一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土木工程中的结构工程技术领域，涉及一种加固金属管节点的方法。
【背景技术】
[0002] 金属管结构历史悠久并且应用广泛，但是随着社会的发展，很多结构最初的设计 已经难以满足现在的使用要求，出现许多由于结构超载等原因导致损伤甚至破坏的案例。 因此，对既有金属管结构的加固，尤其是对其关键部位一一金属管节点的加固具有重要的 理论意义和实用价值。传统加固方法包括钢板粘贴、套管加固、肋板焊接等，不仅施工困难， 影响美观，耐蚀性差，而且某些方法（例如焊接肋板）极可能引起节点区域应力集中，致使 节点在反复荷载作用下更容易发生疲劳破坏。
[0003] 纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，FRP)是继混凝土、金属之后的第 三大现代建筑材料，具有轻质高强、成型方便、耐腐蚀等优点以及绝缘、绝热等功能。相较于 焊接钢板等方法，采用外贴FRP加固金属管节点的方法（简称FRP加固法）克服了传统加 固方法的诸多缺陷，已日益成为结构加固领域的主流。但是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宄和设计十分欠缺。因此，提出一套合理可行 的FRP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 宄提供参考。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种采用纤维增强复合材料加固金属 管节点的方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 本发明提供了一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，包括以下步 骤：首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复 合材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部锚固三个步骤，最后进行养护。
[0007] 所述圆管K型节点根据材料区分为铝管K型节点或钢管K型节点；根据几何形状 区分为平面圆管K型节点或空间圆管K型节点
[0008] 所述纤维增强复合材料布，包括碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforced Polymer，CFRP)、玻璃纤维增强复合材料（GlassFiberReinforcedPolymer，GFRP)等。选 用FRP材料时，需要决定弹性模量E和抗拉强度f两个材料参数，建议所选FRP材料的弹性 模量不低于金属结构，同时综合考虑经济性问题，所选FRP材料的抗拉强度为金属结构屈 服强度的10倍以上。
[0009] 所述表面处理为抛丸处理，目的是除去锈层，并且使表面粗糙，以利于胶层附着； 对局部油污较多的地方，采用丙酮除污，目的也是便于胶层附着。
[0010] 所述胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；其中面胶是结构粘合剂的 主要成分，用来浸润到FRP布中形成复合材料；面固是面胶的固化剂，作用是促使面胶快速 凝固。加固时需要把二者按面胶和面固3:1的比例混合均匀使用。
[0011] 所述双向纤维增强复合材料布加固是采用双向FRP布，以两层为一个单位来环向 加固金属管节点主管，并保持双向FRP布的其中一类纤维方向与主管轴线保持一致；双向FRP布在主管上的粘贴长度L&pl应满足下式：
【主权项】
1. 一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在于：包括w下步骤： 首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复合 材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部错固=个步骤，最后进行养护。
2. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述金属管节点包括圆管K型节点、圆管Y型节点、KT型节点、KK型节点；优选地，所述 圆管K型节点根据材料区分为侣管K型节点或钢管K型节点；根据几何形状区分为平面圆 管K型节点或空间圆管K型节点。
3. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述纤维增强复合材料包括碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料； 或所述表面处理为抛丸处理，对局部油污较多的地方，采用丙酬除污； 或所述胶粘剂为结构专用胶，由面胶和面固两部分组成；加固时面胶和面固按质量比 为3:1的比例混合均匀。
4. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述双向纤维增强复合材料布加固是采用双向FRP布，W两层为一个单位来环向加固 金属管节点主管，并保持双向FRP布的其中一类纤维方向与主管轴线保持一致；双向FRP布 在主管上的粘贴长度Lfw应满足下式：
式中，Lftpi为双向FRP布在主管上的粘贴长度，单位mm;k为加固系数，D、T分别为主管 的直径和壁厚，单位mm;d为支管的直径，单位mm; 0为主管与支管轴线夹角，单位度；对于 圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm对于搭接节点，g取搭接长度的负值，单位mm。
5. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述单向纤维增强复合材料布加固是采用单向FRP布层为一个单位来增强主管与 支管，并且保持纤维方向与支管轴向平行；单向FRP布在支管上的粘贴长度Lftp2应满足下 式：
式中，为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位mm;1e为FRP与金属结构之间的有 效粘结长度，单位mm，d为支管的直径，单位mm;0为主管与支管轴线夹角，单位度。
6. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述单向纤维增强复合材料布加固包括W下两部分；节点域中间区域加固和节点域侧 面区域加固；其中，节点域中间区域加固对应的单向FRP布的两端分别粘贴在节点中间区 域的两个支管上，总长应满足下式，
式中，为单向FRP布在节点域中间区域的粘贴长度，单位mm;Lftp2为单向FRP布 在支管上的粘贴长度，单位mm;对于圆管K型间隙节点，g取间隙长度，单位mm;对于搭接节 点，g取搭接长度的负值，单位mm; 节点域侧面区域加固对应的单向FRP布的一端粘贴在支管上，另一端绕过主管底部继 而缠绕粘贴在主管上，总长应满足下式： 式中，Lftp2sid。为单向FRP布在节点域侧面区域的粘贴长度，单位mm;D为主管的直径， 单位mm;Lftp2为单向FRP布在支管上的粘贴长度，单位腫1。
7. 根据权利要求6所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于：所述单向纤维增强复合材料布加固中的节点域中间区域加固和侧面区域加固是根据节 点区域的几何形状，裁剪两类单向FRP布，分别为类型I和类型II，分别对应节点域中间区 域加固与侧面区域加固。
8. 根据权利要求6所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述单向纤维增强复合材料布加固中，节点域中间区域加固和侧面区域加固包括W下 步骤；首先根据节点区域的几何形状，裁剪类型I和类型II两类单向FRP布，分别对应节点 域中间区域加固与侧面区域加固；其次，采用裁剪好的类型I单向FRP布来加固节点域中间 区域；然后，采用裁剪好的类型II单向布加固侧面区域，使得每一块单向布的一端粘贴在 支管上，另一端绕过主管底部继而缠绕粘贴在主管上。
9. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述端部错固包括W下步骤：采用单向FRP布作为压条，在加固区域端部环向错固支管 和主管处的FRP布，同时在节点域中间区域设置环向压条做错固，其目的是使得单双向FRP 布在加固区域端部与金属管紧密结合；同时，保持端部压条的纤维方向与主管或支管的轴 线垂直；每个错固位置均缠绕=层单向FRP布。
10. 根据权利要求1所述的采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，其特征在 于；所述端部错固是根据节点尺寸裁剪=类单向FRP，分别对应主管端部、支管端部和主管 间隙处=个区域的压条，其宽度分别为1。^1、1。^2和1。^其长度则分别为对应管件截面外表 面的=倍周长，将FRP布剪成两段，每一段缠绕管件一圈半。
【专利摘要】本发明公开了一种采用纤维增强复合材料加固金属管节点的方法，包括以下步骤：首先对金属管节点进行表面处理，然后铺设胶粘剂进行加固，依次包括双向纤维增强复合材料布加固、单向纤维增强复合材料布加固和端部锚固三个步骤，最后进行养护。本发明的方法施工简便、无需复杂设备，并适应管节点复杂的几何外形。同时，所粘贴的FRP材料轻质高强、无需额外增加节点负重。加固完成后，节点外形美观，并具有良好的耐久性。本发明的方法针对常见金属管节点，通过使FRP材料与金属管节点协同工作并抑制节点变形的方式，来提高节点的刚度、延性、承载力等静力性能及疲劳性能；该方法同样可以为其他类型的管节点提供设计思路上的参考。
【IPC分类】E04G23-02, E04B1-58
【公开号】CN104790683
【申请号】CN201510174183
【发明人】傅宇光, 童乐为, 周海明
【申请人】同济大学, 上海怡昌碳纤维材料有限公司
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月14日