变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法

摘要

本申请涉及一种变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法，包括以下步骤：并将碳纤维布放入浓度为15％的酒精溶液中放置超过12小时，以去除碳纤维布表面的灰尘和杂质；打磨待粘贴区域，清除表面的杂质；用脱脂棉蘸取酒精溶液后再次擦拭打磨后的待粘贴区域；将环氧树脂粘结剂粘贴在待粘贴区域；将处理过的碳纤维布粘贴在相应的区域，盖上隔离膜后顺着纤维布的纤维方向利用辊压装置辊压粘贴到粘贴表面上的碳纤维布使其充分压实并晾干。采用本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方案，能够有效降低弧形过渡处的最大主应力幅，加固后的疲劳寿命得到很大程度的提高，能够明显提升结构的抗疲劳性能。

说明书

技术领域

本申请涉及一种变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法，适用于疲劳加固的技术领域。

背景技术

钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下不断开展及最后达到临界尺寸而出现的断裂，导致钢结构疲劳的有动力或循环性的活荷载，如桥式吊车对吊车梁的作用等；当温度变化导致应力变化时，也会出现结构疲劳问题。所以，钢结构建筑物在使用时要注意疲劳问题。焊接结构的焊缝因容易产生缺陷，是疲劳破坏可能产生裂源的主要部位，这些部位经常存在数值可高达钢材屈服点的残余拉应力，它改变了该部位的实际应力状态，从而影响了应力幅。自焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐认识到应力幅和疲劳强度密切相关，并且残余应力参与到应力幅值里。另外，钢结构中一般应力集中，在静力荷载的作用下，其高峰应力常因钢材的塑性发展而相对减少，而较低应力部位的应力增大，使截面的不均匀应力趋于均匀，因而不影响截面的极限承载力，设计时可不考虑其影响。但较严重的应力集中，在高峰应力区域内总是存在较大的应力场，使钢材的塑性变形困难而出现脆性断裂，特别是在动力荷载的作用下，常是结构发生疲劳破坏的主要原因。

对于运行吊车的厂房，钢吊车梁的截面高度可以高达2000mm以上，设计时经常在吊车梁端部利用其承受剪力大、弯矩小的特性改变吊车梁的截面，以适应不同跨度吊车梁梁高的变化，主要做法是将其端部设计为变截面，例如可以采用弧形过渡面的形式。经过长期使用，通常会在腹板和弧形过渡面的焊接焊缝附近产生疲劳裂缝，并可能扩展到腹板且向斜上方发展。吊车梁的过渡面开裂将严重影响吊车梁的正常使用，严重时还可能影响建筑事故。通常，这种疲劳裂缝是由于过渡面处的应力集中、疲劳破坏强度不足造成的。传统的钢结构疲劳加固方案包括提高焊缝质量、焊接加固钢板、降低应力集中等措施。但对于变截面吊车梁的端部抗疲劳加固来说，传统的加固工艺不容易满足抗疲劳要求。

CFRP(碳纤维增强复合材料)被广泛运用于工程中，如桥梁加固、维修以及各类工民建工程的维修中。工程中结构因时间积累，产生结构破坏。采用碳纤维结构加固、维修的方法是现代工程技术常用的方法。具有材料自重轻、施工便捷、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优势。目前，CFRP加固混凝土结构与砌体结构已经较为成熟，但用于加固钢结构，尤其是疲劳加固方面的研究与应用较少。现有技术中一般是采用SCR系列的胶粘剂将CFRP布或者CFRP板粘贴到加固面上进行加固，可选的胶粘剂范围较窄，性能有限，尤其是适用于粘贴在钢结构上的胶粘剂更加有限。

发明内容

本申请为了克服现有技术中的缺陷，针对变截面吊车梁的变截面处容易发生的疲劳破坏问题，提出了一种利用环氧树脂粘结剂粘贴碳纤维布进行抗疲劳加固的方法，不仅粘结牢固，而且还具有优异的抗疲劳性能，可以使得整个变截面吊车梁的抗疲劳性能得到很大的提升。

根据本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维布按照需要的尺寸裁剪成块，并将碳纤维布放入浓度为15％的酒精溶液中放置超过12小时，以去除碳纤维布表面的灰尘和杂质；

