事故表明钢管结构往往会在节点部位发生破坏，其受力状况远比梁柱构件复杂，在地震作用下，其承受的水平剪力一般为柱剪力的4-6倍，一旦破坏将可能导致整个结构倒塌破坏，故有必要针对部分现役结构的管节点部位进行维修或加固；由于新建工程耗资巨大，且需加固部位不易全部推翻重建，因此寻求经济高效的钢管结构加固修复技术既是亟待解决的技术问题,又是一个关系到国民经济持续发展的社会问题。

现有钢管相贯节点的加固方法主要有主管上加套管、加垫板、加环口板、主管加劲环加固、节点板及肋板加固等。这些加固方式不仅加工要求较高，易锈蚀，增加原结构的自重，且现有的加固节点存在没有对节点核心区形成有效锚固，同时也给结构带来了一些新的问题，如套管、垫板和环口板外观不美观；加劲环施工难度太大；节点板及肋板会影响建筑使用空间，采用肋板加固的计算结果并不理想,肋板的利用率不高；由于焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底，危害颇大。

而碳纤维复合材料修复钢质管道结构是二十世纪九十年代发展起来的一种结构修复补强技术，该项技术在国际上深受重视已广泛用于化工厂、民用建筑、桥梁等特种结构，成为钢质管道结构修复补强的发展趋势；随着复合材料补强技术的不断应用这一技术已逐渐趋于成熟并逐渐开始大范围使用；碳纤维加固适用于管体缺陷程度在80％壁厚以下的金属腐蚀、裂纹、碳弧烧伤、夹渣或分层、不会继续发展的内腐蚀缺陷、凹坑以及螺旋焊缝管体缺陷的修复，通过配套粘结材料将碳纤维布粘贴于构件表面，使碳纤维片材承受拉力，并与混凝土变形协调，共同受力，纤维布具有强度高、重量轻、耐腐蚀和抗疲劳等优异物理学性能,以及良好的粘合性和广泛的适用性，用碳纤维布取代钢板加固混凝土结构近几年已形成一种趋势。

但现有的碳纤维布加固钢管节点结构为相同形状的碳纤维布缠绕于钢管节点处，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碳纤维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

为了解决现有结构的不足，本发明提供了一种设计合理，结构简单，安全可靠的复杂空间钢管结构的修复补强结构。

本发明解决其结构问题所采用的结构方案是：本发明提供了一种复杂空间钢管结构的修复补强结构，包括钢管节点主管与三根钢管节点支管，三根所述钢管节点支管分别与所述钢管节点主管斜交且均为柱型管，所述钢管节点支管包括两根第一钢管节点支管，所述第一钢管节点支管与所述钢管节点主管形成K型管，其余一根所述钢管节点支管为第二钢管节点支管，所述第二钢管节点支管与所述钢管节点主管形成Y型管，且所述第二钢管节点支管根部正投影位于两根所述第一钢管节点支管之间；

所述钢管节点主管与所述钢管节点支管外部设置有若干层碳纤维增强复合材料，所述碳纤维增强复合材料包括若干层包裹于所述钢管节点主管外壁的主管碳纤维布；

所述碳纤维增强复合材料还包括若干层包裹于所述钢管节点支管外壁的支管碳纤维布，每层所述支管碳纤维布均包括第一支管碳纤维布、第二支管碳纤维布与第三支管碳纤维布；

所述第一支管碳纤维布为条形布，每层所述第一支管碳纤维布均设置有三块，分别位于相邻两根所述钢管节点支管相对的一侧壁与两根支管之间的所述钢管节点主管的侧壁上；

所述第二支管碳纤维布包括矩形支管碳纤维布与梯形支管碳纤维布，所述矩形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管外壁与所述第一支管碳纤维布外部，所述梯形支管碳纤维布分别包裹于两根所述第一钢管节点支管外壁与所述第一支管碳纤维布外部；

所述第三支管碳纤维布为条形碳纤维布，包裹于所述第二支管碳纤维布的外部；

所述支管碳纤维布与所述主管碳纤维布外部均设置有碳纤维材质条；

所述主管碳纤维布最外层两端外与所述钢管节点主管外壁相连处设置有若干层锚固压条，所述支管碳纤维布最外层端部与每根所述钢管节点支管外壁相连处也设置有若干层所述锚固压条。

所述第一支管碳纤维布的宽度小于所述钢管节点支管的直径；

每根所述第一钢管节点支管的每层所述第二支管碳纤维布均包括两块所述梯形支管碳纤维布，两块所述梯形支管碳纤维布的顶边与左右两边垂直，底边为倾斜边，其中一块所述梯形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管的外管壁一侧，另一块所述梯形支管碳纤维布位于所述第二钢管节点支管外管壁的另一侧，两块所述梯形支管碳纤维布的顶边平行相对且有重叠部分，其底边平行相对有重叠部分，两块所述梯形支管碳纤维布的倾斜边均位于所述第一钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处；

每根所述第二钢管节点支管的每层所述第二支管碳纤维布均包括两块所述矩形支管碳纤维布，其中一块所述矩形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管的外管壁一侧，另一块所述矩形支管碳纤维布位于所述第二钢管节点支管外管壁的另一侧，两块所述矩形支管碳纤维布的顶边与底边均重合且位于所述第二钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处，两块所述矩形支管碳纤维布连接处均有重叠部分；

