钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法 |
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| 申请号 | CN202311295903.2 | 申请日 | 2023-10-09 | 公开(公告)号 | CN117107678A | 公开(公告)日 | 2023-11-24 |
| 申请人 | 长安大学; | 发明人 | 王春生; 李璞玉; 郝秉坤; 许璐巍; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 钢 桥面 内应 力 疲劳细节的冷、热组合加固方法，钢桥主要构件通过 焊缝 方式进行连接，运营阶段钢桥细节会出现面内循环 应力 驱动的较长疲劳裂纹，若该 位置 不允许出现裂纹，可采用冷、热组合加固方法进行加固。采用该方法加固时，首先用热维护方法对疲劳裂纹进行彻底修复，待降低至环境 温度 后，将 碳 纤维 增强 树脂 基 复合材料 通过环 氧 树脂胶粘贴在待加固位置处，钢板粘贴在 碳纤维 增强树脂基复合材料上，胶层未形成强度时，采用辅助加固装置、竖向 支撑 杆进行固定。该加固方式可以修复原有裂纹，适用于对长度超过100mm的裂纹加固，可以有效降低钢桥面内应力，改善钢桥受力性能，提升钢桥抑制疲劳裂纹萌生的能力，具有施工方便、成本低廉等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法,其特征在于包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法技术领域背景技术[0002] 钢桥构造复杂、连接焊缝较多，在车辆、列车、温度等疲劳荷载的反复作用下，疲劳问题比较突出，其中细节在面内应力作用下出现疲劳开裂是工程中较为常见的一种疲劳破坏。钢板梁翼板对接焊细节和钢桥面板U肋嵌补段焊接细节，在面内疲劳应力作用下产生较长疲劳裂纹时，需要采用高效的加固方法对疲劳开裂细节进行维修加固，确保桥梁使用安全。钢桥细节存在较长疲劳裂纹时，不仅降低了结构刚度和极限承载力，在较大使用荷载作用下可能会诱发裂纹失稳扩展，导致出现桥梁垮塌事故，严重危及行车、行人安全，故必须对疲劳开裂部位进行妥善修复。传统的裂纹重熔加固方式能够修复开裂部位、消除裂纹，但该热加固法会引入新的焊接残余应力和焊接缺陷，导致热加固后易出现二次疲劳开裂。因此，急需研发一种既能对原有细节疲劳裂纹进行修复，又可降低细节面内疲劳应力，有效抑制加固后细节二次疲劳开裂的高效加固方法。 发明内容[0003] 本发明所要解决的技术问题在于克服克服上述现有技术的不足,提供一种受力可靠、施工便捷的钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法。 [0004] 解决上述技术问题采用的技术方案是：一种钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法,以下步骤： [0005] S1、对面内应力疲劳裂纹处进行重熔、焊接热维护，消除原有裂纹，预热范围应超过裂纹尖端100mm；其中，面内应力疲劳裂纹为翼板对接焊缝处裂纹、U肋对接焊缝处裂纹； [0008] S4、首层碳纤维布上表面指触干后，均匀涂抹0.3～0.5mm的环氧树脂胶至首层碳纤维布表面上并用脱泡罗拉沿纤维方向滚压2～3次，粘贴第二层碳纤维布，重复若干次直至达到预定厚度形成碳纤维增强树脂基复合材料； [0009] S5、在碳纤维增强树脂基复合材料上预定位置涂抹1.0～1.5mm厚的环氧树脂胶层，粘贴钢板至碳纤维增强树脂基复合材料上； [0010] S6、在距离钢板边缘位置10～20mm处粘贴若干个辅助加固装置底座或者竖向支撑杆进行临时固定； [0011] S7、待底层碳纤维增强树脂基复合材料与钢板形成强度后，拆除辅助加固装置或者竖向支撑杆，之后在钢板及碳纤维增强树脂基复合材料上重复S3～S4步骤粘贴碳纤维增强树脂基复合材料形成组合加固构造复合层共同受力。 [0012] 本发明的碳纤维增强树脂基复合材料由若干层碳纤维布涂抹环氧树脂胶浸渍粘结而成。 [0013] 本发明的步骤S7中组合加固构造由碳纤维布‑钢板‑碳纤维布构成。 [0015] 本发明的碳纤维布粘贴范围超出钢板四周500～1000mm。 [0016] 本发明的步骤S1中翼板对接焊缝处钢板边缘超出裂纹面3000～5000mm，U肋对接焊缝处钢板边缘超出裂纹面1000～1500mm。 [0018] 本发明的竖向支撑杆为：固定套管内设置有可伸缩套管，固定套管和可伸缩通过卡扣固定，固定套管和可伸缩套管的自由端设置有脚垫。 [0019] 本发明相比于现有技术具有以下优点： [0020] 1.本发明将裂纹重熔等热维护方法，同碳纤维布与钢板复合冷加固方法组合使用，既对钢桥细节疲劳裂纹进行了熔合修复，同时采用冷加固措施提高了结构刚度、降低了细节疲劳应力，避免了单一热加固后的二次疲劳开裂问题，也规避了单独采用冷加固时裂纹区的渗漏和腐蚀问题。 [0021] 2.本发明利用环氧树脂胶将碳纤维增强树脂基复合材料和钢板的复合构造在钢桥疲劳开裂重熔区进行粘贴、固定，既利用了碳纤维布的柔性加固特性，又充分发挥了钢板的相对刚性加固效果。 [0022] 3.本发明采用碳纤维增强树脂基复合材料和钢板的复合构造进行加固，碳纤维增强树脂基复合材料由若干层碳纤维布涂抹环氧树脂胶浸渍粘结而成，可充分发挥碳纤维布良好的粘结、抗拉性能，可降低细节疲劳应力；在碳纤维增强树脂基复合材料表面粘贴钢板可进一步提高加固区域结构刚度，显著降低细节疲劳应力，达到有效抑制细节疲劳裂纹萌生和扩展的技术目的。 [0023] 4.本发明采用钢条、粘贴螺栓与结构钢板协同固定的加固辅助装置以及竖向支撑杆，能够在钢板与碳纤维增强树脂基复合材料之间胶层未凝固形成强度前提供可靠的临时支撑；采用改性丙烯酸酯胶粘贴固定螺栓在钢结构表面，安装、拆除便利，且对原结构不产生损伤。 [0024] 综上，本发明的加固构造具有修复效果优、耐久性好、构造轻便、施工简单、成本低廉等技术特点，该加固方法适用于对长度超过100mm裂纹加固。可推广应用于钢桥中面内应力驱动形成的较长疲劳裂纹维修加固。附图说明 [0025] 图1是本发明的钢桥面板嵌补段对接焊缝处裂纹热加固方式。 [0026] 图2是本发明的钢桥面板嵌补段对接焊缝处裂纹热加固效果图。 [0027] 图3是钢桥面板嵌补段对接焊缝处加固的临时固定三维构造示意图。 [0028] 图4是U肋加固钢板5和翼板加固钢板11的结构示意图。 [0029] 图5是钢桥面板嵌补段对接焊缝处加固实施例1的局部三维构造示意图。 [0030] 图6是钢板梁翼板对接焊缝11处疲劳裂纹热加固方式。 [0031] 图7是钢板梁翼板对接焊缝11处疲劳裂纹热加固效果图。 [0032] 图8是钢板梁翼板对接焊缝11处加固的临时固定三维构造示意图。 [0033] 图9是钢板梁翼板对接焊缝11处加固的局部三维构造示意图。 [0034] 图10是辅助加固装置12的结构示意图。 [0035] 图11是本发明的碳纤维增强树脂基复合材料4的结构示意图。 [0036] 图中：1、钢桥面板顶板；2、U肋；3、U肋对接焊缝；4、碳纤维增强树脂基复合材料；5、U肋加固钢板；6、横隔板；7、上翼缘板；8、腹板；9、竖向加劲肋；10、翼板对接焊缝；11、翼板加固钢板；12、辅助加固装置；13、竖向支撑杆；14、下翼缘板；4‑1、碳纤维布；4‑2、环氧树脂胶；12‑1、底板；12‑2、钢条。 