CN112376445A - 基于粘接的钢桥面板u肋对接接头疲劳加固结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构及方法，加固结构包括包覆在U肋对接接头处的纤维增强复合材料层以及设置在纤维增强复合材料层与U肋对接接头之间的粘结层；加固方法包括表面处理、粘贴纤维增强复合材料及养护。与现有技术相比，本发明利用胶粘剂和纤维增强复合材料对钢桥面板U肋对接接头进行疲劳加固，能够有效降低结构损伤部位的应力幅，抑制疲劳裂纹的扩展，大幅提高结构疲劳寿命；加固结构在改善原结构缺陷部位受力状况的同时不会削弱截面的刚度，也不会引入新的疲劳源；加固结构采用胶粘的结合方式，施工简便，对焊缝裂纹处加固以及折板、曲面钢板等不平整情况具有较强的空间适应性。

Description

基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构及方法

技术领域

本发明属于钢桥面板加固技术领域，涉及一种基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构及方法。

背景技术

正交异性钢桥面板是将相互垂直的顶板、纵向加劲肋(U肋)和横隔板焊接而成的具有复杂力学特性的结构，其因具有轻质高强、承载能力高等优点而广泛应用于国内外缆索承重桥梁、大跨度钢箱梁等多种类型的桥梁结构中。目前，正交异性钢桥面板纵向加劲肋连接方式有钢衬垫对接焊和高强螺栓连接两种。对接焊连接结构简单、制作方便、施工冗度高、经济性好，但不可避免地会出现仰焊和立焊等较难保证焊接质量的焊接形式，特别是U肋嵌补段处对接焊缝普遍采用钢衬垫，由于钢衬垫与U肋难以密贴，现场焊接质量难以保证，甚至无法熔透，导致U肋现场焊接处容易产生疲劳裂缝。早期建成的钢结构桥梁多采用此连接方式，因而该处疲劳裂缝问题突出。经过对我国多座大跨径桥梁的钢桥面板进行调研，发现许多钢桥面板的U肋对接接头处均产生不同程度的疲劳裂纹。该对接焊缝位置裂纹形态可能会有两种，一种形式是从焊趾位置萌生，沿着加劲肋的板厚延伸，另一种形式是从对接焊缝焊跟处产生，可能沿着焊喉开裂到焊缝表面。

针对钢桥面板U肋对接处疲劳裂缝，通常可采用传统钢桥疲劳裂缝修复方法如止裂孔法、裂纹焊合法或钢板补强法。这些方法虽然在一定程度上改善了原结构缺陷部位受力状况，但同时又给结构带来一定新的问题。例如：采用止裂孔法对截面产生削弱作用，另外，若无法准确在裂纹尖端定位止裂孔的位置，则裂缝会继续扩展，从而导致止裂孔的作用失效；而采用裂纹焊合法在打磨焊缝时耗时较多，施工质量要求高，且容易在焊趾部位引入对抗疲劳性能不利的残余应力；对于钢板补强法，补强钢板在连接过程中采用焊接连接或螺栓连接总会不可避免产生新的局部应力集中或新的缺陷，因此容易产生新的疲劳裂纹，同时，为安装U肋内部的拼接板和螺栓，需在U肋下端开设手孔，这会对原结构截面产生损伤削弱作用，并且U肋下翼缘与腹板之间的圆弧段无法安装补强钢板，难以阻止此处疲劳裂纹的进一步扩展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构及方法。加固结构利用粘结剂使一部分荷载传递到纤维增强复合材料(FRP)上，从而降低结构损伤部位的应力幅，达到加固效果。与传统的加固方式相比，该加固结构既不会削弱截面的刚度，也不会引入新的疲劳源，能够有效地抑制疲劳裂缝发展，提高结构疲劳寿命。通过采用粘结剂和FRP，加固过程中无需特殊施工器具，该加固方法具有施工方便的特点，对不平整加固部位也有较强的空间适应性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，该加固结构包括包覆在U肋对接接头处的纤维增强复合材料层以及设置在纤维增强复合材料层与U肋对接接头之间的粘结层。该加固结构适用于加固与修复受疲劳荷载影响较大或已经产生疲劳裂纹的钢桥面板U肋对接接头。

