GFRP夹层灌浆修复锈损钢管节点的受压承载机理与设计方法
发布时间：2022-01-17 16:08
钢管结构在大跨桥梁、海洋平台、风电设施中广泛应用,长期服役后难免发生锈蚀损伤,严重影响结构安全性。节点区域应力分布复杂,易发生防锈涂层脱落、开裂等问题,一旦锈蚀更易引发安全事故,亟需开发有效的修复技术。本文以锈蚀T型圆钢管节点为研究对象,提出一种GFRP夹层灌浆的修复方法。采用试验、有限元和理论方法,研究修复节点的受压性能和破坏模式,揭示修复节点的受压承载机理,提出设计方法和构造建议,对长期服役钢管结构的性能提升和安全承载具有重要意义。首先,完成了2个未锈蚀节点、2个10%锈蚀节点、3个GFRP夹层灌浆修复和1个PVC夹层灌浆修复的10%锈蚀节点的轴压性能试验,结果表明:（1）节点的受压承载力和初始刚度因支主管直径比增大而提升,因主管锈蚀而劣化。（2）GFRP夹层灌浆修复方式可以有效提高锈蚀节点的极限承载力和初始刚度,且修复效果随着β增大而提高,β=0.8修复节点的受压承载力和初始刚度分别比未锈蚀节点提高了72%和39%。（3）修复节点主管焊接连接键可增强钢管与灌浆料夹层之间的锚固,提升受压节点初始刚度;GFRP外管与内钢管的约束作用使夹心灌浆层处于三向受压状态,避免了PVC夹层灌浆修...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钢管结
工程硕士专业学位论文2（a）钢管桥墩锈蚀（b）铁路桥锈蚀（c）相贯节点锈蚀（d）球形节点锈蚀图1-2钢管结构锈蚀Figure1-2Corrodedsteeltubularstructures近年来我国东部沿海地区建有许多钢结构大跨桥梁，其实际使用时间大多远未达到50年甚至100年的设计使用年限，未来这些桥梁都将面临老化、腐蚀等一系列问题，如图1-2（a-b）所示。对于这类承受高幅值活载并且空间受力十分复杂的大跨径桥梁而言，其节点连接处是最易产生疲劳问题[7,8]。钢桁架结构中节点起着骨与骨的连接作用，既连接了各关键构件，又传递了结构的荷载，一旦产生如图1-2（c-d）所示的节点域锈蚀，其强度、塑性等力学指标将明显下降，严重影响结构的正常使用和安全性能。因此对既有钢结构节点的锈蚀修复急需开展深入的研究，充分利用高性能材料、寻求有效合理的钢管结构锈蚀修复体系极具意义。FRP复合材料[9,11]作为一种新式高性能材料，轻质高强、耐腐蚀、易加工，在大跨结构及海洋工程加固中广为应用，例如由FRP外管、钢内管以及两者之间填充混凝土组成的DSTM双壁空心构件[10-13]、FRP约束型钢混凝土[14-16]等，这类FRP管内填混凝土(concrete-filledFRPtubes)组合构件特别适用于有抗震设防要求地区的桥梁结构[10,14]。本文以钢管结构中常见的T形圆钢管节点为研究对象，针对锈蚀钢管节点，设计新型复合材料加强方式对其进行修复。由于支管轴压力会使T形节点主管发生局部塑性化变形，进而影响节点域刚度与承载能力，因此对新型复合材料夹层灌浆修复节点受压性能进行物理试验和有限元分析，明确其破坏形态和受压性能，并分析不同复合材料夹层灌浆参数对加强节点受弯性能的影响，给出新型加强方式的构造建议。最后分析新型复合材料加强节点的承载机理，给出承载力?
