钢结构梁的抗疲劳加固方法

摘要

本发明公开了一种钢结构梁的抗疲劳加固方法。本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法通过在钢结构梁的疲劳敏感区域粘贴碳纤维布来实现对钢结构梁的抗疲劳加固，从而从根本上提高钢结构梁的疲劳寿命，例如，增大在钢结构梁中性轴下方的疲劳敏感区域的碳纤维布粘贴面积、以增强对疲劳裂纹扩展的限制能力，增强碳纤维布对加强肋附近的加固效果等；与此同时，该抗疲劳加固方法避免在钢结构梁的非疲劳敏感区域粘贴碳纤维布，从而能够避免材料的浪费。即，本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法能够以较小的材料耗费换取尽可能达的加固效果。另外，本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法实施难度不高。

说明书

技术领域

本发明涉及钢结构的加固修复技术，特别涉及一种钢结构梁的抗疲劳加固方法、其适用 于例如吊车梁等任一种钢结构梁。

背景技术

工业建筑中的钢结构梁为常见的结构构件，例如，作为工业厂房的重要组成部分的吊车 梁，钢结构梁的结构状况良好与否直接关系到工业建筑的使用安全。但在实际应用中，大部 分钢结构梁在尚未达到其设计使用年限时就产生早期破损，其中80％～90％的破损是由于疲劳 引起。因此，为了提高钢结构梁的疲劳寿命，现有技术通常采用碳纤维复合增强材料(Carbon FiberReinforcedPolymer，CFRP)的纤维布(本文将CRFP的纤维布简称为“碳纤维布”)对 工业建筑中的钢结构梁进行抗疲劳加固修复。

然而，现有技术在采用碳纤维布对工业建筑中的钢结构梁进行抗疲劳加固修复时，往往 只关注钢结构梁出现疲劳裂纹的破损处、并仅以单点修补的方式在破损处粘贴碳纤维布，或 者，盲目地在钢结构梁大范围粘贴碳纤维布，但无论是单点修补还是大范围盲目粘贴，都不 能从根本上提高钢结构梁的疲劳寿命，而且大范围盲目粘贴谈纤维布还会造成材料的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种钢结构梁的抗疲劳加固方法，该钢结构梁包括腹板、形成在 腹板上方的上翼缘、形成在腹板下方的下翼缘、以及垂直焊接在腹板的两侧表面的加强肋， 其中，该抗疲劳加固方法包括粘贴碳纤维布的如下步骤：

沿钢结构梁的长度方向，在腹板的两侧表面通长粘贴第一碳纤维布，该第一碳纤维布位 于加强肋的下端与下翼缘的上表面之间；

沿钢结构梁的长度方向，在下翼缘的上下表面分别通长粘贴第二碳纤维布和第三碳纤维 布；

沿钢结构梁的长度方向，在腹板的两侧表面粘贴包裹加强肋的第四碳纤维布，该第四碳 纤维布位于钢结构梁的中性轴与加强肋的下端之间；

沿钢结构梁的高度方向，在被第四碳纤维布包裹的每个加强肋的两侧粘贴包裹下翼缘、 并粘附在腹板的两侧表面的第五碳纤维布；

沿钢结构梁的高度方向，在第一碳纤维布的两个端部分别粘贴包裹下翼缘、并粘附在腹 板的两侧表面的第六碳纤维布。

优选地，第一碳纤维布的两个端部位于钢结构梁在加强肋的下端与下翼缘的上表面之间 的疲劳敏感区域的长度边界处。

优选地，粘贴在下翼缘的上表面的第二碳纤维布和粘贴在下翼缘的下表面的第三碳纤维 布在下翼缘的侧边处搭接，和/或，粘贴在下翼缘的上表面的第二碳纤维布与腹板的两侧表面 通长粘贴的第一碳纤维布搭接。

