预应力CFRP板增强的内平衡钢构件的制作方法

本发明属于钢材结构技术领域，具体涉及一种预应力cfrp板增强的内平衡钢构件。

背景技术：

屈曲失稳破坏是钢结构构件破坏的一种主要形式，通常出现较突然，会造成较严重的损失。在世界各国的工程史上，因压杆失稳破坏而造成的事故屡见不鲜，例如：1907年加拿大魁北克大桥的倒塌，1978年美国哈特福特城体育馆网架结构的垮塌，以及2008年初我国南方冰雪灾害中输电钢塔的大量倒塌。近年来，我国钢结构的发展很快，由于经验不足或过高追求经济性，出现了许多稳定承载力安全储备较低的结构，甚至有一些发生了失稳破坏；还有一些结构因使用荷载提高、腐蚀破坏、施工失误等原因也造成了结构稳定承载力不足。

随着我国钢结构建设规模的逐年增大，对这类钢结构进行加固的需求将越来越强烈。国内大量的输电钢塔亟待进行加固，但多数钢塔在野外，交通不便，缺少适合的加固方法，因此迫切需要研发施工简单、用材轻便、效果显著的钢结构加固技术，以提高重要工程结构的可靠性。

目前，实际工程中对钢结构进行加固的主要方法有构件替换、减轻荷载、改变结构体系、加大构件截面和连接强度、预应力拉索等，然而，上述方法都有其适用条件和范围，有些很难满足施工和使用的要求，如不能拆卸、不能明火等；有些会给结构带来新的问题，如局部损伤、残余应力等。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种预应力cfrp板增强的内平衡钢构件，所述预应力cfrp板增强的内平衡钢构件方便施工且易于装配。

根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件，包括：钢构件本体；cfrp板，所述cfrp板对称布置在所述钢构件本体的外表面；连接件，所述cfrp板张拉后通过所述连接件与所述钢构件本体相连，其中，所述cfrp板张拉后置于所述钢构件本体的外表面，基本不扩大截面积，在受压或偏压荷载下，利用偏离轴心的cfrp板在钢构件本体侧向变形时凸面处于张紧状态的原理，保证在所述钢构件本体受压屈曲的过程中，仍有至少一侧的cfrp板持续受拉处于未松驰状态，由于cfrp板的抗拉强度高于抗压强度，故可充分利用未松弛的cfrp板增加所述钢构件本体的截面抗弯刚度，提升整体屈曲荷载，并提高所述钢构件本体的延性。

根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件，通过在钢构件本体的外表面设置预应力cfrp板，并使cfrp板张拉后通过连接件与钢构件本体相连。由此，利用偏离轴心的cfrp板在预拉力下处于张紧状态的原理，有效发挥cfrp抗拉的优势，有效提高了所述钢构件本体的刚度，提高其轴压、偏压、受拉、受弯的承载力，也提高其轴压、偏压整体稳定性。

另外，根据本发明上述实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述钢构件本体为空心方钢管，所述cfrp板设在所述钢构件本体相对的两组侧壁中的至少一组中。

根据本发明的一些实施例，所述钢构件本体为工字钢，所述工字钢包括：腹板；第一翼缘；第二翼缘，所述第一翼缘和所述第二翼缘分别设在所述腹板的两端并与所述腹板垂直；其中，所述cfrp板设在所述第一翼缘和第二翼缘的外表面。

根据本发明的一些实施例，所述连接件设在所述cfrp板沿长度方向的两端以连接所述cfrp板与所述钢构件本体。

进一步地，所述连接件为锚具，所述锚具包括：连接板，所述连接板设在所述cfrp板的外侧；连接螺栓，所述连接螺栓与所述连接板相连，且所述连接螺栓适于穿过所述钢构件本体的侧壁与所述钢构件本体锚固为一体。

进一步地，所述连接板呈矩形板体状，所述连接螺栓包括多个。

具体地，所述连接螺栓为钢螺栓，所述连接板为钢压条，所述连接螺栓被构造成圆柱形状或多边形柱状。

具体地，所述钢构件本体与所述连接板对应的区域进行喷砂处理。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件的立体图；

图2是图1中圈示部分的局部放大图；

图3是根据本发明另一个实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件的立体图；

图4是图3中圈示部分的局部放大图；

图5是根据本发明一个实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件的剖视图；

图6是根据本发明另一个实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件的剖视图。

附图标记：

预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100；

钢构件本体1，腹板11，第一翼缘12，第二翼缘13，

cfrp板2；

连接件3，连接板31，连接螺栓32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

cfrp是由碳纤维与树脂基体混合经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。cfrp是碳纤维增强复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer/plastic)的缩写，它具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点。近十年，cfrp在结构工程领域中的应用发展迅速，现已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充，合理地将cfrp应用于各类结构物中已经成为结构工程发展的一个重要方向。

