CN114215382A - 一种圆钢管用frp屈曲约束加固系统及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统及其施工方法，包括轴力构件单元，轴力构件单元的外部设置有屈曲约束单元，轴力构件单元与屈曲约束单元之间预留有间隙，用于约束轴力构件单元的横向变形，屈曲约束单元的外部设置有FRP卷材。本发明结构简单，轻质高强，施工方便，工艺优良，耐腐蚀、电热性能良好，加固效果明显。

Description

一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统及其施工方法
技术领域
本发明属于钢结构加固技术领域，具体涉及一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统及其施工方法。
背景技术
1、钢结构加固系统概述
钢及钢材是现代结构工程使用最广泛的金属建筑材料。在生产建设过程中，钢结构经过检测和可靠性鉴定后被认为不满足要求时，就要进行加固处理。传统的钢结构加固方法主要有：增加截面法，减轻荷载法，增加构件、支撑和加劲肋法等。
钢结构加固方法的确定主要根据施工方法、现场条件、施工期限和加固效果来加以选择，加固件与原结构要能够工作协调，并且不过多地损伤原结构和产生过大的附加变形。最常用的加固方法是增加截面法，这种方法就是在原有结构的杆件上增设新的加固构件，使杆件截面积加大从而提高承载能力和刚度的方法。
但由于增加截面法对焊接施工的过度依赖，导致其存在一些问题：轻钢结构中的小角钢和圆钢杆件在负荷状态下焊接时,焊缝热影响区的强度急剧下降，将直接影响到加固施工的安全；大量的焊接操作产生的残余应力对结构加固后的使用也将造成安全隐患。
2、纤维增强复合材料(FRP)
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/PlasticFRP)也称纤维增强塑料，是由短切纤维或者连续纤维及其织物与热固性或热塑性基体经过一定的工艺复合而成的一种新型材料。利用先进的成型工艺，纤维增强复合材料可以整体成型做成各种复杂的形状，整体性较强，减少了装配的成本。与钢材以及合金等金属材料相比，FRP材料能够同时具有如下特点：
(1)比强度高，比模量大；
(2)材料性能具有可设计性；
(3)抗腐蚀性和耐久性能好；
(4)热膨胀系数与混凝土的相近。
这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求。近年来，FRP复合材料多用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固。另外，新的增强构件、结构形式及结构体系也正在大量的研究、开发和应用。
3、屈曲约束加固系统
屈曲约束加固系统，也称防屈曲约束加固系统，是一种新型的钢结构加固技术。它是在传统的钢结构加固技术的基础之上，结合新兴抗震构件-屈曲约束支撑的原理，对工程薄弱杆件进行的一种安全可靠、方便简易的加固措施。
在此对屈曲约束支撑及其工作原理进行介绍。当钢结构构件如钢支撑承受一定的轴压力作用时，支撑不会因应力屈服发生强度破坏，而只会发生杆件屈曲的失稳破坏。由于屈曲破坏强度比屈服强度低很多，这便导致了构件和结构承载力的大幅降低。为克服这个问题，上世纪70年代日本工程界开始引入屈曲约束的研究课题，并随后提出了一种叫屈曲约束支撑的构件，这是在传统钢支撑外增加屈曲约束单元的一种新型支撑。其作用机制为：当钢支撑受压欲发生杆外屈曲时，外包约束单元限制住钢支撑的屈曲变形，使其承载力提升至屈服强度，进而在更大的压力作用下发生强度破坏。这种支撑在承拉和承压时都只发生屈服强度破坏，承载能力相比传统支撑得到大幅提高；且在循环拉压力作用下，屈曲约束支撑的滞回曲线饱满稳定，表现出非常优秀的抗震性能。因此，当今世界范围内屈曲约束支撑得到了大力地推广应用，工程界将其用于各类结构之中，从而提高了结构的承载能力、抗震性能以及结构整体的安全储备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统及其施工方法，利用新型加固材料来增大截面面积，避免构件受压时发生屈曲，有效提高圆钢管承载力。
本发明采用以下技术方案：
一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，包括轴力构件单元，轴力构件单元的外部设置有屈曲约束单元，轴力构件单元与屈曲约束单元之间预留有间隙，用于约束轴力构件单元的横向变形，屈曲约束单元的外部设置有FRP卷材。
具体的，轴力构件单元与屈曲约束单元之间设置有脱粘结单元。
进一步的，脱粘结单元是采用海绵胶带。
更进一步的，海绵胶带的厚度为2～3mm。
具体的，屈曲约束单元由两个半圆钢管拼接而成。