优选地，第四碳纤维布的两个端部位于钢结构梁在钢结构梁的中性轴与加强肋的下端之 间的疲劳敏感区域的长度边界处。

优选地，在被第四碳纤维布包裹的每个加强肋的两侧分别粘贴一道第五碳纤维布。

优选地，在第一碳纤维布的每个端部粘贴三道第六碳纤维布。

可选地，第一至第六碳纤维布均为多层结构。例如，所述的多层结构包括三层。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前，进一步切割加强肋的下 端。具体地，加强肋的下端被倾斜切割、并在完成切割后被进一步打磨。相应地，被切割后 的加强肋的下端与下翼缘的上表面之间的距离大于50mm。例如，被切割后的加强肋的下端 与下翼缘的上表面之间的距离为100mm。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前，进一步进行钢结构梁的 表面打磨。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前，进一步对碳纤维布基材 裁剪得到第一至第六碳纤维布、并对裁剪得到的第一至第六碳纤维布进行防尘保护。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，涂敷的粘结剂层厚在 0.1～0.3mm之间。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，沿纤维方向对第一至第六 碳纤维布进行滚压。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，对粘贴的第一至第六碳纤 维布的粘结剂进行负压固化。

可选地，该抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤之后，进一步进行钢结构梁的 表面防护。

如上可见，本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法通过在钢结构梁的疲劳敏感区域粘 贴碳纤维布来实现对钢结构梁的抗疲劳加固，从而从根本上提高钢结构梁的疲劳寿命；与此 同时，该抗疲劳加固方法避免在钢结构梁的非疲劳敏感区域粘贴碳纤维布，从而能够避免材 料的浪费。即，本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法能够以较小的材料耗费换取尽可能 达的加固效果。另外，本发明提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法实施难度不高。

附图说明

图1为本发明实施例中的钢结构梁的抗疲劳加固方法的加固实例示意图；

图2为图1中的A-A剖面的简易剖视图；

图3为图1中的B-B剖面的简易剖视图；

图4为图1中的C-C剖面的简易剖视图；

图5为图1中所示出的钢结构梁的下翼缘处的局部剖面示意图；

图6为图1中所示出的钢结构梁的加强肋的切割方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对 本发明进一步详细说明。

本实施提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法通过在钢结构梁的疲劳敏感区域粘贴碳纤 维布来实现对钢结构梁的抗疲劳加固，从而从根本上提高钢结构梁的疲劳寿命，该抗疲 劳加固方法适用于图1中示出的钢结构梁10，该钢结构梁10包括腹板11、形成在腹板 11上方的上翼缘12、形成在腹板11下方的下翼缘13、以及垂直焊接在腹板11的两侧 表面的加强肋14。

请参见图1并结合图2至图5(图2至图5中为了更清楚地表示碳纤维布的布置方 式而省略了本应示出的加强肋14)，基于钢结构梁10的上述结构，本实施例提供的抗 疲劳加固方法包括粘贴碳纤维布的如下步骤：

步骤a：沿钢结构梁10的长度方向，在腹板11的两侧表面通长粘贴碳纤维布21， 该碳纤维布21位于加强肋14的下端与下翼缘13的上表面之间。

优选地，碳纤维布21的两个端部位于钢结构梁10在加强肋14的下端与下翼缘13 的上表面之间的疲劳敏感区域的长度边界处，这样，可以有效利用碳纤维布21对钢结构 梁10的疲劳敏感区域进行加固、并同时避免在非疲劳敏感区域粘贴碳纤维布所造成的材 料浪费。

其中，对于图1中示出钢结构梁10，其在加强肋14的下端与下翼缘13之间的疲劳 敏感区域的长度边界位于钢结构梁10在长度方向上的两端跨度1/5处，但实际应用中， 对于钢结构梁10可能出现的不同尺寸规格，其在加强肋14的下端与下翼缘13之间的疲 劳敏感区域的长度边界位置可能会有所不同。

步骤b：沿钢结构梁10的长度方向，在下翼缘13的上下表面分别通长粘贴碳纤维 布22和23，这样，通过在下翼缘13的上下表面的同时加固，能够提高对下翼缘13开 裂的约束力。

优选地，粘贴在下翼缘13的上表面的碳纤维布22和粘贴在下翼缘13的下表面的碳 纤维布23可以按照如图5所示的方式在下翼缘13的侧边处搭接，这样，可以防止下翼 缘13在其侧边产生疲劳源开裂、并保证下翼缘13的上下表面碳纤维布22和23能够形 成协同工作的加固整体。