所述第三支管碳纤维布长度不小于所述钢管节点支管的周长，所述第三支管碳纤维布的两个侧边搭接，使所述第三支管碳纤维布裹成筒状时其侧壁有重叠部分，所述第三支管碳纤维布的一长边位于所述钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处。

所述主管碳纤维布设置有不小于六层，且纤维方向不同，所述主管碳纤维布的纤维方向为相对所述主管碳纤维布的底边形成的角度，首层粘贴0°或者90°纤维方向的所述主管碳纤维布，45°和-45°纤维方向的所述主管碳纤维布粘贴于0°和90°纤维方向的所述主管碳纤维布之间，例如[0°/45°/90°]，45°和-45°铺设层数之和可以是奇数，0°和90°铺设层数之和建议是偶数；

45°和-45°对节点的受力明显区别，首先确保增加0°和90°层数足够，否则可相对减少45°和-45°粘贴层数；

为了施工方便，亦可采用相同角度的所述主管碳纤维布双层粘贴，例如由内至外分别为0°/0°/45°/-45°/90°/90°与0°/45°/90°/0°/-45°/90°，对强度影响不大；

在实际施工环境中，主管的径厚比

在12～21之间建议粘贴所述主管碳纤维布层数不超过15层，不小于6层；

当粘贴层数超过6层时，有以下几种情况：

(1)粘贴8层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/90°]，

例如：

[0°/0°/0°/45°/-45°/90°/90°/90°]

[0°/0°/45°/90°/-45°/0°/90°/90°]；

(2)粘贴10层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/45°/90°]，

例如：

[0°/0°/0°/45°/-45°/45°/90°/90°/90°]

(3)粘贴11层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]，

例如：

[0°/0°/0°/45°/-45°/90°/90°/90°/0°/90°]

[0°/0°/0°/0°/45°/-45°/90°/90°/90°/90°]

(4)粘贴12层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/45°/90°]+[0°/90°]

(5)粘贴10层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：

[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]

[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/0°/0°/90°/90°/90°]

(6)粘贴13层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]+[0°/45°/90°]

(7)粘贴14层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]

[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/45°/90°]+[0°/45°/90°]+[0°/90°]

(8)粘贴15层所述主管碳纤维布时，粘贴纤维方向为：[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/90°]+[0°/90°]+[0°/45°/90°]+[0°/90°]

[0°/0°/45°/-45°/90°/90°]+[0°/0°/0°/90°/90°/90°]+[0°/45°/90°]；

所述支管碳纤维布也设置有不少于六层，且纤维方向不同，由内至外相对所述支管碳纤维布的底边依次为0°、90°、0°、90°、0°、90°；

所述切口的方向与所述主管碳纤维布的纤维方向相同。

所述主管碳纤维材质条相较所述钢管节点主管缠绕方向为0°；

所述支管碳纤维材质条相较所述钢管节点支管缠绕方向为0°。

所述锚固压条均设置有三层，且每层所述锚固压条的长度不小于所述锚固压条缠绕的对应管件周长的三倍。

所述钢管节点主管与所述主管碳纤维布之间通过胶黏剂相连，每层所述主管碳纤维布之间均通过胶黏剂相连；

所述钢管节点支管与所述支管碳纤维布之间通过胶黏剂相连，每层所述支管碳纤维布之间均通过胶黏剂相连。

优选为：每层所述主管碳纤维布均为矩形布，且在所述矩形布的一边设置有一凸字型切口，所述切口与所述钢管节点支管根部配合；

所述主管碳纤维布设置有所述切口的边与其相对的边搭接，使所述主管碳纤维布裹成筒状时其侧壁形成与所述钢管节点支管配合的凸字型孔；

所述主管碳纤维布的宽度大于所述钢管节点主管的直径。

另一优选为：每层所述主管碳纤维布均包括有一块第一主管碳纤维布与一块第二主管碳纤维布，两块所述主管碳纤维布首尾相接拼合为一块矩形的所述主管碳纤维布，且每层所述主管碳纤维布中部均有凸字型的通孔；

所述主管碳纤维布的宽度不大于所述钢管节点主管的直径；

所述通孔内为三根所述钢管节点支管的根部。

所述第一主管碳纤维布与所述第二主管碳纤维布均为L型，包括：顶边、底边、长边、短边与弯折边，所述第二主管碳纤维布弯折边与顶边平行的边上设置有一矩形缺口；

所述第一主管碳纤维布的顶边与所述第二主管碳纤维布的底边重合且有部分重叠，两块所述主管碳纤维布的弯折边相对且有部分重叠，两块所述主管碳纤维布的弯折边中部90°弯折处形成所述凸字型通孔。

方法一：在粘贴碳纤维增强复合材料之前，钢管表面应进行除锈处理，使其表面光滑，根据要加固区域的情况，采用一定的工具、手段将加固区域表面的油漆、油渍、锈蚀、焊缝药皮等非本质物质清除，露出金属本色；若待加固的部位存在受外力损伤塌陷情况，需要采用底层树脂及找平材料将待加固处找平，然后再涂刷底层树脂；在粘贴碳纤维布区域涂刷浸渍树脂，粘贴保护玻璃纤维，确保层间没有气体，待底层玻璃纤维指触干燥后，进行涂刷浸渍树脂或粘贴树脂；