进一步地，所述的U肋对接接头包括第一U肋、第二U肋以及设置在第一U肋端部与第二U肋端部之间的U肋嵌补段，所述的U肋嵌补段的一端与第一U肋端部之间、U肋嵌补段的另一端与第二U肋端部之间均设有U肋对接焊缝，所述的纤维增强复合材料层包覆在U肋对接焊缝的外侧。U肋嵌补段连接两段U肋，通过焊接形成整体。

进一步地，所述的纤维增强复合材料层的包覆范围包括第一U肋、U肋嵌补段及第二U肋上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域。纤维增强复合材料通过胶粘剂粘贴于U肋对接接头的外表面，纵向上完全包覆U肋嵌补段和U肋上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域，用于提高被加固位置疲劳性能，抑制裂纹扩展。通常U肋嵌补段与两端U肋对接焊缝为疲劳开裂风险较大，纵向上加固区域尽量位于纤维增强复合材料中心。

进一步地，所述的纤维增强复合材料层的材质为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)或芳纶纤维增强复合材料(AFRP)中的一种，或为多种纤维增强复合材料的混杂纤维体。

优选地，所述的纤维增强复合材料层采用FRP布(纤维布)或层合板的形式。

更优选地，所述的纤维增强复合材料层采用FRP布的形式，FRP布可适用于焊缝裂纹处加固以及折板、曲面钢板等不平整情况，因此采用FRP布效果更好。

进一步地，该加固结构包括5-10层叠加包覆在U肋对接接头处的纤维增强复合材料层，所述的U肋对接接头与纤维增强复合材料层之间、相邻的纤维增强复合材料层之间均设有粘结层。

进一步地，所述的U肋对接接头的顶部设有顶板对接接头，该顶板对接接头包括第一顶板及第二顶板，所述的第一顶板的端部与第二顶板的端部之间设有顶板对接焊缝。

优选地，所述的顶板对接焊缝位于两U肋对接焊缝之间。

进一步地，所述的U肋对接接头的顶部与顶板对接接头之间设有U肋顶板连接焊缝。

进一步地，所述的顶板对接接头的底部设有横隔板。

钢桥面板U肋对接接头疲劳加固方法，该加固方法基于所述的加固结构，所述的加固方法包括以下步骤：

1)表面处理：对U肋对接接头上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行表面处理；

2)粘贴纤维增强复合材料：在U肋对接接头上需要加固的位置涂抹胶粘剂，并粘贴纤维增强复合材料；

3)养护：养护至胶粘剂达到标准强度。

进一步地，步骤1)中，所述的表面处理包括除漆、除锈、清洁(擦拭干净)及干燥。

步骤2)中，当需要设置多层纤维增强复合材料层时，逐层粘贴纤维增强复合材料进行加固，直至达到预定层数。胶粘剂可采用结构胶。涂抹胶粘剂时，均匀施力使胶粘剂与U肋加固位置充分接触，保证胶粘剂粘贴效果，挤出多余胶粘剂。

步骤3)中，根据所选胶粘剂及纤维增强复合材料的种类，选择合适的养护条件及养护时间，养护至胶粘剂达到标准强度，加固完成。

纤维增强复合材料因其强度高、耐腐蚀、补强效果好和施工简便等特点，而成为传统修复方法之外的一个新选择。本发明利用胶粘剂将FRP粘贴到钢结构损伤部位的表面，使一部分荷载通过粘结层传递到FRP上，降低了结构损伤部位的应力幅。采用这种方法既不会削弱截面的刚度，也不会引入新的疲劳源，具有施工便利的特点。并且，采用纤维布可适用于焊缝裂纹处加固以及折板、曲面钢板等不平整情况，具有较强的空间适应性特点。

