钢管结构加固概述

钢管结构加固概述

薛旭辉臧晓琳

山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590

摘要：随着时代的发展，钢结构被广泛的应用于工程建设中，尤其是在体育场、桥梁、展览馆及海洋平台等大型结构中得到了广泛应用。在钢管结构中，由于空心圆管管壁较薄，径向刚度较小，且焊缝部位又存在着很大的应力集中现象，因此在主管表面靠近焊缝部位极易发生局部屈曲或屈服而导致失效，所以管节点是钢管结构的薄弱环节。

关键词：碳纤维增强复合材料；圆钢管节点；加固

0引言

自20世纪40年代起,随着世界上第一座以钢管为主要部件的海洋平台的建立,人们开始发现钢管结构具有造型美观、受压性能好、稳定性好、节省钢材、自重轻等优点,这是其他类型的钢结构体系所不具备的。所谓钢管结构,其实就是以节点的形式将各个杆件连接在一起,杆件的形式为空心钢管,这就形成了钢管结构,钢管结构种类繁多,现阶段人们根据杆件截面形式的不同,大致的将钢管结构分为圆钢管结构、方钢管结构以及方、圆钢管组合结构。

1钢管结构的发展与应用

国外对于钢管结构研究较早,如美国的新河谷桥,桥面结构采用典型的欧洲式[1],拱圈采用桁架式,各构件连接形式多样,造型美观;采用钢架镂空结构支撑整个塔身的埃菲尔铁塔;还有日本大阪关西国际机场航站楼屋面、德国斯图加特机场候机大厅等都是著名的钢管结构建筑[2]。

2圆钢管结构的优点

钢管结构之所以能够在建筑结构中得到广泛应用，与其在力学性能、结构和经济性等方面的独特优势是密不可分的。圆钢管结构具有以下众多优点：

(1)在建筑效果方面，由于圆钢管截面形状为圆形，视觉效果较好，易于对结构的造型，并且圆形截面受力性能较好，能够形成可靠的结构体系；

(2)从经济角度来看，圆钢管截面相比于其它类型的截面形式，在相同的受力条件下，圆钢管截面所用的材料更少，结构外表面积小，更加节约资金；

(3)从材料力学角度来说，圆钢管截面属于严格对称截面，并且抗扭刚度较大，没有局部突出部位，不会产生应力集中现象，具有较高的承载能力，并且能够节约空间，更好的发挥空间的利用率；

(4)从清洁角度来看，圆钢管截面表面光滑，相比其它截面更易于清洁。

3钢管结构的节点加固形式

钢管结构是由节点把各空心管相互连接起来,节点是这类结构至关重要的组成部分,作为荷载传递的关键部位,结构性能的好坏与之密切相关[3]。因此,选用适宜的节点形式对钢管结构性能的好坏有着至关重要的作用。目前钢管结构的节点形式众多,主要采用的节点类型有螺栓球节点、焊接球节点、法兰节点、铸钢节点、相贯节点及其他基本形式的组合节点等节点形式。

3.1主管核心区局部加厚

这种加固方式是采用将主管与支管相交附近区域的主管管壁加厚的方式来增强节点刚度,主要是增加了主管的径向刚度。这种加固方式的设计方法较为简单,得到的加固效果也很明显,但是施工过程较为复杂,对技术工人的要求较高。

3.2主管节点处加垫板(鞍形板)

这种加固方式是指将一块垫板焊接在主管表面上,然后再将支管焊接在这块垫板上,以此来增加主管的刚度从而提高节点的承载力。加设垫板可以有效的提高节点的承载力和延性,并且能够改善节点处的应力集中。采用这种加固方式不能用来加固已经建成的建筑,因为无法在主管处再焊接垫板,同时对节点的外观也有一定影响。

3.3套管加固

这种加固方式是指在主管与支管的相交区域在主管或支管的部分或全部区域套上钢管套管与主管或者支管采用角焊缝连接在一起，以提高节点的承载能力。这种加固方式可以显著提高节点的承载力。但这种方法在实际应用中很难保证焊接的质量，因此在工程中应用较少，仍需要进一步的探索。