具体实施方式[0037] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。 [0038] 实施例1 [0039] 在图1～5、11中，本实施例涉及的一种钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法，钢桥面板顶板1底部间隔焊接有若干组U肋2，U肋2之间设置有横隔板6，钢桥面板嵌补段由钢桥面板顶板1、U肋2、对接焊缝组成，本实施例主要针对U肋对接焊缝3处裂纹进行加固，包括以下步骤： [0040] S1、如图1、2所示，对长度超过100mm的U肋对接焊缝3疲劳裂纹处进行重熔、焊接热维护，消除原有裂纹，预热范围应超过裂纹尖端100mm；热加固方法包括但不限于焊接法、重熔法、热切割法。 [0041] S2、待疲劳裂纹处降至环境温度后，焊缝打磨掉余高后，对U肋对接焊缝3疲劳裂纹处母材和碳纤维增强树脂基复合材料4的粘贴面做清理、粗糙化处理，U肋加固钢板5表面需打磨、喷砂处理；本实施例的碳纤维增强树脂基复合材料4由若干层碳纤维布4‑1涂抹环氧树脂胶4‑2浸渍粘结而成，碳纤维增强树脂基复合材料4具有良好的粘结、抗拉性能，可降低裂纹尖端应力，在碳纤维增强树脂基复合材料4表面粘贴U肋加固钢板5提高嵌补段抗面内应力疲劳能力，从而可以有效改善典型细节的受力性能，有效抑制面内应力疲劳裂纹的萌生和扩展。 [0042] S3、处理后的待加固处表面粘贴面上均匀涂抹厚度为0.3～0.5mm的环氧树脂底胶，本实施例中胶层厚度为0.5mm，粘贴首层碳纤维布4‑1，并使用脱泡罗拉在碳纤维布4‑1上沿纤维方向滚压若干次，使环氧树脂胶与碳纤维布4‑1充分浸渍； [0043] S4、首层碳纤维布4‑1上表面指触干后，均匀涂抹0.3～0.5mm的环氧树脂胶4‑2至首层碳纤维布4‑1表面上并用脱泡罗拉沿纤维方向滚压2～3次，粘贴第二层碳纤维布4‑1，重复若干次直至达到预定厚度形成碳纤维增强树脂基复合材料4，其中，本实施例中各碳纤维布4‑1之间胶层厚度为0.5mm； [0044] S5、在碳纤维增强树脂基复合材料4上预定位置涂抹1.0～1.5mm厚的环氧树脂胶层，粘贴U肋加固钢板5至碳纤维增强树脂基复合材料4上，碳纤维布4‑1粘贴范围超出U肋加固钢板5四周500～1000mm。其中，本实施例中胶层厚度为1.0mm。 [0045] S6、如图3所示，在距离U肋加固钢板5边缘位置10～20mm处粘贴若干个竖向支撑杆13进行临时固定，竖向支撑杆13的个数根据U肋加固钢板5的尺寸确定，如图4所示，本实施例中的U肋加固钢板5为矩形结构，长×宽＝1000×100mm，厚度为12mm。需保证U肋对接焊缝 3处U肋加固钢板5边缘超出裂纹面1000～1500mm。竖向支撑杆13由固定套管、可伸缩套管、卡扣、脚垫连接构成，具体地，固定套管内设置有可伸缩套管，固定套管和可伸缩通过卡扣固定，固定套管和可伸缩套管的自由端设置有脚垫。使用时，用固定钢管连接下脚垫顶住箱梁底板，然后装入可伸缩套管，将高度伸至待加固部位，顶紧需要被加固的U肋加固钢板5一侧，之后用卡扣卡紧，同样的方法用支撑杆15顶住U肋加固钢板5另一侧，即可完成临时辅助加固。 [0046] S7、如图5所示，待底层碳纤维增强树脂基复合材料4与钢板形成强度后，拆除竖向支撑杆13，之后在U肋加固钢板5及碳纤维增强树脂基复合材料4上重复S3～S4步骤粘贴碳纤维增强树脂基复合材料4形成组合加固构造复合层共同受力，即组合加固构造由碳纤维布‑钢板‑碳纤维布构成。本实施例中碳纤维增强树脂基复合材料4基层由4～6层碳纤维布4‑1涂抹环氧树脂胶4‑2粘结而成，每层碳纤维布置之间可采用正交粘贴或斜交粘贴。 [0047] 实施例2 [0048] 在图6～11中，本实施例涉及的一种钢桥面内应力疲劳细节的冷、热组合加固方法，上翼缘板7和下翼缘板14之间垂直腹板8焊接有竖向加劲肋9，相邻翼缘板之间焊接连接产生翼板对接焊缝10，本实施例主要针对翼板对接焊缝10处裂纹进行加固，包括以下步骤： [0049] S1、如图6、7所示，对长度超过100mm的翼板对接焊缝10疲劳裂纹处进行重熔、焊接热维护，消除原有裂纹，预热范围应超过裂纹尖端100mm；热加固方法包括但不限于焊接法、重熔法、热切割法。 [0050] S2、待疲劳裂纹处降至环境温度后，焊缝打磨掉余高后，对翼板对接焊缝10疲劳裂纹处母材和碳纤维增强树脂基复合材料4的粘贴面做清理、粗糙化处理，翼板加固钢板11表面需打磨、喷砂处理；如图11所示，本实施例的碳纤维增强树脂基复合材料4由若干层碳纤维布4‑1涂抹环氧树脂胶4‑2浸渍粘结而成，碳纤维增强树脂基复合材料4具有良好的粘结、抗拉性能，可降低裂纹尖端应力，在碳纤维增强树脂基复合材料4表面粘贴翼板加固钢板11提高钢板梁翼板对接细节抗面内应力疲劳能力，从而可以有效改善典型细节的受力性能，有效抑制面内应力疲劳裂纹的萌生和扩展。 [0051] S3、如图8所示，处理后的待加固处表面粘贴面上均匀涂抹厚度为0.3～0.5mm的环氧树脂底胶，本实施例中胶层厚度为0.5mm，粘贴首层碳纤维布4‑1，并使用脱泡罗拉在碳纤维布4‑1上沿纤维方向滚压若干次，使环氧树脂胶与碳纤维布4‑1充分浸渍； [0052] S4、首层碳纤维布4‑1上表面指触干后，均匀涂抹0.3～0.5mm的环氧树脂胶4‑2至首层碳纤维布4‑1表面上并用脱泡罗拉沿纤维方向滚压2～3次，粘贴第二层碳纤维布4‑1，重复若干次直至达到预定厚度形成碳纤维增强树脂基复合材料4，其中，本实施例中各碳纤维布4‑1之间胶层厚度为0.5mm； [0053] S5、如图9所示，在碳纤维增强树脂基复合材料4上预定位置涂抹1.0～1.5mm厚的环氧树脂胶层，粘贴翼板对接焊缝10至碳纤维增强树脂基复合材料4上，碳纤维布4‑1粘贴范围超出翼板加固钢板11四周500～1000mm。其中，本实施例中胶层厚度为1.0mm。 [0054] S6、在距离翼板加固钢板11边缘位置10～20mm处粘贴若干个辅助加固装置12进行临时固定，辅助加固装置12的个数根据翼板加固钢板11的尺寸确定，本实施例中的翼板加固钢板11为矩形结构，长×宽＝1500×300mm，厚度为12mm。需保证翼板对接焊缝10处翼板加固钢板11边缘超出裂纹面3000～5000mm。具体地，如图10所示，辅助加固装置12由底板12‑2、钢条12‑2、螺栓杆组件连接构成，底板12‑1表面设置有螺栓杆组件，钢条12‑2两端加工有通孔，螺栓杆组件套设于钢条12‑2通孔内。底板12‑1尺寸为35×40mm，底板12‑1中心焊有M10螺栓，钢条12‑2长度300mm，两端开孔长度30mm，底板12‑1用改性丙烯酸酯胶固定于翼缘板内侧，钢条12‑2通过螺栓杆组件紧固使其紧贴于翼板加固钢板11表面，对其进行辅助加固。 [0055] S7、待底层碳纤维增强树脂基复合材料4与钢板形成强度后，拆除辅助加固装置12，之后在翼板加固钢板11及碳纤维增强树脂基复合材料4上重复S3～S4步骤粘贴碳纤维增强树脂基复合材料4形成组合加固构造复合层共同受力，即组合加固构造由碳纤维布‑钢板‑碳纤维布构成。本实施例中碳纤维增强树脂基复合材料4基层由4～6层碳纤维布4‑1涂抹环氧树脂胶4‑2粘结而成，每层碳纤维布置之间可采用正交粘贴或斜交粘贴。 |
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