具体的，FRP卷材为玻璃纤维增强复合塑料、碳纤维増强复合塑料、玄武岩纤维增强复合塑料和芳纶纤维增强复合塑料中的一种或多种。
具体的，FRP卷材的厚度为2～3mm。
具体的，间隙的距离为3～5mm。
本发明的另一个技术方案，一种根圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的施工方法，包括以下步骤：
在轴力构件单元的表面包覆一层2～3mm厚的脱粘结单元；然后在脱粘结单元外侧安装屈曲约束单元；再在屈曲约束单元的表面包裹一层厚度为2～3mm厚的FRP卷材；最后在加固后的FRP卷材外表面涂刷保护层。
具体的，保护层的厚度为0.5～1mm，采用环氧树脂防腐蚀涂料或聚氨酯防腐蚀涂料涂刷而成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，在轴力构件单元的外部增加屈曲约束单元，约束轴力构件单元的横向变形，提高其破坏模态，使得构件承载力大幅増大；在屈曲约束单元的外部包裹FRP卷材，起防腐及防火和固定屈曲约束单元的作用，以增加轴力构件单元的耐久性和整体性，从待加固杆件的外部进行加固，可以改变其破坏形态，从而达到提高原杆件承载力的目的。
进一步的，脱粘结单元位于轴力构件单元与屈曲约束单元之间，起内外两单元间的脱粘结和一定的耐挤压作用，即避免轴力构件单元与屈曲约束单元发生轴向力的传递，从而使屈曲约束效果达到最优。
进一步的，脱粘结单元采用海绵胶带，海绵胶带具有良好的耐老化、耐摩擦及一定的抗温减震等作用，可以作为脱粘结单元的优选材料来使用。
进一步的，海绵胶带的一般厚度范围在2～5mm之间，考虑到本发明主要是利用其脱粘接作用，因此选择较薄厚度2～3mm即可。
进一步的，外部屈曲约束单元由两个半圆钢管拼接而成。该种设置结构简单，操作方便，可以快速进行外部屈曲约束单元的安装。
进一步的，FRP材料的性能可设计性好，且抗腐蚀性和耐久性能较强。根据添加材料的不同，有玻璃纤维增强复合塑料、碳纤维増强复合塑料、玄武岩纤维增强复合塑料和芳纶纤维增强复合塑料多种类型，以上材料均可达到本发明要求的效果。
进一步的，FRP卷材的厚度为1～5mm，考虑到本发明主要是利用其良好的耐腐蚀性和耐久性，因此选择适中厚度2～3mm，同时还可以起到固定外部屈曲约束单元的作用。
一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的施工方法，首先在轴力构件单元的表面包覆一层脱粘结单元即海绵胶带，可以起内外两单元间的脱粘结和一定的耐挤压作用；然后在脱粘结单元外侧安装屈曲约束单元，屈曲约束单元采用两个半圆钢管拼接而成，能够方便快速地进行安装；再在屈曲约束单元的表面包裹一层厚度在2～3mm范围内的FRP卷材，以增强结构的抗腐蚀性和耐久性能；最后在加固后的FRP卷材外表面涂刷防腐涂料，进一步增强结构的整体性、耐腐蚀性和外观简易性。
进一步的，保护层的防腐涂料采用环氧树脂防腐蚀涂料或聚氨酯防腐蚀涂料，起到防腐蚀的作用，涂刷的厚度在0.5～1mm之间，起到防腐蚀以及增加外观整体性的作用。
综上所述，本发明结构简单，轻质高强，施工方便，工艺优良，耐腐蚀、电热性能良好，加固效果明显。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明组装后的结构效果图；
图2为本发明圆钢管FRP屈曲约束加固系统横截面图。
其中：1.轴力构件单元；2.脱粘结单元；3.屈曲约束单元；4.FRP卷材。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，由内到外依次包括轴力构件单元1、脱粘结单元2、屈曲约束单元3和FRP卷材4。
轴力构件单元1为待加固圆钢管，轴力构件单元1需要与外部屈曲约束单元3之间预留3～5mm的间隙，用于提供轴力构件单元1受压产生泊松效应时所需的横向空间；一旦轴力构件单元1受压屈曲变形，屈曲约束单元3提供横向的屈曲约束力，以抑制轴力构件单元1在轴向的屈曲失稳。
请参阅图2，脱粘结单元2位于轴力构件单元1与屈曲约束单元3之间，起内外两单元间的脱粘结和一定的耐挤压作用，即避免轴力构件单元1与屈曲约束单元3发生轴向力的传递，从而使屈曲约束效果达到最优。
优选的，脱粘结单元2采用海绵胶带。
屈曲约束单元3由两个半圆钢管拼接而成。
FRP卷材4是本发明加固系统的重要组成部分，FRP卷材4环包在屈曲约束单元3外，起到防腐和防火以及固定屈曲约束单元的作用，增强了整个构件的耐久性和整体性。
FRP卷材4为玻璃纤维增强复合塑料、碳纤维増强复合塑料、玄武岩纤维增强复合塑料、芳纶纤维增强复合塑料或者几种纤维混杂增强复合塑料的一种。
本发明一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的工作原理如下：