本发明利用纤维增强复合材料和胶粘剂对U肋对接接头具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行加固，能有效提高被加固位置疲劳性能，降低疲劳破坏风险。对还未产生裂纹的位置，可以优化应力分布，改善应力集中状况。对于已产生裂纹的区域，能够明显改善裂纹尖端应力状态且无需准确定位裂纹尖端位置，有效地抑制裂纹扩展。

具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹区域的疲劳裂纹主要都是先从纵肋焊缝外侧圆弧过渡区出现，然后向纵肋底部和腹板上扩展。当纵肋外侧发现疲劳开裂时，紧邻的顶底板中心以及纵肋腹板的应力幅进而会明显上升。采用胶粘剂粘接纤维增强复合材料包覆U肋外表面能够适应U肋外形，对不同发展阶段地裂纹都能进行有效加固。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明利用胶粘剂和纤维增强复合材料对钢桥面板U肋对接接头进行疲劳加固，能够有效降低结构损伤部位的应力幅，抑制疲劳裂纹的扩展，大幅提高结构疲劳寿命。与传统方法相比，本发明加固结构带来新的问题较少，加固结构在改善原结构缺陷部位受力状况的同时不会削弱截面的刚度，也不会引入新的疲劳源。

2)结构采用胶粘的结合方式，施工简便，操作难度不高，对施工器具无特殊要求，便于施工。结构受力合理，对焊缝裂纹处加固以及折板、曲面钢板等不平整情况具有较强的空间适应性，也能够较好地利用纤维增强复合材料强度高、耐腐蚀、补强效果好的特点。

附图说明

图1为实施例1中U肋对接接头的主视结构示意图；

图2为实施例1中加固结构的主视结构示意图；

图3为实施例1中加固结构的横断面结构示意图；

图4为实施例1中加固结构的仰视结构示意图；

图中标记说明：

1—纤维增强复合材料层、2—粘结层、3—第一U肋、4—第二U肋、5—U肋嵌补段、6—U肋对接焊缝、7—第一顶板、8—第二顶板、9—顶板对接焊缝、10—横隔板、11—U肋顶板连接焊缝、12—U肋对接接头、13—顶板对接接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示，U肋对接接头12包括第一U肋3、第二U肋4以及设置在第一U肋3端部与第二U肋4端部之间的U肋嵌补段5，U肋嵌补段5的一端与第一U肋3端部之间、U肋嵌补段5的另一端与第二U肋4端部之间均设有U肋对接焊缝6，纤维增强复合材料层1包覆在U肋对接焊缝6的外侧。

如图2、图3、图4所示的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，包括包覆在U肋对接接头12处的纤维增强复合材料层1以及设置在纤维增强复合材料层1与U肋对接接头12之间的粘结层2。

其中，纤维增强复合材料层1的包覆范围包括第一U肋3、U肋嵌补段5及第二U肋4上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域。

纤维增强复合材料层1的材质为玻璃纤维增强复合材料。加固结构包括5层叠加包覆在U肋对接接头12处的纤维增强复合材料层1，U肋对接接头12与纤维增强复合材料层1之间、相邻的纤维增强复合材料层1之间均设有粘结层2。

U肋对接接头12的顶部设有顶板对接接头13，该顶板对接接头13包括第一顶板7及第二顶板8，第一顶板7的端部与第二顶板8的端部之间设有顶板对接焊缝9。U肋对接接头12的顶部与顶板对接接头13之间设有U肋顶板连接焊缝11。顶板对接接头13的底部设有横隔板10。

钢桥面板U肋对接接头疲劳加固方法，基于上述加固结构。加固方法包括以下步骤：

1)表面处理：对U肋对接接头12具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行表面处理，从而提高粘贴效果。在对需要加固的区域进行除漆、除锈操作后，擦拭干净，进行干燥处理。

2)粘贴纤维增强复合材料：在U肋对接接头12需要加固位置均匀涂抹胶粘剂，均匀施力使胶粘剂与U肋加固位置充分接触，保证胶粘剂粘贴效果，挤出多余胶粘剂。重复操作，逐层粘贴纤维增强复合材料，直至达到预定层数。

