一种加固空间钢结构节点的方法

背景技术：

1、钢结构具有可靠性高、强度大、自重轻、塑性和韧性优异、适应性强、可回收等特点，广泛用于高层建筑、大跨度桥梁和海洋结构。然而众所周知，所有的钢结构基础设施均有其使用寿命，使用一定年限的钢结构会普遍面临由于腐蚀、承载量增大、疲劳等原因而导致结构出现位移、承载力模式改变、受力不良等问题，并且很多现有钢结构基础设施也存在施工误差、安全系数偏低等问题。所以需加固补强，预防性补强的钢结构基础设施以及房屋建筑日渐增多。

2、对钢结构节点，传统的加固方式有加大截面法、粘钢加固法、增设肋板法、灌浆法、改变结构体系法、预应力加固法以及粘碳纤维布加固等方法。在现有的加固方法中，针对于复杂空间钢节点(焊接空心球节点、相贯钢节点等)的加固方案并不多，在复杂空间钢节点加固的工程实例中，一般是通过焊接肋板来加固节点，也就是通过设置加劲肋板来增大结构刚度，提高节点的力学性能，从而延长结构的使用寿命还有的方案是通过粘贴碳纤维布以增强节点的力学性能再者就是根据特定节点情况创造出相适应的加固装置或者构件，设置于节点处用以加固保护。

3、增设肋板的方案，会破坏原结构本身，并且焊接的方式会留下残余应力，焊缝力学性能不佳等问题，质量难以保证碳纤维布加固法的应用范围广泛，对于k型节点、t型节点效果明显，但是无法解决复杂空间钢节点(焊接空心球节点、相贯钢节点等)加固的问题，在复杂空间钢结构节点中，碳纤维布基本无法平顺舒适的粘贴于原结构，即无法有效的加固结构。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种加固空间钢结构节点的方法，以解决上述问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种加固空间钢结构节点的方法，包括以下步骤：

3、s1：分析待加固空间钢结构节点的受力特征，并选取加固所涉及的锚固杆件、辅助受力杆件和施工辅助杆件

4、s2：根据所述锚固杆件的受力值及几何参数确定加固所需的钢丝绳根数和长度、碳纤维单向布长度以及sma记忆合金丝长度

5、s3：清理作业面

6、s4：将钢丝绳缠绕在所述锚固杆件和所述辅助受力杆件上，并在所述施工辅助杆件上收紧和锁紧钢丝绳

7、s5：在缠绕有钢丝绳的所述锚固杆件上涂抹底层环氧树脂胶体

8、s6：在底层环氧树脂胶体上缠包底层碳纤维单向布

9、s7：在底层碳纤维单向布上缠包sma记忆合金丝

10、s8：将保温装置套设在步骤s7中的所述锚固杆件上，并对保温装置加热保温

11、s9：取下保温装置，并在步骤s8中的所述锚固杆件上涂抹中层环氧树脂胶体

12、s10：在中层环氧树脂胶体上缠包顶层碳纤维单向布

13、s11：在顶层碳纤维单向布上涂抹顶层环氧树脂胶体

14、s12：等待环氧树脂胶体完全凝固后去除施工辅助段的钢丝绳。

15、本发明的有益效果是：相较于现有技术中对复杂空间钢结构的加固方法，本发明通过使用碳纤维单向布、sma记忆合计丝、钢丝绳和环氧树脂胶体相结合的复合材料，在不损伤原结构的条件下，当钢节点未发生开裂或未出现位移时，将钢结构节点中受力较大的危险杆件的部分荷载传递至受力较小的安全杆件上，当钢结构节点发生开裂或出现位移时，将节点或杆件上的荷载通过复合材料转移至安全杆件上，使得整个钢结构节点中的所有杆件受力均匀，从而提高节点承载能力、延性及安全性，强化节点力学性能，避免结构节点中因部分受力不良杆件的损坏，而导致的整体节点失效，起到加固及预防性补强的效果。本方法适用于一般桥梁钢结构节点、房屋建筑钢结构节点、由于施工误差导致的亚安全钢节点，尤其适用空间狭小、施工困难的复杂空间钢结构，如钢结构顶棚的体育场、贝雷钢桥、钢架厂房、商场等，以及受多种复杂荷载的空间钢结构节点的加固补强与改造工程。

