一种钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法

1.本发明涉及土木工程加固技术领域，具体涉及一种钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法。


背景技术：

2.正交异性钢桥面板是国内外大中跨桥梁常用的桥面板类型。但由于其构造复杂、焊缝众多，疲劳问题十分突出。正交异性钢桥面板疲劳裂纹一旦产生，会诱发桥面铺装反射裂缝、坑塘等多种病害，当疲劳裂纹开展到一定程度时将直接影响结构的使用安全。因此，对钢桥疲劳裂缝修复方法的研究具有现实意义。
3.针对钢结构的疲劳裂缝，传统的修复方法有以下几种：1.疲劳裂纹切除复焊；2.栓接或焊接钢盖板；3.tig重熔法等热修复法；4.钻孔止裂法等。此类方法一般均需使用重型设备，施工工艺复杂且很容易引起裂缝的再次发展，并且会对疲劳损伤部位造成永久性的、不可逆转的改变，因此在实际使用时均受到了一定的限制。
4.碳纤维复合材料(cfrp)具有轻质高强的特点和优异的耐久性及抗疲劳性能，通过胶水即可与钢材结合，是一种理想的钢材修复材料。通过在cfrp布中引入预应力，能够在提高结构刚度的前提下减小平均应力，进一步提高修复效率。目前，常规的方法是通过千斤顶和特殊设计的夹具来施加预应力，一方面需要复杂的机械设备，易受到作业空间和原结构形式的限制；另一方面夹具的使用也会对原结构造成额外的损伤。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一个而提供一种利用sma引入预应力并采用预制贴片的形式，避免了重型张拉设备与复杂的施工流程，便于现场施工且对不会对原结构造成二次损伤的钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.发明人了解到，利用形状记忆合金(sma)来施加预应力能够避免机械方法的不足。nitinb-sma材料拥有独特的热机械响应，在常温下，当其形状被改变之后能够保留较大的残余应变，一旦被加热到一定的跃变温度，又可以恢复到变形前的形状。通过抑制这种形变的恢复，可用于对结构构件施加预应力。因此，通过将预变形的nitinb-sma材料添加到frp布中，即可通过加热的方法引入预应力，操作过程简单，无损伤，产生的预应力均匀且适用于小范围或各类特殊部位的加固。
8.本发明提供了一种钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法，在结构开裂部位粘贴由sma(形状记忆合金)和cfrp(碳纤维复合材料)组合而成的预应力贴片，其中sma用于向损伤部位引入预压应力，cfrp用于提高损伤部位的结构刚度，具体方案如下：
9.一种钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法，该方法包括以下步骤：
10.步骤s1：将sma预制贴片放置于钢桥疲劳开裂的待修复部位；
11.步骤s2：在sma预制贴片两端的锚固区域锚固sma丝；
12.步骤s3：将cfrp约束布分别锚固于sma预制贴片两端粘贴区域上；
13.步骤s4：对加热区域sma加热，产生预应力；
14.步骤s5：对sma预制贴片全部区域锚固cfrp覆盖布，完成钢桥疲劳裂缝的预应力修复。
15.进一步地，所述的锚固，包括结构胶粘贴锚固、结构胶-机械辅助锚固或机械锚固。
16.进一步地，所述的锚固为结构胶粘贴锚固，预应力修复方法包括以下步骤：
17.步骤s1：将sma预制贴片放置于钢桥疲劳开裂的待修复部位；
18.步骤s2：在sma预制贴片两端的锚固区域均匀涂一层结构胶并盖没sma丝；
19.步骤s3：将cfrp约束布分别覆盖于sma预制贴片两端粘贴区域上；
20.步骤s4：在cfrp约束布上涂一层结构胶并完全浸润cfrp布；
21.步骤s5：在sma预制贴片粘贴区域覆盖一层塑料薄膜，压挤粘贴区域以挤出多余结构胶，使胶层与sma丝直径同厚，去除溢出cfrp约束布范围的多余结构胶，并对粘贴区域持压养护；
22.步骤s6：对加热区域sma加热，产生预应力；
23.步骤s7：对sma预制贴片全部区域涂一层结构胶，并放置cfrp覆盖布；
24.步骤s8：在外层cfrp覆盖布上涂一层结构胶使cfrp布完全浸润；
25.步骤s9：对整个粘贴区域持压养护。
26.本发明在结构开裂部位粘贴由sma(形状记忆合金)和cfrp(碳纤维复合材料)组合而成的预应力贴片，其中sma用于向损伤部位引入预压应力，cfrp用于提高损伤部位的结构刚度。由sma预制贴片，cfrp约束布、cfrp覆盖布及结构胶构成。上述sma预制贴片通过cfrp约束布和结构胶粘贴在钢桥疲劳开裂的待修复区域，通过加热中间区域的sma丝使其产生恢复变形，引入预应力。上述cfrp覆盖布，待sma加热恢复后通过结构胶粘贴覆盖于sma预制贴片上，用于提高损伤部位的结构刚度。上述结构胶，用于sma预制贴片与钢桥开裂部位、sma预制贴片与cfrp布间的粘贴。无论何种材料之间的粘贴，均需达到完全覆盖或完全浸润。
27.进一步地，所述的sma丝为弯折成盘状。由一根通长的sma丝预先拉伸产生残余应变，后弯折成盘状，所述盘状sma丝两端为粘贴锚固区域，中间空出一段为加热恢复区域。sma预制贴片通过结构胶粘贴在钢桥疲劳开裂的待修复部位，通过加热中间区域的sma丝可以引入预应力。sma丝弯折成盘状，使两端粘贴锚固区域存在众多弯折结构，所述弯折结构与其内侧硬化后的结构胶存在勾持作用，可提高粘结强度。
