一种损伤钢板加固装置及加固方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种损伤钢板加固装置及加固方法。

背景技术：

经拉伸卸载后的形状记忆合金材料在升温和降温过程中会发生与金属相变有关的宏观变形，从而作为智能材料被广泛应用于工程领域。

在土木工程领域，工程师可以利用这种温度激发下的形状记忆特性替代原有的张拉设备，便捷地为现场结构施加预应力，提升结构的力学性能和现场作业施工效率，目前国内的钢结构加固领域对形状记忆合金的应用较少。

现有补强含损伤钢结构的方法是利用结构粘胶粘贴高性能材料于结构的外部，如中国专利cn109653524a公开了粘贴碳纤维增强复合材料于开圆形孔蜂窝梁的方法，但此类方法不适用于形状记忆合金的粘贴，因为形状记忆特性的激发温度往往需要超过100℃，而此温度远超结构粘胶的玻璃化温度，若使用结构粘胶粘贴易发生脱胶的问题。另外，如此高的激发温度通常采用电流加热的方式加以实现，在加热过程中需保证电流只流经待加热的形状记忆合金，以提升其工作效率；同时，现行的机械锚固体系通常需要对钢板进行开孔处理，而额外的孔洞常常会引入新的疲劳源，不利于钢板后续的疲劳性能，因此，有必要设计一种加固装置同时解决上述的三个问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种损伤钢板加固装置及加固方法，适用于形状记忆合金加固含损伤钢板的实施装置，有效提升含损伤钢板的疲劳性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种损伤钢板加固装置，包括夹具、形状记忆合金、摩擦垫片、绝缘垫片及导电单元，所述形状记忆合金布置在待补强的损伤钢板的两侧表面，所述形状记忆合金与所述损伤钢板之间依次设置摩擦垫片、绝缘垫片及摩擦垫片，并由所述夹具夹紧固定，所述形状记忆合金连接导电单元。

进一步地，所述导电单元包括导电板及连接件，所述导电板上下设置，并由连接件连接，所述导电板将形状记忆合金夹在中间。

进一步地，所述导电板为铜板，并通过导线连接外部电源，对形状记忆合金进行电流加热。

进一步地，所述夹具包括上、下夹板以及连接件，所述上、下夹板由连接件连接，将所述形状记忆合金、摩擦垫片、绝缘垫片夹在中间。

进一步地，所述连接件采用螺栓，所述夹具及导电单元沿所述损伤钢板长度方向对称设于所述损伤钢板的两侧，所述螺栓拧紧后从两侧对所述损伤钢板及形状记忆合金施加压力。

进一步地，所述形状记忆合金的宽度不小于50mm，不大于所述损伤钢板的宽度。

进一步地，所述形状记忆合金的厚度为1-2mm。

进一步地，所述形状记忆合金的屈服强度为500mpa-1000mpa。

一种损伤钢板加固方法，采用上述加固装置，具体方法为：将摩擦垫片、绝缘垫片、摩擦垫片、形状记忆合金依次安装到位，并通过夹具紧固，安装导电单元，并接通外部电源，对形状记忆合金加热，所述形状记忆合金加热温度至160℃～250℃，利用形状记忆合金加热收缩的特性，产生相应的预压应力，降低钢板上的疲劳荷载应力比。

与现有技术相比，本发明不需要在钢板上开设孔洞以实现机械锚固，不会引入新的疲劳源，且可以充分利用形状记忆合金的形状记忆特性，便捷地对含损伤钢板施加预压应力，从而达到抑制钢板疲劳裂纹扩展，提升钢板疲劳寿命的目的。同时，本发明保证电流只流经待加热的形状记忆合金，提升工作效率。

附图说明

图1为实施例1中本发明应用时的主视结构示意图；

图2为实施例1中本发明应用时的侧视结构示意图；

图3为实施例1中本发明应用时的俯视结构示意图；

图中，1-损伤钢板、2-形状记忆合金、3-摩擦垫片、4-绝缘垫片、5-铜板、6-夹具、7-连接件、8-导线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例

一种损伤钢板加固装置，其结构如图1-3所示，包括形状记忆合金2，摩擦垫片3，绝缘垫片4，铜板5，夹具6，连接件7以及导线8，按以下顺序将材料放置在损伤钢板1的两侧：摩擦垫片3；绝缘垫片4；摩擦垫片3；形状记忆合金2；绝缘垫片4；夹具6和铜板5。连接件7穿过夹具6上的孔洞将形状记忆合金2，摩擦垫片3，绝缘垫片4固定连接在损伤钢板1上，导线8嵌套在穿过铜板5的连接件7上，与外接电源相连。

