一种用于网架结构的粘钢加固方法与流程

本发明属于建筑结构加固技术领域，特别涉及一种用于网架结构的粘钢加固方法。

背景技术：

由于设计施工不当、使用要求或作用荷载发生改变，结构构件的老化损伤以及火灾、地震、战争等灾难性影响，钢结构中不可避免地存在各种各样的缺陷和损伤。在荷载和环境等因素的作用下，材料的微观和宏观力学性能发生劣化，最终导致钢结构构件宏观开裂或失稳，甚至造成工程事故。损伤结构的破坏，一般不是因为强度不足，而是由失稳引起的。为了延长钢结构的使用寿命并确保结构安全工作，就必须对损伤结构进行改建，更换或加固作业。

传统的钢结构加固方法，一般采用焊接和铆接。但是，焊接在已建成的结构上应用时，会因焊接的高温产生很大的温度应力，使其产生明显的结构变形，因此，重要的钢结构工程，在建成后一般禁止大规模的焊接；铆接又由于在结构上钻孔而削弱构件的强大，在已建成的大型结构上，大量的铆接也是受到限制的。上述两个方法还有一个共同的缺点，即后补的钢板，仅周边部位与结构连接在一起，板与板之间存在一定空隙，不能形成整体结构的协同工作，很难达到理想的补强加固效果。

在当前空间网架结构鉴定加固系列改造工程中，主要采用焊接套管的加固技术以提高加油站网架在结构的承载能力。这项针对加油站网架结构的加固技术目前仍存在一些不足及需改进之处，现汇总如下：

1)网架结构加固现场位于加油站，由于防火要求较高，因此对明火的控制十分严格。焊接套管加固技术存在大量的焊接作业，因此往往在加固期间需停止加油站的一切日常工作，并需做好充足的防火准备，这极大地影响了加油站的日常营业。2)加固过程中，往往需要高空焊接作业，这为施工人员带来了较大的困难，为保证焊缝质量，需对焊接施工人员提供严格的前期培训。3)焊接套管加固会因焊接操作而产生较大的温度应力，使其产生明显的结构变形，并会在原结构中留下一定的残余应力，致使加固设计人员需采取较为保守的加固设计方案。4)为保证焊接套管有效地向结构其它部位传力，保证传力路径的完整性及安全性，需对套管两端进行复杂的节点设计，这为网架结构的加固设计增加了巨大的工作量。5)焊接套管加固的方式，只有在结构二次受荷后，新焊接的套管才会参与受力，并且原有杆件与后套杆件之间是并联关系，因此，加固后整体杆件结构的破坏极限状态较为复杂，存在原有杆件与后套杆件之间破坏不同步的问题。因此，设计人员往往采用较为保守的加固方案，导致工程用钢量较大，造价较高。

技术实现要素：

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种提高既有空间网架结构安全性能的方法，用以解决现有技术中需要采用明火进行焊接、焊接套管加固使钢管产生明显的结构变形、加固部分与原杆件不能形成整体结构的协同工作等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于网架结构的粘钢加固方法，包括以下步骤：

s1.确认网架中的待加固杆件，待加固杆件为原杆件；

s2.获取原杆件的直径d、挠跨比、开裂程度和锈蚀情况；

s3.根据原杆件的挠跨比、开裂程度和锈蚀情况确定加固杆件的损伤程度s的值；

s4.获取原杆件应力比；

s5.根据损伤程度值s以及杆件应力比，获得外粘钢管长度及厚度；

s6.在原杆件中心处对称粘接满足s5要求的外粘钢管，外粘钢管内部施加结构胶，结构胶用于使外粘钢管与原钢管形成整体协同工作状态。

进一步的，步骤s3中：

挠跨比≤l/300、无明显开裂时损伤程度s为ⅰ级；挠跨比≤l/300、细微裂缝时损伤程度s为ⅱ级；挠跨比≤l/300、贯通裂缝时损伤程度s为ⅲ级；

l/300＜挠跨比＜l/150、无明显开裂时损伤程度s为ⅱ级；l/300＜挠跨比＜l/150、细微裂缝时损伤程度s为ⅲ级；l/300＜挠跨比＜l/150、贯通裂缝时损伤程度s为ⅲ级；

