預(yù)張緊鋼結(jié)構(gòu)的方法和由該方法施以預(yù)張緊的鋼結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種預(yù)張緊鋼結(jié)構(gòu)的方法，以及一種鋼結(jié)構(gòu)。這種鋼結(jié)構(gòu)既可存在于新建筑中，也可存在于已有建筑中，優(yōu)選存在于已有建筑，尤其是橋梁建筑中。根據(jù)BienJ.Elfgren L.和Olofsson J.發(fā)表于 2007年《Wroclaw，Dolnoslaskie WydawnictwoEdukacy jne》的一篇標(biāo)題為“可持續(xù)橋梁-未來交通需求和更長久生命”的研究，歐洲各鐵路局確認(rèn)，僅在歐洲就有大約220,000座鐵路橋，這些鐵路橋位于不同氣候的地區(qū)。其中約22 %是金屬或鋼建筑，也常稱為鋼架橋。這些橋中，3 %是鑄鐵橋，25 %是焊接鋼建筑，53 %是鋼橋，約20%所用材料尚未明確。這些金屬建筑中的28%已有超過100年的年齡，幾乎70%的橋梁都有超過50年的橋齡。由于當(dāng)今火車變得更長、更重和更快，導(dǎo)致這些橋梁的負(fù)載大大增加。每條軸向載荷都會產(chǎn)生振動，因此隨時間推移在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生小裂紋和縫隙，載體疲勞日趨嚴(yán)重。
【背景技術(shù)】
[0002]在位于CH-Diibendorf的EMPA(瑞士材料測試與研究聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室)中進(jìn)行的測試表明，原則上可采用碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料(CFRP)來強(qiáng)化鋼梁。這些CFRP通過粘結(jié)劑貼到鋼梁上，并能夠吸收張應(yīng)力，由此能夠減緩、甚至制止裂紋的形成。盡管如此，粘結(jié)劑在許多地方僅部分適用，因?yàn)殇摬慕?jīng)日曬升至高溫，導(dǎo)致粘結(jié)劑達(dá)到玻璃化極限溫度?？稍趷鬯嘉柍霭婕瘓F(tuán)的網(wǎng)站(www.elsevier.com)查閱出版物《工程結(jié)構(gòu)物》45(2012)270-283和《國際疲勞期刊》44 (2012) 303-315 了解這方面的信息。
[0003]另一個問題是電化學(xué)腐蝕。盡管CFRP沒有腐蝕性，但會與鋼材形成電化學(xué)電池。于是，出現(xiàn)了許多鉚接鋼橋。這些橋梁的問題是，如何最好地將扁平的CFRP帶貼到鋼梁上。最后，經(jīng)常要考慮標(biāo)志性建筑的保護(hù)，例如，要求必須適時將具有歷史重要意義的建筑結(jié)構(gòu)物重新恢復(fù)原貌，而采用在CFRP帶上涂粘膠的方式很難做到這點(diǎn)。最后，令人滿意的效果不僅在于強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)，還在于預(yù)張緊，以便能夠完全封住已出現(xiàn)的裂紋和縫隙，并持續(xù)預(yù)防這些裂紋和縫隙的進(jìn)一步發(fā)展。因此，強(qiáng)化系統(tǒng)的最重要目的之一就是適當(dāng)選擇機(jī)械錨接系統(tǒng)，使之產(chǎn)生足夠的夾緊力，盡量減少腐蝕，如果可能，CFRP帶不需要與鋼材直接接觸，而在錨接系統(tǒng)中逐漸產(chǎn)生應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明之目的是限定一種預(yù)張緊鋼結(jié)構(gòu)的方法和由該方法施以預(yù)張緊的鋼結(jié)構(gòu)。因此，通過這種預(yù)張緊方法，應(yīng)該能夠預(yù)防在新的或已有鋼結(jié)構(gòu)中形成裂紋，或者應(yīng)該能夠閉合已有的裂紋或阻止或至少減緩其進(jìn)一步發(fā)展。
[0005]上述發(fā)明目的由預(yù)張緊鋼結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)，其中包括:將至少一條能夠傳遞張力的碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶的兩端區(qū)域連接到待強(qiáng)化的鋼梁上，之后在各條碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶與待強(qiáng)化的鋼梁之間布置至少一個舉升部件，并使該舉升部件在這些端錨接件之間的區(qū)域中延伸，延伸方向大致垂直于碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶，以便在各條碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶的端部區(qū)域之間產(chǎn)生張應(yīng)力。
[0006]上述發(fā)明目的還通過一種鋼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，該鋼結(jié)構(gòu)的特征是:至少有一條能夠傳遞張力的碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶，該碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶的兩端均與待強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁連接，并在各條碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶兩端之間區(qū)域及與待強(qiáng)化的鋼梁之間布置至少一個舉升部件，從而借助于各條碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶大致的垂直舉升而受到來自鋼梁的張應(yīng)力。