28.进一步地，所述的cfrp约束布以纤维平行于sma丝的方向分别覆盖于两端粘贴区域上。cfrp约束布通过结构胶粘贴覆盖于sma预制贴片两端的锚固区域，用于对sma预制贴片提供端部约束。
29.进一步地，对sma预制贴片全部区域涂一层结构胶后，以纤维平行于sma丝的方向放置cfrp覆盖布。cfrp布待sma加热产生预应力后通过结构胶粘贴覆盖于所述sma预制贴片外部，用于提高损伤部位的结构刚度；结构胶用于sma预制贴片与钢桥开裂部位、sma预制贴片与cfrp布间的粘贴。
30.进一步地，所述加热的温度为160-180℃。
31.进一步地，所述加热的温度为170℃。
32.进一步地，所述持压养护的时间为4-6天。
33.进一步地，所述持压养护的时间为5天。
34.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
35.(1)本发明利用sma引入预应力，避免了锚固装置及重型张拉设备，避免了因作业空间和原结构形式的限制对方案造成的影响；
36.(2)本发明全部采用粘贴方式，避免了焊接、栓接等对原结构产生永久损伤的施工方式，且施工便捷；
37.(3)本发明中将通长的sma丝弯折成盘状，使两端粘贴锚固区域存在众多弯折结构，所述弯折结构与其内侧硬化后的结构胶存在勾持作用，提高粘结强度；
38.(4)本发明设计成贴片形式，便于运输存储，也大大简化了现场施工流程。贴片造型小巧，加固后对桥梁外观影响很小；
39.(5)本发明中贴片的尺寸、性能参数易于修改，可根据实际需要定制，且可用于弯曲、不平整等区域，适用范围广。
附图说明
40.图1为本发明中用于施加预应力的sma预制贴片的sma丝弯折构造示意图；
41.图2是本发明中sma预制贴片端部粘结强度测试方案构造图；
42.图3是本发明中的预应力修复方法的层次构造图；
43.图4是本发明中的预应力修复方法的一种应用实例。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明的保护范围包括：
45.(1)所述sma丝弯折构造包括但不限于本应用实例中所述的盘状弯折形式；
46.(2)所述采用sma-cfrp组合贴片的钢桥疲劳裂缝预应力修复方法的层次构造包括但不限于本应用实例中所述的sma-结构胶-cfrp层次构造；
47.(3)所述预应力修复方法的构造及锚固方法，包括但不限于本应用实例中所述的结构胶粘贴锚固，也可包括结构胶-机械辅助锚固、机械锚固等锚固形式。
48.实施例
49.一种钢桥疲劳裂缝的预应力修复方法，该方法包括以下步骤：
50.步骤s1：将sma预制贴片放置于钢桥疲劳开裂的待修复部位；
51.步骤s2：在sma预制贴片两端的锚固区域均匀涂一层结构胶并盖没sma丝；
52.步骤s3：将cfrp约束布以纤维平行于sma丝的方向分别覆盖于两端粘贴区域上；
53.步骤s4：在cfrp约束布上涂一层结构胶并完全浸润cfrp约束布；
54.步骤s5：在粘贴区域覆盖一层塑料薄膜，压挤粘贴区域以挤出多余结构胶，使胶层与sma丝直径同厚，去除溢出cfrp约束布范围的多余结构胶，对粘贴区域持压养护5天。
55.步骤s6：对sma预制贴片中间加热区域sma通电加热至170℃，产生预应力；
56.步骤s7：对sma预制贴片全部区域涂一层结构胶，并以纤维平行于sma丝的方向放
置cfrp覆盖布；
57.步骤s8：在外层cfrp覆盖布上涂一层结构胶使cfrp覆盖布完全浸润；
58.步骤s9：对整个粘贴区域持压养护5天。
59.图1是本发明中用于施加预应力的sma预制贴片的sma丝弯折构造示意图。在弯折前首先对该通长sma丝进行预拉伸，产生常温下能够保持的残余应变，随后按图示进行弯折。相对于常规的多个单根sma丝组合排布，由一根sma丝通过弯折制成贴片，其两端的弯折结构与其内侧硬化后的结构胶存在勾持作用，可以提高粘结强度。
60.图2是对本发明提出的sma预制贴片和多个单根sma丝组合排布两种方式下端部粘结强度测试方案图。首先将sma预制贴片或组合排布的单根sma丝放置于两块对接钢板上，在sma丝上均匀涂一层结构胶并盖没sma丝；然后将cfrp布以纤维平行于sma丝的方向覆盖于sma丝上，在粘贴区域覆盖一层塑料薄膜，压挤粘贴区域以挤出多余结构胶，使胶层与sma丝直径同厚；之后去除溢出cfrp布范围的多余结构胶，对粘贴区域持压养护5天；养护完成后对钢板两端施加拉力，测试sma预制贴片和多个单根sma丝组合排布两种方式的粘结强度。根据测试结果，相比于多个单根sma丝组合排布方式，采用本发明提出弯折构造的sma预制贴片可以使粘结强度提升一倍左右。
61.图3是本发明中的预应力修复方法的层次构造图，由sma预制贴片、两片cfrp约束布、一片cfrp覆盖布和结构胶构成。
62.图4是本发明中用sma-cfrp组合贴片对钢桥疲劳裂缝进行预应力修复方法的一种应用实例。将本发明用于对钢桥疲劳开裂部位进行预应力修复，sma-cfrp组合贴片垂直于疲劳裂纹发展方向粘贴布置，能够有效减小受损部位的疲劳应力及应力幅。
63.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。