挠跨比≥l/150时，损伤程度s均为ⅲ级。

进一步的，步骤s5中：

杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管长度为0.2l；杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管长度为0.3l；杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管长度为0.4l；

0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管长度为0.3l；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管长度为0.4l；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管长度为0.5l；

0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管长度为0.4l；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管长度为0.5l；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管长度为0.7l；

l为原杆件长度。

进一步的，步骤s5中：

杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管厚度为3mm；杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管厚度为4mm；杆件应力比≤0.2、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管厚度为5mm；

0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管厚度为4mm；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管厚度为5mm；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管厚度为6mm；

0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅰ级时，外粘钢管厚度为5mm；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅱ级时，外粘钢管厚度为6mm；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件损伤程度s为ⅲ级时，外粘钢管厚度为7mm。

进一步的，步骤s6中，结构胶的厚度为3mm，根据原杆件的直径d，确定外粘钢管的内径d。

进一步的，步骤s4中，通过网架计算软件，不考虑杆件的缺陷，建立整体网架模型，得到需要加固杆件在无缺陷状态下的应力比。

进一步的，步骤s6具体包括以下步骤：

s6-1.将原杆件的表面加固部分用砂轮机打磨；

s6-2.根据外粘钢管的长度和厚度选取钢管，沿长度方向，将圆形截面钢管切割为两个半圆形钢管；或选取两个相同的半圆形钢管；

s6-3.将结构胶倒入半圆形钢管的槽中；

s6-4.通过挤压的方式，将位于半圆形钢管槽中的结构胶，逐步挤至包住整个杆件的上、下两部分外壁；

s6-5.利用塑料扣绳，将上、下两部分的粘接钢管进行固定；

s6-6.清理上、下部分拼接处的结构胶，24小时后取下塑料扣绳；

s6-7.在粘接钢管外壁上涂上防锈漆。

进一步的，步骤s1包括以下步骤：

s11.获取既有空间网架结构的参数；

s12.通过数据录入器输入s1中获得的参数，处理器通过数据接收器接收数据录入器录入的数据，并将数据写入数据存储器；

s13.处理器读取数据存储器中的数据建立网架有限元模型；

s14.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；

s15.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况。

进一步的，步骤s11包括以下步骤：

s111.获取空间网架结构的材料属性参数，包括钢材的弹性模量、屈服强度、抗压强度、上弦杆、下弦杆和腹杆的截面尺寸、钢管的厚度；

s112.获取建模参数：包括角锥放置控制参数、节点球选择参数、受压杆截面分类参数。

进一步的，步骤s15中，处理器打包处理包括以下步骤：

s151.判断杆件截面类型；

s152.提取杆件内力计算值；

s153.计算杆件长度调整系数；

s154.计算杆件长细比；

s155.计算杆件稳定系数；

s156.记录超限杆件杆号。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)外粘圆钢管加固技术在施工过程中，由于不需要焊接作业，因此可有效地避免明火的出现，从而大大提高了施工过程中加油站的安全可靠度。同时该加固技术施工操作简便，因此可大幅度的提高施工效率，从而最大限度的减少加固施工对加油站正常营业的影响。

2)本发明通过对外粘钢管长度和厚度对原钢管加固性能的影响的分析，获得损坏情况与外粘钢管长度和厚度之间的关系，本发明可简单的通过对具有弯曲变形缺陷的网架原杆件的损伤情况及应力比的判断，准确获取所需外粘钢管长度和厚度，保证加固效果的同时节省钢材。

3)本发明采用结构胶对原钢管外粘钢管，可将原钢管与外粘钢管形成整体协同工作状态，原钢管与外粘钢管中间无缝隙，不会出现仅周边部位或与加强件的连接部位受力的情况，使加固能够达到预期效果，延长网架寿命。

4)本发明确定失效杆件时，参数化建立有限元模型。提炼出网架结构中的几何控制参数，例如跨长、网架矢高、结构单元尺寸等，通过修改几何控制参数，自动化建立网架的有限元模型，这为缺乏有限元建模经验的工作人员提供了极大的方便。

5)本发明确定失效杆件时，依据网架结构的现场状况，可以方便的修改部分杆件的截面尺寸及节点位置，以保证有限元分析模型真实的符合网架结构的实际状态；依据当前网架结构的相关规程，自动计算杆件的计算长度、自动化判别失效杆件，包括受压失效以及受拉失效，并输出所有杆件的受力状态值，包括当前应力比、杆件计算长度、杆件的极限承载能力等信息。