而且，粘贴在下翼缘13的上表面的碳纤维布22优选地还可以按照如图2至图4所 示的方式与在腹板11的两侧表面通长粘贴的碳纤维布21搭接，这样，可以抑制下翼缘 13与腹板11连接处的焊缝30裂纹扩展。实际应用中，上述两种搭接方式可以择一地实 施、或同时实施。

步骤c：沿钢结构梁10的长度方向，在腹板11的两侧表面粘贴包裹加强肋14的碳 纤维布24，该碳纤维布24位于钢结构梁10的中性轴与加强肋14的下端之间，这样， 腹板11的两侧面除了粘贴有碳纤维布21之外，还同时粘贴有碳纤维布24，这就相当于 增大了在钢结构梁10的中性轴下方的疲劳敏感区域的碳纤维布粘贴面积、以增强对疲劳 裂纹扩展的限制能力，而且，碳纤维布24还能够对加强肋14与腹板11之间的焊缝区域 实施有效保护和加固。

优选地，碳纤维布24的两个端部位于钢结构梁10在其中性轴与加强肋14的下端之 间的疲劳敏感区域的长度边界处，这样，与碳纤维布21的优选粘贴方式同理，可以有效 利用碳纤维布21对钢结构梁10的疲劳敏感区域进行加固、并同时避免在非疲劳敏感区 域粘贴碳纤维布所造成的材料浪费。

其中，对于图1中示出钢结构梁10，其在中性轴与加强肋14的下端之间的疲劳敏 感区域的长度边界位于钢结构梁10在长度方向上的两端跨度1/3处，但实际应用中，对 于钢结构梁10可能出现的不同尺寸规格，其在中性轴与加强肋14的下端之间的疲劳敏 感区域的长度边界位置可能会有所不同。

步骤d：沿钢结构梁的高度方向，在被碳纤维布24包裹的每个加强肋14的两侧粘 贴包裹下翼缘13、并粘附在腹板11的两侧表面的碳纤维布25，这样，就相当于利用碳 纤维布25在邻近加强肋14的位置处形成了U型箍、以提高对腹板11邻近加强肋14的 位置处的加固效果，而且，包裹下翼缘13的碳纤维布25还可以防止下翼缘13粘贴的碳 纤维布22和23脱胶掉落。

优选地，在被碳纤维布24包裹的每个加强肋14的两侧可以分别只粘贴一道碳纤维 布25，但实际应用中并不限于此。

另外，对于用作U型箍的碳纤维布25，其对下翼缘13的包裹需要尽可能保证转角 处粘贴质量，而且相比于其他位置处的粘贴，用作U型箍的碳纤维布25在转角处可以延 后脱胶时间和脱胶速率。

步骤e：沿钢结构梁的高度方向，在碳纤维布21的两个端部分别粘贴包裹下翼缘13、 并粘附在腹板11的两侧表面的碳纤维布26，这样，就相当于利用碳纤维布26在碳纤维 布21的端部形成了U型箍、以防止通长粘贴的碳纤维布21在端部发生脱胶。

优选地，为了更好地防止通长粘贴的碳纤维布21在端部发生脱胶，在碳纤维布21 的每个端部可以粘贴三道碳纤维布26。

另外，与同样用作U型箍的碳纤维布25同理，碳纤维布26对下翼缘13的包裹需要 尽可能保证转角处粘贴质量、并可以在转角处延后脱胶时间和脱胶速率。

至此，在钢结构梁的疲劳敏感区域粘贴碳纤维布的流程结束。

补充说明的是，上述的碳纤维布21～26均可以为多层结构，即，图1中示出的碳纤 维布21～26都可以是多层粘贴，其中，这里所述的多层结构优选地为三层。当上述的碳 纤维布21～26选用多层结构时，上述步骤a～步骤e中的每一步骤可以按照多层结构的层 数重复执行。

如上可见，本实施例提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法通过在钢结构梁10的疲劳敏 感区域粘贴碳纤维布来实现对钢结构梁的抗疲劳加固，从而从根本上提高钢结构梁10的 疲劳寿命；与此同时，该抗疲劳加固方法避免在钢结构梁10的非疲劳敏感区域粘贴碳纤 维布，从而能够避免材料的浪费。即，本实施例提供的钢结构梁的抗疲劳加固方法能够 以较小的材料耗费换取尽可能达的加固效果。