3)养护：根据所选胶粘剂及纤维增强复合材料选择合适的养护条件及养护时间，养护至胶粘剂达到标准强度，加固完成。

实施例2：

本实施例中，纤维增强复合材料层1的材质为碳纤维增强复合材料。

加固结构包括10层叠加包覆在U肋对接接头12处的纤维增强复合材料层1，U肋对接接头12与纤维增强复合材料层1之间、相邻的纤维增强复合材料层1之间均设有粘结层2。

其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，纤维增强复合材料层1的材质为芳纶纤维增强复合材料。

加固结构包括7层叠加包覆在U肋对接接头12处的纤维增强复合材料层1，U肋对接接头12与纤维增强复合材料层1之间、相邻的纤维增强复合材料层1之间均设有粘结层2。

其余同实施例1。

实施例4：

本实施例中，纤维增强复合材料层1的材质为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料及芳纶纤维增强复合材料的混杂纤维体。

纤维增强复合材料层1仅设有一层。

其余同实施例1。

本发明中，加固结构包括但不限于上述实施例中的横向全包覆形式，也可以根据实际裂纹范围进行局部包覆；包括但不限于上述实施例中的结构胶粘贴锚固，也可以包括结构胶-机械辅助锚固、机械锚固等锚固形式。

上述的对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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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.基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，该加固结构包括包覆在U肋对接接头(12)处的纤维增强复合材料层(1)以及设置在纤维增强复合材料层(1)与U肋对接接头(12)之间的粘结层(2)。

2.根据权利要求1所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的U肋对接接头(12)包括第一U肋(3)、第二U肋(4)以及设置在第一U肋(3)端部与第二U肋(4)端部之间的U肋嵌补段(5)，所述的U肋嵌补段(5)的一端与第一U肋(3)端部之间、U肋嵌补段(5)的另一端与第二U肋(4)端部之间均设有U肋对接焊缝(6)，所述的纤维增强复合材料层(1)包覆在U肋对接焊缝(6)的外侧。

3.根据权利要求2所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的纤维增强复合材料层(1)的包覆范围包括第一U肋(3)、U肋嵌补段(5)及第二U肋(4)上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域。

4.根据权利要求1所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的纤维增强复合材料层(1)的材质为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料或芳纶纤维增强复合材料中的一种，或为多种纤维增强复合材料的混杂纤维体。

5.根据权利要求1所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，该加固结构包括5-10层叠加包覆在U肋对接接头(12)处的纤维增强复合材料层(1)，所述的U肋对接接头(12)与纤维增强复合材料层(1)之间、相邻的纤维增强复合材料层(1)之间均设有粘结层(2)。

6.根据权利要求1所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的U肋对接接头(12)的顶部设有顶板对接接头(13)，该顶板对接接头(13)包括第一顶板(7)及第二顶板(8)，所述的第一顶板(7)的端部与第二顶板(8)的端部之间设有顶板对接焊缝(9)。

7.根据权利要求6所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的U肋对接接头(12)的顶部与顶板对接接头(13)之间设有U肋顶板连接焊缝(11)。

8.根据权利要求6所述的基于粘接的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固结构，其特征在于，所述的顶板对接接头(13)的底部设有横隔板(10)。

9.钢桥面板U肋对接接头疲劳加固方法，该加固方法基于如权利要求1至8任一项所述的加固结构，其特征在于，所述的加固方法包括以下步骤：

1)表面处理：对U肋对接接头(12)上具有疲劳开裂风险或已有疲劳裂纹的区域进行表面处理；

2)粘贴纤维增强复合材料：在U肋对接接头(12)上需要加固的位置涂抹胶粘剂，并粘贴纤维增强复合材料；

3)养护：养护至胶粘剂达到标准强度。

10.根据权利要求9所述的钢桥面板U肋对接接头疲劳加固方法，其特征在于，步骤1)中，所述的表面处理包括除漆、除锈、清洁及干燥。

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