将主管碳纤维布涂刷浸渍树脂，然后将切口位置对准三根钢管节点支管插入，并使主管碳纤维布贴在钢管节点主管上，或在已经涂刷浸渍树脂的加固区域直接粘贴主管碳纤维布，但是都要保证浸渍树脂充分浸透碳主管纤维布，将主管碳纤维布用手轻压贴于加固位置，用手或者采用专用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，将气泡排除，注意滚压或排除气泡时不要损伤碳纤维布；继续将不同纤维方向的主管碳纤维布按照此方法粘贴至钢管节点主管外；

粘贴完主管碳纤维布后，按照纤维方向选取第一支管碳纤维布，使第一支管碳纤维布紧贴相邻两根钢管节点支管的相对管壁以及钢管节点主管的两根支管的中部；然后按照纤维方向选取矩形支管碳纤维布按照以上方法分别粘贴至第二钢管节点支管外，按照纤维方向选取梯形支管碳纤维布按照以上方法分别粘贴至两根第一钢管节点支管外，然后按照纤维方向选取第三支管碳纤维布分别粘贴至三根钢管节点支管上，按照以上方法继续将不同纤维方向的其余五层支管碳纤维布粘贴至钢管节点支管外；粘贴好后主管与支管后，在主管碳纤维布外按照相对主管0°的方向缠绕主管碳纤维材质条，在支管碳纤维布外按照相对支管的0°方向缠绕支管碳纤维材质条，缠绕好纤维丝后，在主管与三根支管的碳纤维布的两端通过锚固压条加固。

方法二：在粘贴碳纤维增强复合材料之前，钢管表面应进行除锈处理，使其表面光滑，根据要加固区域的情况，采用一定的工具、手段将加固区域表面的油漆、油渍、锈蚀、焊缝药皮等非本质物质清除，露出金属本色；若待加固的部位存在受外力损伤塌陷情况，需要采用底层树脂及找平材料将待加固处找平，然后再涂刷底层树脂；在粘贴碳纤维布区域涂刷浸渍树脂，粘贴保护玻璃纤维，确保层间没有气体，待底层玻璃纤维指触干燥后，进行涂刷浸渍树脂或粘贴树脂；

首先将第一主管碳纤维布与第二主管碳纤维布按照描述的形状拼到一起形成一层矩形的主管碳纤维布，使其中间留有一凸字型的通孔，然后将碳纤维布涂刷浸渍树脂，或在已经涂刷浸渍树脂的加固区域直接粘贴碳纤维布，但是都要保证浸渍树脂充分浸透碳纤维布，将通孔位置对准三根钢管节点支管处插入，将碳纤维布用手轻压贴于加固位置，用手或者采用专用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，将气泡排除，注意滚压或排除气泡时不要损伤碳纤维布；继续将不同纤维方向的主管碳纤维布按照此方法粘贴至钢管节点主管外，并粘贴六层。

粘贴完主管碳纤维布后，按照纤维方向选取第一支管碳纤维布，使第一支管碳纤维布紧贴相邻两根钢管节点支管的相对管壁以及钢管节点主管的两根支管的中部；然后按照纤维方向选取矩形支管碳纤维布按照以上方法分别粘贴至第二钢管节点支管外，按照纤维方向选取梯形支管碳纤维布按照以上方法分别粘贴至两根第一钢管节点支管外，然后按照纤维方向选取第三支管碳纤维布分别粘贴至三根钢管节点支管上，按照以上方法继续将不同纤维方向的其余五层支管碳纤维布粘贴至钢管节点支管外；粘贴好后主管与支管后，在主管碳纤维布外按照相对主管0°的方向缠绕主管碳纤维材质条，在支管碳纤维布外按照相对支管的0°方向缠绕支管碳纤维材质条，缠绕好纤维丝后，在主管与三根支管的碳纤维布的两端通过锚固压条加固。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单，设计合理，可加强复杂空间钢管结构的稳固性；施工方便,无需焊接,技术难度小，避免了因焊接不当引起的施工及使用过程中产生的问题，并利于在狭小空间施工，适合现场修复；选用碳纤维增强复合材料作为加固材料，是轻质，高强度，高模量，化学性能稳定的高性能纤维复合材料，且可耐高温，抗腐蚀，热力学性能优良；

通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁，可达到性能最优化，复合材料在主受力方向上有足够的纤维取向来承受荷载，其他方向有适当的载荷来承受剪切载荷或其他载荷，可提高材料的使用效率，既简化了制造程序，又降低了制造成本；

主管碳纤维布以便设置有矩形切口，可方便作业人员对其剪裁，简单方便，也可节省时间；每层主管碳纤维布还可设置为由两块L型主管碳纤维布拼合而成，方便裁剪与包裹，且中间预留一矩形通孔，可穿过支管根部的同时，也可弯曲紧贴于主管外部，难以产生气泡和空隙；

支管外部包裹的每层支管碳纤维布均由两块矩形的支管碳纤维布拼合而成，且有重叠部分，可使外部包裹的支管碳纤维布不会产生空隙，使加固结构稳固紧贴；支管与主管碳纤维布外包裹碳纤维材质条，在碳纤维布加固的基础上进一步加固节点，避免碳纤维布脱落，同时，在碳纤维布的两端通过锚固压条进行加固，也避免了复合材料粘贴不够稳定而造成脱落；