(2)先用粗砂纸打磨待粘贴区域，清除表面的杂质，再用细砂纸交叉打磨该区域，造成一定的表面粗糙度，保证粘贴的有效性，磨痕方向与粘贴的碳纤维布方向成大约45°角，构件表面处理应在粘贴施工前的4-5小时内进行；

(3)用脱脂棉蘸取酒精溶液后再次擦拭打磨后的待粘贴区域，凉置干燥后使表面适于涂抹粘结剂；

(4)在待粘贴区域划出碳纤维布的边界轮廓，将环氧树脂粘结剂粘贴在待粘贴区域，等待2分钟，环氧树脂粘结剂的厚度控制在1.0-1.2mm；

(5)将处理过的碳纤维布粘贴在相应的区域，盖上隔离膜后顺着纤维布的纤维方向利用辊压装置辊压粘贴到粘贴表面上的碳纤维布使其充分压实并晾干。

优选地，变截面吊车梁的两端简支并对称设置，包括上翼缘板、下翼缘板、中间腹板和端腹板，吊车梁的端部设有弧形过渡段，弧形过渡段的一端设有水平段，另一端设有竖直段。

优选地，在中间腹板和吊车梁的变截面处粘贴6对碳纤维布；其中，在弧形过渡段的范围内共粘贴4对碳纤维布，在变截面吊车梁的水平段和竖直段分别粘贴1对碳纤维布；每对碳纤维布均与中间腹板和吊车梁的变截面处的焊缝垂直且对应地设置。

优选地，中间腹板上的碳纤维布包括第一纵向碳纤维布、第二纵向碳纤维布、第三纵向碳纤维布、第四纵向碳纤维布、第五纵向碳纤维布和第六纵向碳纤维布，吊车梁的变截面处的碳纤维布包括第一横向碳纤维布、第二横向碳纤维布、第三横向碳纤维布、第四横向碳纤维布、第五横向碳纤维布和第六横向碳纤维布；还设置有主纵向碳纤维布和主横向碳纤维布，以分别粘压上述各纵向碳纤维布和各横向碳纤维布；

第一纵向碳纤维布和第二纵向碳纤维布竖直设置，第五纵向碳纤维布和第六纵向碳纤维布水平设置；第二纵向碳纤维布和第五纵向碳纤维布分别设置在弧形过渡段的两端；

第三纵向碳纤维布与水平面的夹角等于第四纵向碳纤维布与水平面的夹角等于式中，H₁为端腹板的高度，H₂为竖直段的高度。

采用本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方案，能够有效降低弧形过渡处的最大主应力幅，加固后的疲劳寿命得到很大程度的提高，能够明显提升结构的抗疲劳性能。

附图说明

图1是本申请的变截面吊车梁的端部示意图。

图2是本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固后的立体示意图。

图3是本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固后的正面示意图。

图4是本申请的变截面吊车梁的端部正应力分布示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，显示了本申请的变截面吊车梁的端部示意图。变截面吊车梁的两端简支并对称设置，包括上翼缘板1、下翼缘板2、中间腹板3和端腹板5，吊车梁的端部设有弧形过渡段7，从而形成变截面吊车梁。弧形过渡段7的一端设有水平段4，另一端设有竖直段6。为简化说明，附图1-3中仅示出了位于中间腹板3的一侧结构，另一侧的结构完全相同。本申请中如无特别说明，所有的特征尤其是数量特征均为描述中间腹板的一侧结构，另一侧结构与之完全相同，后续不再赘述。其中，上翼缘板1和下翼缘板2的厚度为t₁，端腹板5、水平段4和竖直段6的厚度为t₃，中间腹板3的厚度为t₂；水平段4的单侧宽度为B，长度为L；弧形过渡段7的弯曲半径为R；竖直段6的高度为H₂；端腹板的高度为H₁。上述变截面吊车梁的端部在经过长期使用后，容易在中间腹板3和弧形过渡段7的焊接部位产生最初的疲劳裂缝8。随着疲劳的加剧，最初的疲劳裂缝开始扩展，裂纹长度增加，扩展速度加快，并继续向腹板等其他部位延伸，直至最终疲劳断裂。