近年来，在钢结构表面粘贴cfrp进行增强和加固的技术发展迅速，成为一种新兴的钢结构加固方法。其主要形式有：梁上下表面粘贴cfrp片材提高抗弯承载力和抗弯刚度；梁腹板粘贴cfrp片材提高抗剪承载力；钢结构表面粘贴cfrp片材提高其剩余疲劳寿命；管、柱、罐等构件表面粘贴cfrp以提高其局部稳定性或整体稳定性；在构件焊缝处包裹或铆钉附近粘贴来增强节点；对锈蚀构件进行补强并提高耐腐蚀能力。这些加固形式在国内外的一些实际工程中得到应用，起到很好的效果。在理论研究方面，cfrp加固金属结构的研究主要集中在cfrp-钢界面剥离性能、薄壁钢构件表面粘贴cfrp后的屈曲特性、cfrp对疲劳裂纹的抑制作用以及frp加固钢结构的耐久性等方面。现有的研究中，在基本不扩大截面的情况下，使用cfrp增强钢柱整体稳定性能的研究很少。

下面结合附图描述根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100。这里的内平衡指的是无需借助外部的结构而使钢构件自身达到平衡的一种状态。

如图1-图6所示，根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100，包括：钢构件本体1、cfrp板2以及连接件3。

具体而言，cfrp板2对称布置在钢构件本体1的外表面。也就是说，cfrp板2设于钢构件本体1的外表面，并且cfrp板2可以在钢构件本体1的外表面对称布置，由此，有利于平衡受力，且便于施工。

cfrp板2张拉后通过连接件3与钢构件本体1相连。通过连接件3可以实现cfrp板2与钢构件本体1之间的可靠连接，保证预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100的使用可靠性。

其中，cfrp板2张拉后置于钢构件本体1的外表面，基本不扩大截面积，在受压或偏压荷载下，利用偏离轴心的cfrp板2在钢构件本体1侧向变形时凸面处于张紧状态的原理，保证在钢构件本体1受压屈曲的过程中，仍有至少一侧的cfrp板2持续受拉处于未松驰状态，由于cfrp板2的抗拉强度高于抗压强度，故可充分利用未松弛的cfrp板2增加钢构件本体1的截面抗弯刚度，提升整体屈曲荷载，并提高钢构件本体1的延性。

例如，cfrp板2的抗压强度可以为抗拉强度的50％左右。

根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100，cfrp板2张拉后通过连接件3与钢构件本体1相连。由此，可以实现cfrp板2与钢构件本体1之间的可靠连接。

此外，通过在钢构件本体1的外表面设置预应力cfrp板2，利用偏离轴心的cfrp板2在预拉力下处于张紧状态的原理，有效发挥cfrp抗拉的优势，有效提高了钢构件的刚度，最终提高其轴压、偏压、受拉、受弯的承载力，也提高其抗屈曲能力。

例如，偏离轴心指的是cfrp板2的设置位置可以偏离钢构件本体1的中心。

在本发明中，钢构件本体1可以为角钢、空心方钢管、槽钢、工字型钢等，为了便于描述，下面主要以钢构件本体1为空心方钢管和工字型钢为例进行说明，然而，这并不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2，根据本发明的一些实施例，钢构件本体1可以为空心方钢管，cfrp板2设在钢构件本体1相对的两组侧壁中的至少一组中。由此，可以在基本不扩大截面的情况下，利用偏离轴心的cfrp板2在预拉力下处于张紧状态的原理，有效发挥cfrp抗拉的优势，有效提高了钢构件本体1的刚度，提高其轴压、偏压、受拉、受弯的承载力，也提高其轴压、偏压整体稳定性。

例如，在本发明的一些实施例中，可以是在空心方钢管相对的两组侧壁中的其中一组的外表面对称布置cfrp板2。

优选地，在空心方钢管的四周对称布置有cfrp板2。

对于空心方钢管，将cfrp板2的一端(例如，图1中所示的cfrp板2的上端)锚固于钢构件本体1的一端的外表面上，使用千斤顶及相关设备对cfrp板2进行张拉，将张拉后的cfrp板2的另一端(例如，图1中所示的cfrp板2的下端)锚固于钢构件本体1的另一端的外表面上，两侧对称的cfrp板2同时张拉，同时锚固。