本方案不需要对原结构钻孔，不会减小构件的横截面面积，不会形成新的应力集中源，对原截面无损伤且本方案加固施工快,周期短，可以避免或减少停产时间,节约加固材料,与其它加固方法比较,碳纤维复合材料加固的费用大为节省,经济效益很高，可以大幅度的提高节点的承载力、抗疲劳性能、耐腐蚀性和耐久性；降低节点的应力集中程度，缓解裂缝的生成和发展。

附图说明

图1为本发明的铺设示意图；

图2为本发明的实施例一主管碳纤维布的示意图；

图3为本发明的实施例二主管碳纤维布的示意图；

图4为本发明的实施例二主管碳纤维布的示意图；

图5为本发明的第一支管碳纤维布的示意图；

图6为本发明实施例一与实施例二的第二支管碳纤维布的铺设示意图；

图7为本发明实施例三的矩形支管碳纤维布的铺设示意图；

图8为本发明的锚固压条的铺设示意图。

图中标记为：1、钢管节点主管；2、第一钢管节点支管；3、第二钢管节点支管；4、主管碳纤维布；401、第一主管碳纤维布；402、第二主管碳纤维布；5、支管碳纤维布；501、第一支管碳纤维布；502、第二支管碳纤维布；8、切口；9、通孔；10、矩形缺口；11、锚固压条；12、碳纤维材质条。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的结构特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一：

参见图1、图2、图5、图6、图8所示，本实施例是一种复杂空间钢管结构的修复补强结构，包括钢管节点主管1与三根钢管节点支管2，三根钢管节点支管2分别与钢管节点主管1斜交且均为柱型管，钢管节点支管2包括两根第一钢管节点支管2，第一钢管节点支管2与钢管节点主管1形成K型管，其余一根钢管节点支管2为第二钢管节点支管3，第二钢管节点支管3与钢管节点主管1形成Y型管，且第二钢管节点支管3根部正投影位于两根第一钢管节点支管2之间；

钢管节点主管1与钢管节点支管2外部设置有若干层碳纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料包括若干层包裹于钢管节点主管1外壁的主管碳纤维布4；

每层主管碳纤维布4均为矩形布，且在矩形布的一边设置有一凸字型切口8，切口8与钢管节点支管2根部配合；

主管碳纤维布4设置有切口8的边与其相对的边搭接，使主管碳纤维布4裹成筒状时其侧壁形成与钢管节点支管2配合的凸字型孔；

切口8的方向与主管碳纤维布4的纤维方向相同；

主管碳纤维布3设置有不小于6层，且纤维方向不同，主管碳纤维布3的纤维方向为相对主管碳纤维布3的底边形成的角度，首层粘贴0°或者90°纤维方向的主管碳纤维布3，45°和-45°纤维方向的主管碳纤维布3粘贴于0°和90°纤维方向的主管碳纤维布3之间；

碳纤维增强复合材料还包括若干层包裹于钢管节点支管2外壁的支管碳纤维布5，每层支管碳纤维布5均包括第一支管碳纤维布501、第二支管碳纤维布502与第三支管碳纤维布；

第一支管碳纤维布501为条形布，每层第一支管碳纤维布501均设置有三块，分别位于相邻两根钢管节点支管2相对的一侧壁与两根支管之间的钢管节点主管1的侧壁上，第一支管碳纤维布501的宽度小于钢管节点支管2的直径；

第二支管碳纤维布502包括矩形支管碳纤维布与梯形支管碳纤维布，矩形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3外壁与第一支管碳纤维布501外部，梯形支管碳纤维布分别包裹于两根第一钢管节点支管2外壁与第一支管碳纤维布501外部；

每根第一钢管节点支管2的每层第二支管碳纤维布502均包括两块梯形支管碳纤维布，两块梯形支管碳纤维布的顶边与左右两边垂直，底边为倾斜边，其中一块梯形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3的外管壁一侧，另一块梯形支管碳纤维布位于第二钢管节点支管3外管壁的另一侧，两块梯形支管碳纤维布的顶边平行相对且有重叠部分，其底边平行相对有重叠部分，两块梯形支管碳纤维布的倾斜边均位于第一钢管节点支管2与钢管节点主管1的连接处；

每根第二钢管节点支管3的每层第二支管碳纤维布502均包括两块矩形支管碳纤维布，其中一块矩形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3的外管壁一侧，另一块矩形支管碳纤维布位于第二钢管节点支管3外管壁的另一侧，两块矩形支管碳纤维布的顶边与底边均重合且位于第二钢管节点支管3与钢管节点主管1的连接处，两块矩形支管碳纤维布连接处均有重叠部分；

第三支管碳纤维布为条形碳纤维布，包裹于第二支管碳纤维布502的外部，第三支管碳纤维布长度不小于钢管节点支管2的周长，第三支管碳纤维布的两个侧边搭接，使第三支管碳纤维布裹成筒状时其侧壁有重叠部分，第三支管碳纤维布的一长边位于钢管节点支管2与钢管节点主管1的连接处；

支管碳纤维布5设置有不少于六层，且纤维方向不同，由内至外相对支管碳纤维布5的底边依次为0°、90°、0°、90°、0°、90°；

支管碳纤维布5与主管碳纤维布4外部均设置有碳纤维材质条12，主管碳纤维材质条12相较钢管节点主管1缠绕方向为0°，支管碳纤维材质条12相较钢管节点支管2缠绕方向为0°。