16、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

17、进一步，步骤s1包括以下步骤：

18、s101：对待加固的空间钢结构建立有限元数字模型

19、s102：利用有限元数字模型进行数字模拟计算，分析待加固空间钢结构中所有杆件的受力特征

20、s103：根据受力特征和节点的现场实际情况选取所述锚固杆件、所述辅助受力杆件和所述施工辅助杆件。

21、采用上述进一步方案的有益效果是：利用有限元数字模型及现场的实际情况分析钢结构中所有杆件的受力特征，有利于直观地判断出钢结构中哪些与节点连接的杆件存在安全隐患，从而判断出锚固杆件。

22、进一步，在步骤s1中，所述锚固杆件和所述辅助受力杆件之间通过节点连接，所述锚固杆件和所述施工辅助杆件之间通过钢丝绳连接。

23、采用上述进一步方案的有益效果是：有利于钢丝绳将锚固杆件、辅助受力杆件和施工辅助杆件连接起来，并配合碳纤维单向布、sma记忆合金丝及环氧树脂胶体实现对锚固杆件的加固。

24、进一步，步骤s2包括以下步骤：

25、s201：确定将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力：

26、若钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数大于或等于1，则将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力按下式计算：

27、

28、其中，f1为将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力，d为钢丝绳的直径，p为钢丝绳与环氧树脂胶体的平均粘结应力，l1为锚固段的长度，a为钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数，d为所述锚固杆件的周长，a1为a向下取整后的整数，若a为整数则a＝a1

29、若钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数小于1，则将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力按下式计算：

30、

31、其中，f1将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力，d为钢丝绳的直径，p为钢丝绳与环氧树脂胶体的平均粘结应力，l1为锚固段的长度，d为所述锚固杆件的周长，a为钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数

32、s202：根据将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力确定钢丝绳根数：

33、若将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力小于单根钢丝绳的极限承载力，则钢丝绳根数按下式计算：

34、

35、其中，f为所述锚固杆件与节点连接时的拉力值，n为钢丝绳根数，f1为将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力

36、若将单根钢丝绳从环氧树脂胶体中拔出所需要的拉力大于单根钢丝绳的极限承载力，则钢丝绳根数按下式计算：

37、f＝n×f，

38、其中，f为所述锚固杆件与节点连接时的拉力值，n为钢丝绳根数，f为单根钢丝绳的极限承载力

39、s203：确定钢丝绳的长度：

40、若钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数大于或等于1，则钢丝绳的长度按下式计算：

41、

42、其中，l1为钢丝绳的长度，l3为施工辅助段的长度，l1为锚固段的长度，a为钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数，d为所述锚固杆件的周长，a1为a向下取整后的整数，若a为整数则a＝a1，l2为辅助受力段的长度，l4为钢丝绳的预留长度

43、若钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数小于1，则钢丝绳的长度按下式计算：

44、

45、其中，l1为钢丝绳的长度，l3为施工辅助段的长度，l1为锚固段的长度，d为所述锚固杆件的周长，a为钢丝绳在所述锚固杆件上缠绕的圈数，l2为辅助受力段的长度，l4为钢丝绳的预留长度

46、s204：确定碳纤维单向布的长度：

47、l2＝d×l1/b1+l5，

48、其中，l2为碳纤维单向布的长度，d为所述锚固杆件的周长，l1为锚固段的长度，b1为碳纤维单向布在锚固段上螺旋缠绕的间距值，l5为碳纤维单向布的预留长度

49、s205：确定sma记忆合金丝预张拉前的长度

50、l3＝d×l1/b2+l6，

51、其中，l3为sma记忆合金丝预张拉前的长度，d为所述锚固杆件的周长，l1为锚固段的长度，b2为sma记忆合金丝在锚固段上螺旋缠绕的间距值，l6为sma记忆合金丝施工操作时的预留长度。

52、采用上述进一步方案的有益效果是：有利于得到用于加固锚固杆件最合适的钢丝绳根数和长度，以及碳纤维单向布的长度和sma记忆合金丝预张拉前的长度，从而减少材料的损耗，实现资源的最大化利用。