[0007]本發(fā)明由附圖以圖示方式進(jìn)行表示。而在下文中，借助這些示意圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，同時還描述了本方法的作用和由該方法實(shí)施強(qiáng)化的鋼結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
圖1:示出一種鋼架橋形式的鋼結(jié)構(gòu)，該鋼結(jié)構(gòu)的下?lián)瘟貉b有一段接到其底面(承受張力)的CFRP帶；
圖2:示出根據(jù)圖1并插入一個舉升部件后的鋼結(jié)構(gòu)；
圖3:示出根據(jù)圖1并插入兩個舉升部件后的鋼結(jié)構(gòu)；
圖4:示出一種鋼架橋形式的鋼結(jié)構(gòu)，該鋼結(jié)構(gòu)的上撐梁裝有一段接到其底面(承受張力)的CFRP帶；
圖5:示出根據(jù)圖4并插入三個舉升部件后的鋼結(jié)構(gòu)；
圖6:示出一種鋼架橋形式的鋼結(jié)構(gòu)，其弧形下?lián)瘟嘿N有CFRP帶和對其預(yù)張緊的幾個舉升部件。
【具體實(shí)施方式】
[0008]在圖1中，鋼結(jié)構(gòu)以裝有下?lián)瘟?的鋼架橋I的形式來表示，其中最底部的水平鋼梁3承受張應(yīng)力。在此類鋼架橋中，總是有一些鋼梁承受壓力，另一些鋼梁承受張力。此外，還會產(chǎn)生彎矩，尤其當(dāng)橋梁臨時承載時，例如，當(dāng)列車從橋上駛過時。每個軸向載荷均會引起振動，由此導(dǎo)致材料疲勞這樣在多年之后，鋼梁中可能出現(xiàn)裂紋，日益削弱鋼梁的強(qiáng)度。因此，阻止這種過程，或至少要將其減緩，就顯得尤為重要。由于碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料帶(CFRP帶)抗張應(yīng)力強(qiáng)度特別好，而且不會受到任何腐蝕，因此可用來強(qiáng)化張應(yīng)力作用下的鋼梁。最有效的方法就是用此類帶子來預(yù)張緊張應(yīng)力作用下的鋼梁。目前流行使用預(yù)張緊帶來后續(xù)強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)，旨在改善其抗張強(qiáng)度。在此案例中，帶子由特殊設(shè)備高度預(yù)張緊，并在該預(yù)張緊狀態(tài)下就位于混凝土結(jié)構(gòu)旁，然后由環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑層壓在混凝土上。粘結(jié)劑硬化后，拆除產(chǎn)生并維持應(yīng)力的設(shè)備，于是預(yù)張緊CFRP帶持續(xù)將自身的張力傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。然而，這種方法無法用在鋼建筑上。首先，鋼建筑一般沒有平滑表面，其次，已證實(shí)粘結(jié)劑不太適用于鋼梁，因?yàn)殇摻ㄖ诹胰毡裣聹囟群芨?，?dǎo)致粘結(jié)劑流動/上漲至鋼建筑邊框。而且，在許多情況下，受限于環(huán)境條件或缺乏空間，無法將預(yù)張緊帶子的重型設(shè)備移出。尤其當(dāng)橋梁在高處延綿于廣闊地帶時，無法使用這種方法。
[0009]根據(jù)圖1的橋梁裝有下?lián)瘟?，這意味著最底部的水平撐梁3承受張應(yīng)力，可采用CFPR帶4強(qiáng)化最底部的水平撐梁，為此采取以下步驟:將CFRP帶4的兩端與承受張力的結(jié)構(gòu)部分中的一段連接，或與整個結(jié)構(gòu)部分連接，使CFRP帶4能夠傳遞張力。為此，可采用當(dāng)前工藝水平下的合適的端錨接件5，例如，以夾緊靴形式出現(xiàn)的端錨接件，借助這種端錨接件，使CFRP帶4永久地機(jī)械連接到鋼梁3上，并使CFRP帶4能夠順利傳遞張力。在所示例子中，CFRP帶4跨過底部水平鋼梁3的整個底面長度，其中端錨接件5被連接到分別位于鋼梁3兩端附近的兩側(cè)。因此，CFRP帶4處于松弛的張拉狀態(tài)。而且，在所示例子中，于CFRP帶4的中央，SPCFRP帶4的中途，在鋼梁3與CFRP帶4之間裝入一個舉升部件7。該舉升部件7可以是液壓、氣動、電動或機(jī)械操作式舉升部件7，能夠?yàn)橹圃煳灰飘a(chǎn)生很大的舉升力，例如上萬牛頓。于是在產(chǎn)生較長伸長路徑的同時造就較短縮回路徑。當(dāng)該舉升力以大致垂直于兩端已被約束的CFRP帶4的方向作用在該CFRP帶4上，并使該CFRP帶4偏離鋼梁3。之后會產(chǎn)生很大的、廣泛轉(zhuǎn)化在CFRP帶4自身上的張應(yīng)力。之后，這些張力通過端錨接件5轉(zhuǎn)移至鋼結(jié)構(gòu)I。因此，用這種方式預(yù)張緊的鋼梁3得到了非常大的強(qiáng)化。如果已存在細(xì)微裂紋、甚至嚴(yán)重裂紋，在許多情況下，通過這種預(yù)張緊，可將裂紋閉合，或至少可使這些裂紋不會進(jìn)一步發(fā)展。要知道，不僅能夠連接一條CFRP帶4，還可在橋梁寬度方向、甚至在遍及橋梁長度方向的區(qū)域上安裝多條CFRP帶4，也可連接幾條連續(xù)的CFRP帶4或在長度方向彼此覆疊的CFRP帶4，可使這些帶子相互靠近并彼此平行延伸展開，甚至可將這些帶子疊高，因此這些帶子可被疊加或交叉。在此案例中，不是嚴(yán)格按鋼梁本身的方位鋪設(shè)CFRP帶4的，而是使CFRP帶4與鋼梁之間略有傾角，以便形成帶子4的交叉。
[0010]在圖2中，示出根據(jù)圖1并插入舉升部件7后的鋼結(jié)構(gòu)。舉升部件7裝于接到橋梁的、被松弛張拉的CFRP帶4上方，例如，該舉升部件7通過借助焊接或螺栓與鋼梁3連接的的機(jī)械接頭，裝于該CFRP帶的上方。該舉升部件7的結(jié)