主管碳纤维布4最外层两端外与钢管节点主管1外壁相连处设置有若干层锚固压条11，支管碳纤维布5最外层端部与每根钢管节点支管2外壁相连处也设置有若干层锚固压条11；

锚固压条11均设置有三层，且每层锚固压条11的长度不小于锚固压条11缠绕的对应管件周长的三倍。

钢管节点主管1与主管碳纤维布4之间通过胶黏剂相连，每层主管碳纤维布4之间均通过胶黏剂相连；

钢管节点支管2与支管碳纤维布5之间通过胶黏剂相连，每层支管碳纤维布5之间均通过胶黏剂相连。

在粘贴碳纤维增强复合材料之前，钢管表面应进行除锈处理，使其表面光滑，根据要加固区域的情况，采用一定的工具、手段将加固区域表面的油漆、油渍、锈蚀、焊缝药皮等非本质物质清除，露出金属本色；若待加固的部位存在受外力损伤塌陷情况，需要采用底层树脂及找平材料将待加固处找平，然后再涂刷底层树脂；在粘贴碳纤维布区域涂刷浸渍树脂，粘贴保护玻璃纤维，确保层间没有气体，待底层玻璃纤维指触干燥后，进行涂刷浸渍树脂或粘贴树脂；

首先对钢管节点主管1区域进行主管碳纤维布4的加固，对于主管的加固按照表1中的铺设顺序对主管进行碳纤维加固。

根据仿真模拟长度Lcfrp1＝主管区域的失效长度+2×200mm。

经过有限元分析计算主管失效的位置及长度。将失效的长度两端各延伸200mm作为碳纤维加固主管的总长度即Lcfrp1＝(450+200)+2×200＝1050mm；基于主管外径，碳纤维布的宽度取850mm。

表1碳纤维加固主管的铺设顺序

将主管碳纤维布4涂刷浸渍树脂，然后将切口8位置对准三根钢管节点支管2插入，并使主管碳纤维布4贴在钢管节点主管1上，或在已经涂刷浸渍树脂的加固区域直接粘贴主管碳纤维布4，但是都要保证浸渍树脂充分浸透碳主管纤维布，将主管碳纤维布4用手轻压贴于加固位置，用手或者采用专用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，将气泡排除，注意滚压或排除气泡时不要损伤碳纤维布；继续将不同纤维方向的主管碳纤维布4按照此方法粘贴至钢管节点主管1外；

粘贴完主管碳纤维布4后，对于钢管节点支管2的加固按照表2中的铺设顺序对支管进行碳纤维加固。

支管的加固长度Lcfrp2≥le+d cotθ＝120+95cot51。≈197mm，取Lcfrp2为210mm。其中，le为碳纤维与金属结构之间的有效粘结长度，此处取120mm。

表2碳纤维加固支管的铺设顺序

按照纤维方向选取第一支管碳纤维布501，第一支管碳纤维布501的尺寸通过公式Lcfrp2mid≥2Lcfrp2+g＝2×210+144＝544mm，取Lcfrp2mid为560mm；取第一支管碳纤维布501的尺寸为：560mm×100mm，如图5所示。然后粘贴第一支管碳纤维布501，使第一支管碳纤维布501紧贴相邻两根钢管节点支管2的相对管壁以及钢管节点主管1的两根支管的中部；然后按照纤维方向选取矩形支管碳纤维布，按照以上方法分别粘贴至第二钢管节点支管3外，按照纤维方向选取梯形支管碳纤维布，梯形支管碳纤维布的尺寸通过公式Lcfrp2side≥Lcfrp2－dtan(90。－θ)＝200－95tan(90。－51。)≈123mm，取Lcfrp2side为130mm。按照以上尺寸与方法分别粘贴至两根第一钢管节点支管2外，然后按照纤维方向选取第三支管碳纤维布，第三支管碳纤维布的尺寸通过公式：Lcfrp2side≥Lcfrp2－dtan(90。－θ)＝200－95tan(90。－51。)≈123mm，取Lcfrp2side为130mm。将第三支管碳纤维布分别粘贴至三根钢管节点支管2上，按照以上方法继续将不同纤维方向的其余五层支管碳纤维布5粘贴至钢管节点支管2外；粘贴好后主管与支管后，在主管碳纤维布4外按照相对主管0°的方向缠绕主管碳纤维材质条12，在支管碳纤维布5外按照相对支管的0°方向缠绕支管碳纤维材质条12，缠绕好纤维丝后，在主管与三根支管的碳纤维布的两端通过锚固压条11加固，以防止碳纤维与钢材的粘贴处发生脱胶的情况。图7是碳纤维锚固示意图，根据节点尺寸，裁剪两种压条的尺寸对不同区域进行锚固，其中压条宽度分别为：Lend1＝Lend2＝200mm，压条长度分别为对应管件周长的3倍，为了不影响加固效果，可将碳纤维布裁剪成2段，每次围绕管件缠一圈半，待胶水凝固后再缠剩下的一半。

实施例二：

参见图1、图3、图4，图5、图6、图8所示，本实施例是一种复杂空间钢管结构的修复补强结构，包括钢管节点主管1与三根钢管节点支管2，三根钢管节点支管2分别与钢管节点主管1斜交且均为柱型管，钢管节点支管2包括两根第一钢管节点支管2，第一钢管节点支管2与钢管节点主管1形成K型管，其余一根钢管节点支管2为第二钢管节点支管3，第二钢管节点支管3与钢管节点主管1形成Y型管，且第二钢管节点支管3根部正投影位于两根第一钢管节点支管2之间；