此外，除了在钢结构梁的疲劳敏感区域粘贴碳纤维布之外，本实施例的抗疲劳加固 方法还提供了其他的施工工艺优化，下面分别予以详细说明。

1)、在粘贴碳纤维布之前的加强肋切除：

通常情况下，加强肋14下端距下翼缘13上表面的距离标围可以为50-100mm，其中， 对于上述距离不足100mm的情况，容易导致粘贴碳纤维布21和22的施工空间过小，不 利于本实施例中的抗疲劳加固方法的实施。

为此，对于加强肋下端距下翼缘上表面距离都只有50mm的情况，本实施例中的抗 疲劳加固方法可以在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前进一步切割加强肋14的下端，使被 切割后的加强肋14的下端与下翼缘13的上表面之间的距离大于50mm(100mm为最优)， 从而增大粘贴碳纤维布21和22的施工空间，进而降低钢结构梁的抗疲劳加固方法的实 施难度。而且，切割加强肋14的下端，还可以减小加强肋14在其下端承受的应力，从 而提高加固效果。

请参见图6，本实施例优选地对加强肋14的下端实施倾斜切割(被切割的部分由剖 面线表示)，具体说：首先，可以利用角磨机刀片从加强肋14的侧边倾斜切下、直至将 加强肋14的下端全部切除，但需要保证腹板11平整无损伤；其次，使用角磨机磨片将 加强肋14由于下端被切除而在腹板11残留的焊缝打磨去除，保证腹板11在加强肋14 被切除部分的区域光滑平整。

2)、在粘贴碳纤维布之前的钢结构梁表面打磨

本实施例提供的抗疲劳加固方法可以在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前，进一步进 行钢结构梁的表面打磨。

具体说，由于钢结构梁经过长时间使用后会在表面形成浮锈、或者可能存在表面留 存有防锈涂料，因此，在粘贴前需要对钢结构梁的表面进行处理、以获得稳定的活性表 面。实际应用中，可使用角磨机对钢结构梁的表面进行打磨，并且在打磨过程中，应注 意避免磕碰钢结构梁、以防止出现次生缺陷。打磨是否完成可以参照是否出现光亮表面 为考量标准，而且，打磨后的表面存在适当的锯齿痕迹有利于碳纤维布的粘贴效果。另 外，打磨后的钢结构梁的表面不适于长期暴露，应尽快完成碳纤维布的粘贴、以防止打 磨后的表面受到腐蚀和污染。更优地，打磨后的表面还可利用挥发性溶剂(酒精或丙酮) 擦洗干净，以便于更有效地避免表面污染、并进一步保证粘贴性能。

3)、在粘贴碳纤维布之前的碳纤维布裁剪

本实施例提供的抗疲劳加固方法可以在执行粘贴碳纤维布的各步骤之前，进一步对 碳纤维布基材裁剪得到碳纤维布21～26、并优选地对裁剪得到的第一至第六碳纤维布进 行防尘保护。

其中，在裁剪时应合理规划碳纤维布的裁剪方式，保证合理利用材料，减少废料； 在裁剪时应尽量保证边缘碳纤维束的完整性，若在裁剪过程中发现有碳纤维丝散落或碳 纤维束断开，则应将其整束裁去，以防止在粘贴过程中影响胶结效；并且，在裁剪时应 在碳纤维布基材的下方铺垫例如塑料布等衬垫，防止CFRP沾染灰尘，裁剪好的碳纤维 布21～26应平铺或者卷成桶状放置、以避免碳纤维丝束弯折，同时上方应通过遮盖例如 塑料布等遮盖体进行防尘。

4)、在粘贴碳纤维布之前的粘结剂配置

粘结剂中的固化剂比例应当确保粘结剂的胶层固化、并同时避免粘结剂的胶层综合 性能降低。在调配粘结剂时应注意，从挖取不同组分的工具不应混用、调配的工具也不 应接触盛胶容器中未使用的各组分，以防胶液组分变质失效。而且，调配时应将各组分 充分搅拌均匀，如果固化剂分散不均匀，粘结剂就容易固化不完全或者局部发粘发泡、 严重影响粘结性能。调配粘结剂时还应根据施工进度、固化温度等因素确定配胶量，若 一次配制的胶量过多，则一方面会使得粘结剂释放大量的热、并由此减少粘贴时可用的 固化时间，另一方面会造成粘结剂的材料，优选地，每次调配的粘结剂可保证在半小时 内使用用完即可。