在待加固圆钢管的外部增加屈曲约束单元，约束待加固圆钢管的横向变形，提高其破坏模态，使得待加固圆钢管承载力大幅増大；在屈曲约束单元的外部包裹FRP卷材，起防腐及防火和固定屈曲约束单元的作用，以增加待加固圆钢管的耐久性和整体性。从待加固圆钢管的外部进行加固，以改变其破坏形态，从而达到提高原杆件承载力的目的。
本发明一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的施工流程如下：
1、按照设计厚度在圆钢管表面包覆一层海绵胶带，设计厚度为2～3mm；
2、安装外包圆钢管；
3、在外包圆钢管表面包裹一层FRP卷材，厚度为2～3mm；
4、在加固后的构件外表面涂刷涂料，采用环氧树脂防腐蚀涂料或聚氨酯防腐蚀涂料，涂刷的厚度为0.5～1mm。
钢结构受压构件当发生屈曲失稳时会引起强度折减，进而导致钢结构整体承载能力下降。本发明通过对受压圆钢管进行外部加固设计,可以大幅度提高该结构的整体承载能力,因此本技术可以广泛用于新结构的设计建造。
部分既有结构由于性能不满足要求而需要进行相应的改造，在改造过程中时常会发生内力重分布的现象，这将导致结构局部强度或刚度的不足。此项技术可以提高局部杆件的强度及刚度,保障旧结构在负荷状态下仍能够进行安全的改造工作，从而延长结构使用寿命,提高结构的安全储备。
综上所述，本发明一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统及其施工方法具有以下特点：
1、加固结构仅由4层单元构成,在增大构件横截面积和提高承载力的同时也在很大程度上节约了材料；
2、施工作业简单高效，只需在待加固构件外表面进行包裹和缠绕即可,无需施加焊接和螺栓连接，即该种“冷处理”的方法有效避免了不必要的应力集中效应。同时，FRP卷材的制作工艺优良，也成为该技术的一大亮点；
3、最外层的FRP卷材是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。目前已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等；
4、已经过实际工程的检验,能大幅提高构件或结构承载力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，包括轴力构件单元(1)，轴力构件单元(1)的外部设置有屈曲约束单元(3)，轴力构件单元(1)与屈曲约束单元(3)之间预留有间隙，用于约束轴力构件单元(1)的横向变形，屈曲约束单元(3)的外部设置有FRP卷材(4)。
2.根据权利要求1所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，轴力构件单元(1)与屈曲约束单元(3)之间设置有脱粘结单元(2)。
3.根据权利要求2所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，脱粘结单元(2)是采用海绵胶带。
4.根据权利要求3所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，海绵胶带的厚度为2～3mm。
5.根据权利要求1所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，屈曲约束单元(3)由两个半圆钢管拼接而成。
6.根据权利要求1所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，FRP卷材(4)为玻璃纤维增强复合塑料、碳纤维増强复合塑料、玄武岩纤维增强复合塑料和芳纶纤维增强复合塑料中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，FRP卷材(4)的厚度为2～3mm。
8.根据权利要求1所述的圆钢管用FRP屈曲约束加固系统，其特征在于，间隙的距离为3～5mm。
9.一种根据权利要求1所述圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在轴力构件单元的表面包覆一层2～3mm厚的脱粘结单元；然后在脱粘结单元外侧安装屈曲约束单元；再在屈曲约束单元的表面包裹一层厚度为2～3mm厚的FRP卷材；最后在加固后的FRP卷材外表面涂刷保护层。
10.根据权利要求8所述圆钢管用FRP屈曲约束加固系统的施工方法，其特征在于，保护层的厚度为0.5～1mm，采用环氧树脂防腐蚀涂料或聚氨酯防腐蚀涂料涂刷而成。
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CN115012325A (zh) * 2022-05-06 2022-09-06 西安交通大学 一种基于frp型材的混凝土箱梁桥加固方案

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