6)本发明确定失效杆件时，图形化显现失效杆件，其中受压失效杆件用黄色表示，受拉失效杆件用红色表示，清晰、直观的表明当前实际结构中承载力不足的杆件所处的位置；分析人员可随意设定分析需要的应力比，程序自动筛选符合条件的杆件，并图形化显示筛选构件，有利于分析人员总体把握结构的安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1外粘钢管横截面示意图；

图2粘钢加固示意图；

图3外粘钢管长度对承载力的影响；(a)初始应力比0.2；(b)初始应力比0.4；(c)初始应力比0.6；

图4应力比对承载力的影响；(a)加固钢管壁厚3mm厚度；(b)外粘钢管壁厚5mm；(c)外粘钢管壁厚6.5mm；

图5外粘钢管壁厚度对承载力的影响；(a)粘接长度为0.3l；(b)粘接长度为0.5l；(c)粘接长度为0.7l；

图6确定原杆件的主要流程；

图7处理器打包处理流程。

附图标记：

1-原钢管；2-外粘钢管；3-结构胶。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种提高既有空间网架结构安全性能的方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明的一个具体实施例，一种用于网架结构的粘钢加固方法，图1-图2所示，包括以下步骤：

s1.确认网架中的待加固杆件，为原杆件1；原杆件为具有弯曲变形缺陷的网架结构杆件；

s2.获取原杆件1的直径d、挠跨比、开裂程度和锈蚀情况；

s3.根据原杆件1的挠跨比、开裂程度和锈蚀情况确定加固杆件的损伤程度s的值；

如表1所示，挠跨比≤l/300、无明显开裂时损伤程度s为ⅰ级；挠跨比≤l/300、细微裂缝时损伤程度s为ⅱ级；挠跨比≤l/300、贯通裂缝时损伤程度s为ⅲ级；l/300＜挠跨比＜l/150、无明显开裂时损伤程度s为ⅱ级；l/300＜挠跨比＜l/150、细微裂缝时损伤程度s为ⅲ级；l/300＜挠跨比＜l/150、贯通裂缝时损伤程度s为ⅲ级；挠跨比≥l/150时，损伤程度s均为ⅲ级。

表1损伤程度表

注：对于表面有明显锈蚀的，开裂等级提升一级，最高等级为ⅲ级，处于ⅲ级的杆件，认为其不具备承载能力。

s4.获取原杆件1应力比；通过3d3s等网架计算软件，不考虑杆件的缺陷，建立整体网架模型，得到需要加固杆件在无缺陷状态下的应力比。

s5.根据损伤程度值s，以及杆件应力比，获得外粘钢管2长度及厚度；

图3-图5为外粘钢管2长度、厚度和应力比对杆件承载能力的影响。采用保守方法全长进行加固会造成钢材的浪费，需要选取既能满足需求又经济合理的外粘钢管2。经实验分析得，当外粘钢管2的长度为0.5l时，加固后杆件承载力即可以提高70％以上。在外粘钢管2加固长度较短的情况下，增加壁厚的效果并不明显；因此为保证合理的经济效益，不需采用较厚的壁厚，以降低用钢量。

如表2所示，杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2长度为0.2l；杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2长度为0.3l；杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2长度为0.4l；

0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2长度为0.3l；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2长度为0.4l；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2长度为0.5l；

0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2长度为0.4l；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2长度为0.5l；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2长度为0.7l；

l为原杆件1长度。

表2外粘钢管2加固长度表

注：l为网架中缺陷杆件(原杆件1)长度

如表3所示，杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2厚度为3mm；杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2厚度为4mm；杆件应力比≤0.2、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2厚度为5mm；

0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2厚度为4mm；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2厚度为5mm；0.2＜杆件应力比≤0.4、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2厚度为6mm；

0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅰ级时，所述外粘钢管2厚度为5mm；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅱ级时，所述外粘钢管2厚度为6mm；0.4＜杆件应力比≤0.6、原杆件1损伤程度s为ⅲ级时，所述外粘钢管2厚度为7mm。