为了避免变截面吊车梁的端部出现疲劳裂缝和疲劳断裂的现象，本申请提出了一种变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法，其中利用了变截面吊车梁的疲劳裂纹发展规律，并针对性地进行了相应的疲劳加固措施，极大地减小了主应力对吊车梁的影响，显著地提高了变截面吊车梁的抗疲劳性能。

在研究抗疲劳加固措施以前，需要先计算变截面吊车梁的截面正应力分布规律。经有限元模拟并配合实测结果发现，变截面吊车梁的截面正应力分布如图4所示，其简化公式如下：

σ₁＝σ_45°·S

其中σ_45°表示弧形过渡段的45°斜截面上的弯曲应力，S为与整个变截面吊车梁的端部几何形状有关的应力集中系数。其中，

式中的A、B、C为经验系数，可以根据有限元结果分析和线性回归得到。

下面结合附图详细说明根据本发明的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维布按照需要的尺寸裁剪成块，并将碳纤维布放入浓度为15％的酒精溶液中放置超过12小时，以去除碳纤维布表面的灰尘和杂质。

(2)先用粗砂纸打磨待粘贴区域，清除表面的杂质，例如氧化层和铁锈等，再用细砂纸交叉打磨该区域，造成一定的表面粗糙度，保证粘贴的有效性，磨痕方向与粘贴的碳纤维布方向成大约45°角，构件表面处理应在粘贴施工前的4-5小时内进行。

(3)用脱脂棉蘸取酒精溶液后再次擦拭打磨后的待粘贴区域，凉置干燥后使表面适于涂抹粘结剂。

(4)根据设计方案，在待粘贴区域划出碳纤维布的边界轮廓，将特别配置的环氧树脂粘结剂粘贴在待粘贴区域，等待2分钟，环氧树脂粘结剂的厚度控制在1.0-1.2mm。

如图2所示，其中显示了根据本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方案的细节示意图。如图2所示，在中间腹板3和吊车梁的变截面处粘贴6对碳纤维布。其中，在弧形过渡段7的范围内共粘贴4对碳纤维布，在变截面吊车梁的水平段4和竖直段6分别粘贴1对碳纤维布。每对碳纤维布均与中间腹板和吊车梁的变截面处的焊缝垂直且对应地设置。其中，中间腹板3上的碳纤维布包括第一纵向碳纤维布31、第二纵向碳纤维布32、第三纵向碳纤维布33、第四纵向碳纤维布34、第五纵向碳纤维布35和第六纵向碳纤维布36，吊车梁的变截面处的碳纤维布包括第一横向碳纤维布41、第二横向碳纤维布42、第三横向碳纤维布43、第四横向碳纤维布44、第五横向碳纤维布45和第六横向碳纤维布46。第一纵向碳纤维布31和第二纵向碳纤维布32竖直设置，第五纵向碳纤维布35和第六纵向碳纤维布36水平设置；第二纵向碳纤维布32和第五纵向碳纤维布35分别设置在弧形过渡段7的两端。

优选地，第三纵向碳纤维布33与水平面的夹角等于第四纵向碳纤维布34与水平面的夹角等于如此布置，可以使得碳纤维布的布置方向能够较好地符合弧形过渡段的主应力发展方向，很大程度地阻止疲劳裂纹的产生和扩展。

为了更好地约束和固定碳纤维布，还可以设置主纵向碳纤维布30和主横向碳纤维布，以分别粘压上述各碳纤维布(为了清楚目的，图中未示出主横向碳纤维布)。主纵向碳纤维布和主横向碳纤维布能够将各对碳纤维布粘结固定形成整体，并加强抵抗切向应力的性能，从而提高结构的整体强度和抗疲劳性能。主纵向碳纤维布和主横向碳纤维布与如上所述的碳纤维布的材质相同。

优选地，根据本发明的环氧树脂粘结剂由A组分和B组分按照质量比为4.5:1混合而成，其中A组分由环氧树脂、聚丙烯酰胺凝胶、水玻璃和丁二醇按照质量比为1：0.16：0.2：0.16混合均匀制成；B组分由马来酸酐、二氨基二苯基甲烷、炭黑、硫酸氢钠和硅烷偶联剂按照质量比为1：2.3：0.1：0.24：0.33混合均匀制成。配置A组分时，先将环氧树脂和水玻璃按照上述质量比混合均匀并搅拌30分钟，然后加热到72℃以上，再依次加入聚丙烯酰胺凝胶和丁二醇并搅拌均匀，把A组分加热到90℃后保温1-1.5小时待用。然后，在反应釜中加入B组分并加热到120℃后，倒入待用的A组分并混合均匀，在80℃以上保温2-3小时使其充分反应，冷却至室温后即可使用。