使用的形状记忆合金2的结构如图3所示，形状记忆合金盖住钢板上出现的裂缝，宽度不小于50mm，不大于待加固钢板的宽度；长度以裂缝为中心，两端至少伸出200mm；厚度为1.5mm。形状记忆合金的厚度和宽度的增加均能够提升含损伤钢板的疲劳性能。

形状记忆合金的化学成分为：fe–17mn–5si–10cr–4ni–1(v,c)，屈服强度为500mpa以上，极限强度为1000mpa以上，本实例中采用的是fe-mn形状记忆合金。

铜板5上的孔洞直径为9mm，在夹具上的孔洞直径为16mm，孔洞到边缘的端距不应小于两倍孔洞直径。通过以上布置，形状记忆合金可以分担一部分外荷载，降低裂缝远端应力场；同时形状记忆合金可以提供约束作用，减小裂缝的张开位移。

连接件7采用螺栓连接，将其拧紧后从两侧对钢板及形状记忆合金施加压力。每个螺栓需提供不小于62.5kn的压力，以保证形状记忆合金与钢板始终协同工作，共同变形。

铜板5上的导线与外接电源相连，将形状记忆合金加热到一定的温度(160℃～250℃)，利用形状记忆合金加热收缩的特性，产生相应的预压应力，降低钢板上的疲劳荷载应力比。

对于本实例来说，有效提升含损伤钢板疲劳性能的关键技术在于如何保证导线8中的电流只流经形状记忆合金2，本实例在形状记忆合金2的上下侧均设有绝缘垫片4，通过以上布置，形状记忆合金能够充分发挥形状记忆特性，对钢板施加预压应力，降低疲劳应力比；同时形状记忆合金可以分担一部分外荷载，降低裂缝的远端应力场。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种损伤钢板加固装置，其特征在于，包括夹具(6)、形状记忆合金(2)、摩擦垫片(3)、绝缘垫片(4)及导电单元，

所述形状记忆合金(2)布置在待补强的损伤钢板(1)的两侧表面，所述形状记忆合金(2)与所述损伤钢板(1)之间依次设置摩擦垫片(3)、绝缘垫片(4)及摩擦垫片(3)，并由所述夹具(6)夹紧固定，所述形状记忆合金(2)连接导电单元。

2.根据权利要求1所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述导电单元包括导电板及连接件(7)，所述导电板上下设置，并由连接件(7)连接，所述导电板将形状记忆合金(2)夹在中间。

3.根据权利要求2所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述导电板为铜板(5)，并通过导线(8)连接外部电源，对形状记忆合金进行电流加热。

4.根据权利要求1所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述夹具(6)包括上、下夹板以及连接件(7)，所述上、下夹板由连接件(7)连接，将所述形状记忆合金(2)、摩擦垫片(3)、绝缘垫片(4)夹在中间。

5.根据权利要求2或4所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述连接件(7)采用螺栓，所述夹具(6)及导电单元沿所述损伤钢板(1)长度方向对称设于所述损伤钢板(1)的两侧，所述螺栓拧紧后从两侧对所述损伤钢板(1)及形状记忆合金(2)施加压力。

6.根据权利要求1所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述形状记忆合金(2)的宽度不小于50mm，不大于所述损伤钢板(1)的宽度。

7.根据权利要求1所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述形状记忆合金(2)的厚度为1-2mm。

8.根据权利要求1所述的一种损伤钢板加固装置，其特征在于，所述形状记忆合金(2)的屈服强度为500mpa-1000mpa。

9.一种损伤钢板加固方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的加固装置，具体方法为：将摩擦垫片、绝缘垫片、摩擦垫片、形状记忆合金依次安装到位，并通过夹具紧固，安装导电单元，并接通外部电源，对形状记忆合金加热。

10.根据权利要求9所述的一种损伤钢板加固方法，其特征在于，所述形状记忆合金加热温度至160℃～250℃。

技术总结
本发明涉及一种损伤钢板加固装置及加固方法，包括夹具(6)、形状记忆合金(2)、摩擦垫片(3)、绝缘垫片(4)及导电单元，所述形状记忆合金(2)布置在待补强的损伤钢板(1)的两侧表面，所述形状记忆合金(2)与所述损伤钢板(1)之间依次设置摩擦垫片(3)、绝缘垫片(4)及摩擦垫片(3)，并由所述夹具(6)夹紧固定，所述形状记忆合金(2)连接导电单元。与现有技术相比，本发明不需要在钢板上开设孔洞以实现机械锚固，不会引入新的疲劳源，且本发明可以充分利用形状记忆合金的形状记忆特性，便捷地对含损伤钢板施加预压应力，从而达到抑制钢板疲劳裂纹扩展，提升钢板疲劳寿命的目的。

技术研发人员：余倩倩;陈振宇;顾祥林
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2020.01.20
技术公布日：2020.05.15