3.4主管焊接内加劲肋（环）

这种加固方式是指在主管内部靠近主支管相交的部位设置一道或多道加劲肋,加劲肋可以横向或纵向布置,以此来增加主管的刚度,提高节点的承载力。这种方法是在内部进行焊接,不影响结构的外观,并且加固效果也很明显,但同样的这种方法也不适用于已经完工的工程,无法在内部进行加劲肋的加固。

3.5主管焊接外加劲环

这种加固方法是在主管外部焊接一道或者多道加劲环，加劲环与主管通过焊缝连接，这种加固方法与套管加固方法类似，最大的不同就是这种加固方法只在主管外围焊接加劲环，不影响主支管间的连接方式，以此增加节点强度。这种加固方式操作简单，在工程的任何阶段都可以进行加固，但是由于需要在外部焊接，影响结构美观，并且对于复杂类型的节点不适用，因此应用范围较少。

3.6环口板加固

环口板加固是指将环口板与主管和支管分别焊接在一起，这种加固方式不改变主管与支管原有的连接方式，这是与垫板加固最大的不同之处。这种加固方法虽然加固效果较好，但施工工序复杂，对加工的精度也有一定的要求。

4CFRP加固法

上述加固方法虽然能够有效地提高节点的承载力,但是由于大部分需要进行现场焊接,对工人要求较高,操作难度较大且焊缝的质量不容易得到保证,因此需要一种易操作且简便有效的加固方法。其中CFRP加固法对原结构没有损伤,对原结构的整体性也没有影响,具有施工方便、轻质、高强和耐腐蚀等诸多优点,已经在实际工程中得到了非常广泛的应用。这种加固方法主要是通过在主管表面涂刷胶黏剂,使CFRP粘贴在主管表面,成为一个整体,使CFRP与节点共同承担荷载,以此来提高节点的承载能力。

4.1CFRP加固法的优点

(1)CFRP材料有较高的强度和刚度，在同一条件下加固相同的构件，用同样尺寸的CFRP和金属板进行加固，CFRP的加固效果要好于用金属板加固，并且CFRP自重轻，施工方便。

(2)粘贴CFRP加固，是将CFRP粘贴在需要加固的构件表面，这种加固方法不会影响原结构的整体性能，并且粘贴CFRP也不会对原结构产生应力集中现象，避免了对原结构的二次破坏。

(3)在采用CFRP加固金属构件时，由于金属构件形状多样，种类繁多，对于复杂形状的构件的加固，若采用其他加固方法，尤其是在节点处，不利于施工，而CFRP是柔性材料，能够很好的贴合被加固的构件，并且CFRP不会对原结构产生腐蚀，优势明显。

(4)对于损伤构件或是受到腐蚀的结构的加固，CFRP依然具有较大优势，因为CFRP不会对原结构产生二次损伤，并且CFRP强度高，弹性模量较大，采用CFRP加固可以延缓原结构的破坏速度，满足结构耐久性的要求，提高使用寿命。

(5)对于需要在施工现场直接加固的结构，CFRP加固的优势更加明显，CFRP加固不需要投入大量的人力物力就可以加固完成，并且操作简单，不需要焊接，即使不是经验丰富的工作人员也可以完成，同时不需要大量的空间，尤其是对于建筑内部操作空间狭小的结构的加固，采用CFRP加固要比其他形式的加固更为方便。

5结论

从前文可以看出，目前普遍采用的加固手段包括内置加固法及外置加固法等方式,这些方法对焊接过程要求严格，对工人的操作要求高，操作难度大，对结构的外观也有一定的影响。CFRP加固法最大的优点是它可以用来对在役的管节点进行现场加固，而其他加固方式如垫板加强、套管加强等只能在前期进行加固，并且采用CFRP加固受损管节点时，操作简单，施工方便同时能够有效的延缓节点的破坏，提高节点的延性，能显著提高受损节点的承载力。因此探讨采用CFRP加固管节点以提高其承载力,进而改善其稳定性,是非常有必要的。

参考文献：

[1]王辉.高速铁路圆端形空心桥墩抗震性能试验研究及理论分析[D].中南大学,2012-05-01.

[2]吴耀华,吴文奇.钢管在结构工程中的应用与发展[J].钢结构,2005,20(2):45-49.

[3]刘建平.钢管相贯节点的研究现状和动向[J].钢结构,2003,18(4):13-15.