参照图3和图4，根据本发明的一些实施例，钢构件本体1为工字钢，工字钢包括：腹板11、第一翼缘12和第二翼缘13，第一翼缘12和第二翼缘13分别设在腹板11的两端并与腹板11垂直；其中，cfrp板2设在第一翼缘12和第二翼缘13的外表面。也就是说，在第一翼缘12的外表面和第二翼缘13的外表面均设有cfrp板2，并且cfrp板2对称布置。由此，可以在基本不扩大截面的情况下，利用偏离轴心的cfrp板2在预拉力下处于张紧状态的原理，有效发挥cfrp抗拉的优势，有效提高了钢构件本体的刚度，提高其轴压、偏压、受拉、受弯的承载力，也提高其轴压、偏压整体稳定性。

对于绕强轴失稳的工字型截面钢构件本体1，将cfrp板2的一端(例如，图3中cfrp板2的上端)锚固于钢构件本体1的一端的翼缘上，使用千斤顶及相关设备对cfrp板2进行张拉，将张拉后的cfrp板2的另一端(例如，图3中cfrp板2的下端)锚固于钢构件本体1的另一端的翼缘上，两侧翼缘上的cfrp板2同时张拉，同时锚固。

根据本发明的一些实施例，连接件3设在cfrp板2沿长度方向的两端以连接cfrp板2与钢构件本体1。通过连接件3可以实现cfrp板2与钢构件本体1之间的可靠连接。

其中，cfrp板2的长度方向可以参照图1中所示的上下方向，cfrp板2的上端和下端均设有连接件3，通过连接件3便于将张拉后的cfrp板2与钢构件本体1连接为一体。

进一步地，参照图2和图4，连接件3为锚具，锚具包括：连接板31和连接螺栓32。

具体地，连接板31设在cfrp板2的外侧；连接螺栓32与连接板31相连，且连接螺栓32适于穿过钢构件本体1的侧壁与钢构件本体1锚固为一体。由此，通过连接件3可以实现cfrp板2和钢构件本体1之间的可靠连接。

其中，连接螺栓32的端部可以由螺母锁紧。

可选地，连接螺栓32为钢螺栓，连接板31为钢压条。能够保证连接件3的强度，确保cfrp板2和钢构件本体1之间的连接可靠性。

进一步地，参照图2和图4，连接板31呈矩形板体状，连接螺栓32包括多个。例如，多个连接螺栓32可以在连接板31上均匀间隔布置。使得受力更加平稳。

可选地，连接螺栓32被构造成圆柱形状或多边形柱状。但不限于此。

具体地，钢构件本体1与连接板31(或连接件3)对应的区域进行喷砂处理。如此，有利于保证连接件3与cfrp板2以及钢构件本体1之间的连接可靠性。

根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100，cfrp板2张拉后置于钢构件本体1的外表面，基本不扩大截面积，在受压或偏压荷载下，利用偏离轴心的cfrp板2在钢构件本体1侧向变形时凸面处于张紧状态的原理，保证在钢构件本体1受压屈曲的过程中，仍有至少一侧的cfrp板2持续受拉(未松弛)，由于cfrp板2抗拉强度高(例如，抗压强度为抗拉强度的50％左右)，故可充分利用未松弛的cfrp板2增加钢构件本体1的截面抗弯刚度，提升整体屈曲荷载，并提高钢构件本体1的延性。

下面结合图1至图6详细描述根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100的工作过程。

对于空心方钢管，将cfrp板2的一端锚固于钢构件本体1的一端的外表面上，使用千斤顶及相关设备对cfrp板2进行张拉，将张拉后的cfrp板2的另一端锚固于钢构件本体1的另一端的外表面上。

对于绕强轴失稳的工字型截面钢构件，将cfrp板2的一端锚固于钢构件本体1的一端的翼缘上，使用千斤顶及相关设备对cfrp板2进行张拉，将张拉后的cfrp板2的另一端锚固于钢构件本体1的另一端的翼缘上。

锚固时，可先将钢构件本体1两端的锚固段进行喷砂处理，然后通过外部反力架等张拉设施，张拉cfrp板2，然后将张拉后的预应力cfrp板2的端部粘贴于被加固构件(例如，钢构件本体1)的受拉加固侧，并附加必要的端部锚固措施(钢板压条等)，最后待结构胶完全固化后剪断cfrp板2(放张)，并将张拉设备撤除，该法可称为先张法，为保证对称性，两侧对称的cfrp板2宜同时张拉，同时锚固。

至此完成根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100的工作过程。

根据本发明实施例的预应力cfrp板增强的内平衡钢构件100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。