5)、在粘结碳纤维布过程中的粘结剂涂覆

本实施例中的抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，涂敷粘结剂时要求 胶层厚度均匀、无气泡，涂敷的粘结剂层厚优选地在0.1～0.3mm之间。

6)、在粘结碳纤维布过程中的滚压

本实施例中的抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，将准备好的各碳纤 维布21～26分别按照如图1所示粘贴方式铺贴，要求碳纤维布21～26平整顺直，粘贴时 用外力紧压碳纤维布21～26、并用滚筒沿纤维方向对碳纤维布21～26进行一次或多次滚 压，滚压应按顺序从一个方向滚压或由中间向两边滚压；滚压时需注意避免损伤碳纤维 布21～26的纤维丝束。滚压操作一方面能够挤除气泡、另一方面则能够使碳纤维布21～26 能够浸润粘结剂。

另外，对于前文所述的碳纤维布21～26选用多层结构的优选情况，滚压操作能够避 免各层之间产生气泡，同时，为了避免碳纤维布21～26的底层涂敷的粘结剂在固化时散 热不均匀产生热应力的情况发生，碳纤维布21～26的上层优选地在底层的粘结剂指触干 燥之后进行粘贴。而且，粘贴完成的碳纤维布21～26的各层应充分浸润，以保证碳纤维 布21～26的多层碳纤微束能够协同工作。

7)、在粘贴碳纤维布过程中的粘结剂固化

本实施例中的抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤时，可以对粘贴的碳纤 维布21～26的粘结剂进行负压固化，以使碳纤维布21～26与钢结构梁的表面粘结可靠。 其中，负压固化可以通过真空膜来实现。

8)、在粘贴碳纤维布过程之后的表面防护

本实施例中的抗疲劳加固方法在执行粘贴碳纤维布的各步骤之后，可以进行钢结构 梁10的表面防护。

具体说，在碳纤维布21～26粘贴完成后，应根据钢结构梁的实际要求进行表面修整 及防护处理，例如，刮除多余的粘结剂，喷涂防锈漆、喷涂防火涂料和装饰材料等防护 材料，在表面防护过程中，应避免粘结剂的胶层受到冲击力和剥离力，保证碳纤维布21～26 与钢结构梁之间有可靠的粘结。另外在选择防护材料时，应避免防护材料与粘结剂之间 发生相互反应而影响碳纤维布21～26的粘结性能。

9)、在粘贴碳纤维布过程之后的缺陷检查

碳纤维布21～26与钢结构梁之间的粘接质量可用目测法、锤击法、超声波法等方法 进行检验，本实施例优选的方法为目测法和敲击法。

目测法通常用肉眼或放大镜观察观察粘结剂的胶层周围是否出现翘曲、突起剥离、 脱胶、裂缝、孔洞、疏松、缺胶、错位、碳化、结缝不良等现象。通过目测法应确定总 有效面积不小于总粘结面积的95％，与设计要求的位置相比，其中心线偏差不应大于 10mm。如单个空鼓面积不大于100mm2，允许采用针管注胶法进行修补。

敲击法可选用圆木棒或者小锤轻轻敲击粘结部位或手压碳纤维布21～26表面的方法 进行检验，敲击发出清脆的声音、手压无凸凹感，则表明粘结良好，如果声音沉闷沙哑， 则表明碳纤维布21～26内有可能存在气孔、夹空、离层和脱粘等缺陷。

当施工完成时，缺陷检查范围应有针对性，对于可能出现应力集中、应力较大的关 键区域，例如加强肋14与腹板11的焊接处、下翼缘13的端部拐角处，应严格控制胶结 缺陷，对非关键区域可适当允许存在微小缺陷。

基于本实施例提供的上述方案，本实施例以吊车梁为对象进行了测试，在140Mpa 应力幅下，吊车梁的疲劳应力幅提高了303％～376％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。