采用本申请的上述环氧树脂粘结剂，能够将碳纤维增强布更有效地粘贴在钢材的表面，从而克服现有技术中长期以来困扰行业内的难题。相对于现有技术中的胶粘剂，本申请的环氧树脂粘结剂可以将粘结强度提高至少20％，对于钢结构的抗疲劳性能的提高起到至关紧要的作用。

(5)将处理过的碳纤维布按照预定粘贴方案粘贴在相应的区域，盖上隔离膜后顺着纤维布的纤维方向利用辊压装置辊压粘贴到粘贴表面上的碳纤维布使其充分压实并晾干。

在变截面钢梁的粘贴表面通过环氧树脂粘结剂将纤维增强布粘贴其上，使得钢板、纤维增强布和环氧树脂粘结剂三种性质的材料能够形成复合构件，其整体性能提高的前提是，碳纤维复合材料通过粘结剂传递的应力与钢板构成整体，并协调变形、共同受力。由此可见，所使用的粘结剂的力学性能非常重要，其必须是各向同性的、固化温度要与环境温度或使用温度相同、而且固化后要能和钢板协同变形、与钢板具有很强的粘结力。

在优选实施方案中，本申请的中间腹板与上翼缘板、下翼缘板、变截面位置处的焊缝可以采用全熔透焊缝连接。优选地，全熔透焊缝的焊剂由二氧化硅、氧化锰、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氟化钙、氧化铁、二氧化钛按照质量比为1：0.62：0.15：0.2：0.51：0.42：0.06：0.03混合制成。本申请的全熔透焊缝采用焊丝埋弧焊工艺，采用上述焊剂使得焊接效率高、熔深大、焊接质量稳定可靠，能够与金属母材很好地结合并且外形美观。本发明采用的熔炼型焊剂需要在240-250℃焙烘1-1.5小时后才能使用，以去除其中的潮气。在同等试验条件下，采用上述全熔透焊缝能够将其焊接强度相对于现有技术中的常见焊缝至少提高25％，具有极好的焊接性能。

采用上述特制的环氧树脂粘结剂能够极大地提高粘结性能，从而大幅提高疲劳性能。为了进行抗疲劳效果的比对，申请人采用了市场上已知的七种胶粘剂和本申请的上述粘结剂进行了性能测试，实验结果如下表所示：

表1本申请的粘结剂和已有胶粘剂的性能测试对比表

表2钢对钢粘贴拉伸剪切性能测试对比表

为了验证根据本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方案，以上海某钢厂的28米跨度的变截面吊车梁上为原型进行缩放，采用不同的粘结剂进行了抗疲劳加固试验的测试。模型中，吊车梁的跨度为2.1米、高度为0.76米，端腹板的高度为0.4米，过渡段的半径R＝40mm，水平段的长度为140mm，钢材采用Q345。碳纤维布的力学参数：弹性模量为1.15×10⁵MPa，抗拉强度为2000MPa。疲劳载荷的加载频率为250次/分钟，跨中加载，最小载荷与最大载荷之比为0.1，最小载荷为5t。分别设计不采用碳纤维布加固(方案1)、采用编号为1的粘结剂粘贴碳纤维布加固(方案2)以及采用本申请特制的粘结剂粘贴碳纤维布加固(方案3)三个方案进行试验比较，试验结果如下：

表3抗疲劳加固试验结果

根据上述实验结果可知，采用本申请的变截面吊车梁的端部抗疲劳加固方案，能够有效降低弧形过渡处的最大主应力幅，加固后的疲劳寿命得到很大程度的提高，能够明显提升结构的抗疲劳性能。尤其是本申请特制的环氧树脂粘结剂，其不仅材料性能优异，更是能够很好地适用于在钢结构上粘贴碳纤维布，使得碳纤维复合材料通过粘结剂传递的应力与钢板构成整体，并协调变形、共同受力。