表3外粘钢管2加固厚度表(mm)

s6.在原杆件1中心处对称粘接沿长度方向的外粘钢管2，外粘钢管2内部施加结构胶3，结构胶3用于使外粘钢管2与原钢管形成整体协同工作状态。结构胶3的厚度为3mm，根据原杆件1的直径d，确定外粘钢管2的内径d。

经试验验证，外粘钢管2后的构件无论材料处于线弹性阶段还是非弹性阶段，内外壁对应的应变测量值都很接近，这说明外粘钢板与薄壁钢管能很好的协调工作，具有良好的联合工作性能。这说明通过结构胶3粘接内外钢管，可以保证两个钢管协调变形。

将外粘钢管2的直径、厚度和长度确定后，进行步骤s6，具体包括以下步骤：

s6-1.将原杆件1的表面加固部分用砂轮机打磨，以确保加固表面的清洁程度，保证结构胶3的胶粘效果；

s6-2.根据外粘钢管2的长度和厚度选取钢管，沿长度方向，将圆形截面钢管切割为两个半圆形截面部分；

s6-3.将结构胶3倒入半圆形钢管的槽中，根据满足3mm厚度的基础上略多放置，避免在下步骤中出现结构胶3部分形成孔隙；

s6-4.通过挤压的方式，将位于半圆形钢管槽中的结构胶3，逐步挤至包住整个杆件的下半部部分外壁；通过相同的方式将上半部分的半圆形钢管进行粘接；

s6-5.利用塑料扣绳，将上、下两半部分的外粘钢管2进行固定，避免刚固定上的外粘钢管2脱落或移动；

s6-6.清理上、下部分拼接处的结构胶3，24小时后结构胶3定型，取下塑料扣绳；

s6-7.在粘接钢管外壁上涂上防锈漆。

步骤s1确认网架中具有弯曲变形缺陷的待加固杆件，为原杆件1；可通过观察直接获得，也可通过以下方法获得：

s11.获取既有空间网架结构的几何参数，包括以下步骤：

s111.获取材料属性参数，包括钢材的弹性模量、屈服强度、抗压强度；还包括上弦杆、下弦杆、腹杆的截面尺寸和钢管的厚度；

s112.获取建模参数：建模参数包括三角锥放置控制参数、节点球选择参数、受压杆截面分类参数。三角锥放置控制参数包括网架跨数和网架弦高，角锥朝下，则网架弦高输入数字为负值；角锥朝上，则网架弦高输入数字为正值；焊接空心球定义为1.0；螺栓球定义为0.0；受压杆截面分类参数主要针对圆杆，当取值为0时，表示a类截面；当取值为1时，为b类截面。杆件连接模式刚接为1，铰接为0。

s12.通过数据录入器输入s1中获得的参数，处理器通过数据接收器接收所述数据录入器录入的数据，并将数据写入数据存储器；

s13.所述处理器读取所述数据存储器中的数据建立网架有限元模型；本实施例网架结构的有限元模型如图3所示。建立网架有限元模型的同时建立二维数组用于在存储器上存储上、下弦杆及腹杆杆件编号；同时建立二维数组存储上、下弦节点编号。

s14.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；设计载荷包括自重载荷、雪载荷和屋面是否上人；所述自重载荷包括杆件自重和节点球自重；在支座处施加三向铰接约束。s15.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况；大变形开关，能够考虑材料、几何的非线性，打开大变形开关会将分析模式由不考虑材料、几何非线性，转变为考虑。

处理器打包处理包括以下步骤：

s151.判断杆件截面类型；

s152.提取杆件内力计算值；

s153.计算杆件长度调整系数；

s154.计算杆件长细比；

s155.计算杆件稳定系数；

s156.记录超限杆件杆号；

s157.以黄色表示受压失效杆件清晰、直观的表明当前实际结构中具有弯曲变形缺陷杆件所处的位置。

利用外粘圆钢管提高杆件受压承载能力的加固措施，可以有效的避免焊接套管加固技术开展过程中存在的诸多问题。外粘圆钢管加固技术在施工过程中，由于不需要焊接作业，因此可有效地避免明火的出现，从而大大提高了施工过程中加油站的安全可靠度。同时该加固技术施工操作简便，因此可大幅度的提高施工效率，从而最大限度的减少加固施工对加油站正常营业的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。