钢管节点主管1与钢管节点支管2外部设置有若干层碳纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料包括若干层包裹于钢管节点主管1外壁的主管碳纤维布4；

每层主管碳纤维布4均包括有一块第一主管碳纤维布401与一块第二主管碳纤维布402，两块主管碳纤维布4首尾相接拼合为一块矩形的主管碳纤维布4，且每层主管碳纤维布4中部均有凸字型的通孔9；

通孔9内为三根钢管节点支管2的根部。

第一主管碳纤维布401与第二主管碳纤维布402均为L型，包括：顶边、底边、长边、短边与弯折边，第二主管碳纤维布402弯折边与顶边平行的边上设置有一矩形缺口10；

第一主管碳纤维布401的顶边与第二主管碳纤维布402的底边重合且有部分重叠，两块主管碳纤维布4的弯折边相对且有部分重叠，两块主管碳纤维布4的弯折边中部90°弯折处形成凸字型通孔9；

主管碳纤维布3设置有不小于6层，且纤维方向不同，主管碳纤维布3的纤维方向为相对主管碳纤维布3的底边形成的角度，首层粘贴0°或者90°纤维方向的主管碳纤维布3，45°和-45°纤维方向的主管碳纤维布3粘贴于0°和90°纤维方向的主管碳纤维布3之间；

碳纤维增强复合材料还包括若干层包裹于钢管节点支管2外壁的支管碳纤维布5，每层支管碳纤维布5均包括第一支管碳纤维布501、第二支管碳纤维布502与第三支管碳纤维布；

第一支管碳纤维布501为条形布，每层第一支管碳纤维布501均设置有三块，分别位于相邻两根钢管节点支管2相对的一侧壁与两根支管之间的钢管节点主管1的侧壁上，第一支管碳纤维布501的宽度小于钢管节点支管2的直径；

第二支管碳纤维布502包括矩形支管碳纤维布与梯形支管碳纤维布，矩形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3外壁与第一支管碳纤维布501外部，梯形支管碳纤维布分别包裹于两根第一钢管节点支管2外壁与第一支管碳纤维布501外部；

每根第一钢管节点支管2的每层第二支管碳纤维布502均包括两块梯形支管碳纤维布，两块梯形支管碳纤维布的顶边与左右两边垂直，底边为倾斜边，其中一块梯形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3的外管壁一侧，另一块梯形支管碳纤维布位于第二钢管节点支管3外管壁的另一侧，两块梯形支管碳纤维布的顶边平行相对且有重叠部分，其底边平行相对有重叠部分，两块梯形支管碳纤维布的倾斜边均位于第一钢管节点支管2与钢管节点主管1的连接处；

每根第二钢管节点支管3的每层第二支管碳纤维布502均包括两块矩形支管碳纤维布，其中一块矩形支管碳纤维布包裹于第二钢管节点支管3的外管壁一侧，另一块矩形支管碳纤维布位于第二钢管节点支管3外管壁的另一侧，两块矩形支管碳纤维布的顶边与底边均重合且位于第二钢管节点支管3与钢管节点主管1的连接处，两块矩形支管碳纤维布连接处均有重叠部分；

第三支管碳纤维布为条形碳纤维布，包裹于第二支管碳纤维布502的外部，第三支管碳纤维布长度不小于钢管节点支管2的周长，第三支管碳纤维布的两个侧边搭接，使第三支管碳纤维布裹成筒状时其侧壁有重叠部分，第三支管碳纤维布的一长边位于钢管节点支管2与钢管节点主管1的连接处；

支管碳纤维布5也设置有不少于六层，且纤维方向不同，由内至外相对支管碳纤维布5的底边依次为0°、90°、0°、90°、0°、90°。

支管碳纤维布5与主管碳纤维布4外部均设置有碳纤维材质条12，主管碳纤维材质条12相较钢管节点主管1缠绕方向为0°，支管碳纤维材质条12相较钢管节点支管2缠绕方向为0°。

主管碳纤维布4最外层两端外与钢管节点主管1外壁相连处设置有若干层锚固压条11，支管碳纤维布5最外层端部与每根钢管节点支管2外壁相连处也设置有若干层锚固压条11；

锚固压条11均设置有三层，且每层锚固压条11的长度不小于锚固压条11缠绕的对应管件周长的三倍。

钢管节点主管1与主管碳纤维布4之间通过胶黏剂相连，每层主管碳纤维布4之间均通过胶黏剂相连；

钢管节点支管2与支管碳纤维布5之间通过胶黏剂相连，每层支管碳纤维布5之间均通过胶黏剂相连。

在粘贴碳纤维增强复合材料之前，钢管表面应进行除锈处理，使其表面光滑，根据要加固区域的情况，采用一定的工具、手段将加固区域表面的油漆、油渍、锈蚀、焊缝药皮等非本质物质清除，露出金属本色；若待加固的部位存在受外力损伤塌陷情况，需要采用底层树脂及找平材料将待加固处找平，然后再涂刷底层树脂；在粘贴碳纤维布区域涂刷浸渍树脂，粘贴保护玻璃纤维，确保层间没有气体，待底层玻璃纤维指触干燥后，进行涂刷浸渍树脂或粘贴树脂；