53、进一步，步骤s4包括以下步骤：

54、s401：在所述锚固杆件远离节点的一端设置钢扣键，在所述施工辅助杆件上设置钢丝绳收紧器

55、s402：将钢丝绳的中间位置绕设在所述辅助受力杆件靠近节点的一端，并由此将钢丝绳分成两股

56、s403：将两股钢丝绳以对称交叉的方式螺旋缠绕在所述锚固杆件上

57、s404：将两股钢丝绳穿过钢扣键后引向所述施工辅助杆件

58、s405：将钢丝绳的两端均制作成环状结构

59、s406：将钢丝绳两端的环状结构一一对应与两个拉力数显测力计连接，并将两个拉力数显测力计均与钢丝绳收紧器连接

60、s407：启动钢丝绳收紧器，并在观察到拉力数显测力计上的拉力值位于预设拉力区间后将两股钢丝绳锁紧在所述施工辅助杆件上

61、s408：重复上述步骤，将所有钢丝绳沿第一根钢丝绳的路径并排缠绕在所述锚固杆件和所述辅助受力杆件上，且收紧后锁紧在所述施工辅助杆件上。

62、采用上述进一步方案的有益效果是：一方面有利于使钢丝绳紧密贴合在锚固杆件上，实现对锚固杆件的加固，另一方面有利于利用施工辅助杆件将钢丝绳收紧并锁紧。

63、进一步，步骤s6的具体操作为：将底层碳纤维单向布螺旋缠绕在所述锚固杆件上，且每缠绕一圈底层碳纤维单向布便涂抹一圈环氧树脂胶体，使底层碳纤维单向布与所述锚固杆件紧密贴合。

64、采用上述进一步方案的有益效果是：有利于利用碳纤维单向布进一步将锚固杆件加固，提高锚固杆件的稳定性。

65、进一步，步骤s7包括以下步骤：

66、s701：预张拉sma记忆合金丝

67、s702：利用锁扣将步骤s701中sma记忆合金丝的一端固定在已缠包好底层碳纤维单向布的所述锚固杆件的一端

68、s703：在底层碳纤维单向布上将步骤s701中的sma记忆合金丝螺旋缠绕

69、s704：利用锁扣将步骤s701中sma记忆合金丝的另一端固定在已缠包好底层碳纤维单向布的所述锚固杆件的另一端。

70、采用上述进一步方案的有益效果是：sma记忆合金丝在常温下发生永久变形后，在高温下能够恢复其初始形状，利用这个特性，通过限制sma记忆合金丝的变形并进行升温激活，利用形状记忆效应在结构中产生预应力，为整个加固结构提供预压应力，使加固结构牢靠的固定在锚固杆件上。

71、进一步，步骤s8包括以下步骤：

72、s801：制作与所述锚固杆件等长的保温装置

73、s802：将两个耐高温硅胶充气式密封圈一一对应套设在所述锚固杆件的两端

74、s803：将保温装置套设在所述锚固杆件上，使保温装置与所述锚固杆件形成密闭

75、s804：将数显温度计的检测端从保温装置的一侧插入保温装置内部

76、s805：将热风枪的枪口从保温装置侧壁插入保温装置内部

77、s806：启动热风枪并观察数显温度计，使保温装置内部的温度在90110℃的区间维持1015分钟。

78、采用上述进一步方案的有益效果是：有利于通过加热恢复至sma记忆合金丝预张拉前的长度，从而为锚固杆件提供预压应力，进一步提高锚固杆件加固的稳定性。

79、进一步，步骤s10的具体操作为：将顶层碳纤维单向布螺旋缠绕在所述锚固杆件上，且每缠绕一圈顶层碳纤维单向布便涂抹一圈环氧树脂胶体，使顶层碳纤维单向布与所述锚固杆件紧密贴合。

80、采用上述进一步方案的有益效果是：顶层碳纤维单向布和环氧树脂胶体有利于将用于加固的所有部件稳定地固定于锚固杆件上，保证用于加固的所有部件均可正常工作，并且进一步提高加固结构的耐腐蚀性，延长使用寿命。

81、进一步，步骤s12包括以下步骤：

82、s1201：将整个加固结构静置35天，等待所有环氧树脂胶体完

83、全凝固

84、s1202：从钢扣键开始，向所述施工辅助杆件的方向预留具有所述锚固杆件周长1.52倍长的钢丝绳

85、s1203：取下钢扣键并将钢丝绳从预留点剪断

86、s1204：将预留的钢丝绳螺旋缠绕在所述锚固杆件的端部并锁紧

87、s1205：在钢丝绳锁紧及缠绕处涂抹环氧树脂胶体。

88、采用上述进一步方案的有益效果是：有利于将预留的钢丝绳固定在锚固杆件上，使整个加固结构形成一个整体。