首先对钢管节点主管1区域进行主管碳纤维布4的加固，对于主管的加固按照表1中的铺设顺序对主管进行碳纤维加固。

根据仿真模拟长度Lcfrp1＝主管区域的失效长度+2×200mm。

经过有限元分析计算主管失效的位置及长度。将失效的长度两端各延伸200mm作为碳纤维加固主管的总长度即Lcfrp1＝(450+200)+2×200＝1050mm；基于主管外径，碳纤维布的宽度取850mm。

表1碳纤维加固主管的铺设顺序

首先将第一主管碳纤维布401与第二主管碳纤维布402按照描述的形状拼到一起形成一层矩形的主管碳纤维布4，使其中间留有一凸字型的通孔9，然后将碳纤维布涂刷浸渍树脂，或在已经涂刷浸渍树脂的加固区域直接粘贴碳纤维布，但是都要保证浸渍树脂充分浸透碳纤维布，将通孔9位置对准三根钢管节点支管2处插入，将碳纤维布用手轻压贴于加固位置，用手或者采用专用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，将气泡排除，注意滚压或排除气泡时不要损伤碳纤维布；继续将不同纤维方向的主管碳纤维布4按照此方法粘贴至钢管节点主管1外，并粘贴六的倍数层。

粘贴完主管碳纤维布4后，对于钢管节点支管2的加固按照表2中的铺设顺序对支管进行碳纤维加固。

支管的加固长度Lcfrp2≥le+d cotθ＝120+95cot51。≈197mm，取Lcfrp2为210mm。其中，le为碳纤维与金属结构之间的有效粘结长度，此处取120mm。

表2碳纤维加固支管的铺设顺序

按照纤维方向选取第一支管碳纤维布501，第一支管碳纤维布501的尺寸通过公式Lcfrp2mid≥2Lcfrp2+g＝2×210+144＝544mm，取Lcfrp2mid为560mm；取第一支管碳纤维布501的尺寸为：560mm×100mm，如图5所示。然后粘贴第一支管碳纤维布501，使第一支管碳纤维布501紧贴相邻两根钢管节点支管2的相对管壁以及钢管节点主管1的两根支管的中部；然后按照纤维方向选取矩形支管碳纤维布，按照以上方法分别粘贴至第二钢管节点支管3外，按照纤维方向选取梯形支管碳纤维布，梯形支管碳纤维布的尺寸通过公式Lcfrp2side≥Lcfrp2－dtan(90。－θ)＝200－95tan(90。－51。)≈123mm，取Lcfrp2side为130mm。按照以上尺寸与方法分别粘贴至两根第一钢管节点支管2外，然后按照纤维方向选取第三支管碳纤维布，第三支管碳纤维布的尺寸通过公式：Lcfrp2side≥Lcfrp2－dtan(90。－θ)＝200－95tan(90。－51。)≈123mm，取Lcfrp2side为130mm。将第三支管碳纤维布分别粘贴至三根钢管节点支管2上，按照以上方法继续将不同纤维方向的其余五层支管碳纤维布5粘贴至钢管节点支管2外；粘贴好后主管与支管后，在主管碳纤维布4外按照相对主管0°的方向缠绕主管碳纤维材质条12，在支管碳纤维布5外按照相对支管的0°方向缠绕支管碳纤维材质条12，缠绕好纤维丝后，在主管与三根支管的碳纤维布的两端通过锚固压条11加固,以防止碳纤维与钢材的粘贴处发生脱胶的情况。图7是碳纤维锚固示意图，根据节点尺寸，裁剪两种压条的尺寸对不同区域进行锚固，其中压条宽度分别为：Lend1＝Lend2＝200mm，压条长度分别为对应管件周长的3倍，为了不影响加固效果，可将碳纤维布裁剪成2段，每次围绕管件缠一圈半，待胶水凝固后再缠剩下的一半。

实施例三：

和实施例一与实施例二不同之处在于若第二钢管节点支管3较细，则每层第二支管碳纤维布502的矩形支管碳纤维布只需一块即可，如图7所示，且搭接区域只有一处。

本发明未经描述的结构特征能够通过或采用现有结构实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本结构领域的普通结构人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复杂空间钢管结构的修复补强技术，包括钢管节点主管与三根钢管节点支管，三根所述钢管节点支管分别与所述钢管节点主管斜交且均为柱型管，所述钢管节点支管包括两根第一钢管节点支管，所述第一钢管节点支管与所述钢管节点主管形成K型结构，其余一根所述钢管节点支管为第二钢管节点支管，所述第二钢管节点支管与所述钢管节点主管形成Y型结构，且所述第二钢管节点支管根部正投影位于两根所述第一钢管节点支管之间，其特征在于，

所述钢管节点主管与所述钢管节点支管外部设置有若干层碳纤维增强复合材料，所述碳纤维增强复合材料包括若干层包裹于所述钢管节点主管外壁的主管碳纤维布；

所述碳纤维增强复合材料还包括若干层包裹于所述钢管节点支管外壁的支管碳纤维布，每层所述支管碳纤维布均包括第一支管碳纤维布、第二支管碳纤维布与第三支管碳纤维布；

所述第一支管碳纤维布为条形布，每层所述第一支管碳纤维布均设置有三块，分别位于相邻两根所述钢管节点支管相对的一侧壁与两根支管之间的所述钢管节点主管的侧壁上；

所述第二支管碳纤维布包括矩形支管碳纤维布与梯形支管碳纤维布，所述矩形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管外壁与所述第一支管碳纤维布外部，所述梯形支管碳纤维布分别包裹于两根所述第一钢管节点支管外壁与所述第一支管碳纤维布外部；

所述第三支管碳纤维布为条形碳纤维布，包裹于所述第二支管碳纤维布的外部；

所述支管碳纤维布与所述主管碳纤维布外部均设置有碳纤维材质条；

所述主管碳纤维布最外层两端外与所述钢管节点主管外壁相连处设置有若干层锚固压条，所述支管碳纤维布最外层端部与每根所述钢管节点支管外壁相连处也设置有若干层所述锚固压条。

2.根据权利要求1所述的复杂空间钢管结构的碳纤维修复补强技术，其特征在于，每层所述主管碳纤维布均为矩形布，且在所述矩形布的一边设置有一凸字型切口，所述切口与所述钢管节点支管根部配合；

所述主管碳纤维布设置有所述切口的边与其相对的边搭接，使所述主管碳纤维布裹成筒状时其侧壁形成与所述钢管节点支管配合的凸字型孔；

所述主管碳纤维布的宽度大于所述钢管节点主管的直径。

3.根据权利要求1所述的复杂空间钢管结构的碳纤维修复补强技术，其特征在于，每层所述主管碳纤维布均包括有一块第一主管碳纤维布与一块第二主管碳纤维布，两块所述主管碳纤维布首尾相接拼合为一块矩形的所述主管碳纤维布，且每层所述主管碳纤维布中部均有凸字型的通孔；

所述主管碳纤维布的宽度不大于所述钢管节点主管的直径；

所述通孔内为三根所述钢管节点支管的根部。

4.根据权利要求3所述的复杂空间钢管结构的碳纤维修复补强技术，其特征在于，所述第一主管碳纤维布与所述第二主管碳纤维布均为L型，包括：顶边、底边、长边、短边与弯折边，所述第二主管碳纤维布弯折边与顶边平行的边上设置有一矩形缺口；

所述第一主管碳纤维布的顶边与所述第二主管碳纤维布的底边重合且有部分重叠，两块所述主管碳纤维布的弯折边相对且有部分重叠，两块所述主管碳纤维布的弯折边中部90°弯折处形成所述凸字型通孔。

5.根据权利要求1所述的复杂空间钢管结构的碳纤维修复补强技术，其特征在于，所述第一支管碳纤维布的宽度小于所述钢管节点支管的直径；

每根所述第一钢管节点支管的每层所述第二支管碳纤维布均包括两块所述梯形支管碳纤维布，两块所述梯形支管碳纤维布的顶边与左右两边垂直，底边为倾斜边，其中一块所述梯形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管的外管壁一侧，另一块所述梯形支管碳纤维布位于所述第二钢管节点支管外管壁的另一侧，两块所述梯形支管碳纤维布的顶边平行相对且有重叠部分，其底边平行相对有重叠部分，两块所述梯形支管碳纤维布的倾斜边均位于所述第一钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处；

每根所述第二钢管节点支管的每层所述第二支管碳纤维布均包括两块所述矩形支管碳纤维布，其中一块所述矩形支管碳纤维布包裹于所述第二钢管节点支管的外管壁一侧，另一块所述矩形支管碳纤维布位于所述第二钢管节点支管外管壁的另一侧，两块所述矩形支管碳纤维布的顶边与底边均重合且位于所述第二钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处，两块所述矩形支管碳纤维布连接处均有重叠部分；

所述第三支管碳纤维布长度不小于所述钢管节点支管的周长，所述第三支管碳纤维布的两个侧边搭接，使所述第三支管碳纤维布裹成筒状时其侧壁有重叠部分，所述第三支管碳纤维布的一长边位于所述钢管节点支管与所述钢管节点主管的连接处。

6.根据权利要求1至5任一所述的复杂空间钢管结构的修复补强结构，其特征在于，所述主管碳纤维布设置有不小于六层，且纤维方向不同，所述主管碳纤维布的纤维方向为相对所述主管碳纤维布的底边形成的角度，首层粘贴0°或者90°纤维方向的所述主管碳纤维布，45°和-45°纤维方向的所述主管碳纤维布粘贴于0°和90°纤维方向的所述主管碳纤维布之间；

所述支管碳纤维布也设置有不少于六层，且纤维方向不同，由内至外相对所述支管碳纤维布的底边依次为0°、90°、0°、90°、0°、90°。

7.根据权利要求2所述的复杂空间钢管结构的修复补强结构，其特征在于，所述切口的方向与所述主管碳纤维布的纤维方向相同。

8.根据权利要求1至7任一所述的复杂空间钢管结构的修复补强结构，其特征在于，所述主管碳纤维材质条相较所述钢管节点主管缠绕方向为0°；

所述支管碳纤维材质条相较所述钢管节点支管缠绕方向为0°。

9.根据权利要求1至8任一所述的复杂空间钢管结构的修复补强结构，其特征在于，所述锚固压条均设置有三层，且每层所述锚固压条的长度不小于所述锚固压条缠绕的对应管件周长的三倍。

10.根据权利要求1至9任一所述的复杂空间钢管结构的修复补强结构，其特征在于，所述钢管节点主管与所述主管碳纤维布之间通过胶黏剂相连，每层所述主管碳纤维布之间均通过胶黏剂相连；

所述钢管节点支管与所述支管碳纤维布之间通过胶黏剂相连，每层所述支管碳纤维布之间均通过胶黏剂相连。

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