工程硕士专业学位论文4强节点，对加固和非加固方管T型节点在往复荷载作用下进行了试验和有限元分析。试验表明加固型节点的滞回曲线封闭面积大于未加固试件的滞回曲线封闭面积，这是由于主管的厚度的增加可以防止断裂破坏、提高承载力。Chang等[36,41,42]研究了如图1-3（a）所示的方钢管竖向插板加强节点的受压性能，实验表明试验结果表明，竖向内板可以有效地提高方钢管T型节点的抗压承载力，但随着支主管宽度比的增大，加强效率降低。同时，竖向插板对节点的应力分布和破坏模式影响不大，竖向插板的作用一是扩大主管上翼缘处的屈服范围，二是带动主管的下翼缘的屈服。（a）竖向插板加强（b）覆板加强（c）环口板加强（d）加强新型环口板（e）竖向加劲肋加强图1-3节点焊板加强Figure1-3Weldingplatereinforcedjoint（2）外部加固方式外部加强方法如外部加强板加强[42-45]、外部加劲环加强[46-49]、缠绕FRP加强[50]等方式，无需在主管或支管上开孔洞，建造方便。如图1-3（b）所示，由Korol[51]最早研究的覆板加强的方式在全世界广泛使用，覆板加强T形节点是在主管的法兰上焊接加强板，同时将支管直接焊接到板上。基于Choo[52]和Vegte[53]对这种加强方法进行的一系列试验和有限元分析，覆板已被证明可以有效提高圆钢管节点的轴向性能，增加支管宽度和覆板厚度，覆板加强节点的极限承载力和初始刚度会显著增加。图1-3（c）所示的环口板加强T形节点是支管焊接在主管法兰上，环口板焊接在主管法兰上再焊接到支管周围，与相应的未加强圆钢管节点强度相比，外部环口板对节点有显著的加强效果。Nassiraei[43]分析了168个有限元模型，发现在轴向压力下环口板加强的T/Y型节点的抗压承载力可达到相应非加强节点强度的270％。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面焊板加强方钢管T型节点的受压性能[J]. 常鸿飞,左文康,任腾龙,夏军武,郭震. 华南理工大学学报(自然科学版). 2019(11)
[2]方钢管覆板及插板加强T型节点弯曲滞回性能研究[J]. 常鸿飞,秦福阳,左文康,谢伟,周绿元,夏军武. 中国矿业大学学报. 2019(06)
[3]方钢管竖向插板加强节点受压承载性能分析[J]. 常鸿飞,徐玮,左文康,刘帅鹏,夏军武. 中南大学学报(自然科学版). 2019(09)
[4]锈蚀后螺栓球节点抗拉力学性能试验研究与数值模拟[J]. 谭志伦,刘红波,王小盾,杜润. 工业建筑. 2019(08)
[5]槽钢连接的装配式矩形钢管柱-H型钢梁节点平面内受弯性能分析[J]. 钱玉龙,常鸿飞,刘帅鹏,周绿元,左文康. 建筑结构学报. 2018(S2)
[6]新材料组合结构[J]. 滕锦光. 土木工程学报. 2018(12)
[7]FRP-钢-混凝土组合柱的研究现状[J]. 史庆轩,戎翀,陈云枭. 建筑材料学报. 2019(03)
[8]方钢管焊接T型节点轴向滞回性能分析[J]. 常鸿飞,罗梓,徐玮,孔伟. 中国矿业大学学报. 2018(04)
[9]往复荷载作用下钢管混凝土叠合柱-钢梁连接节点力学性能研究[J]. 钱炜武,李威,韩林海,赵晓林. 土木工程学报. 2017(07)
[10]覆板加强的方钢管T形节点轴向滞回性能试验研究[J]. 常鸿飞,夏军武,罗梓,陆翊珉,周春波,祝华权. 建筑结构学报. 2017(05)
博士论文
[1]干燥条件下混凝土内部非均匀应力/应变的表征与模拟及其对裂缝形成和扩展的影响[D]. 陈阳.华南理工大学 2019
[2]锈蚀后薄壁圆钢管混凝土柱承载性能退化机理[D]. 张风杰.中国矿业大学 2016
[3]中空夹层钢管混凝土—钢管K形连接节点工作机理研究[D]. 侯超.清华大学 2014
[4]海洋浪花飞溅区钢铁腐蚀过程和修复技术研究[D]. 刘建国.中国科学院研究生院（海洋研究所） 2010
硕士论文
[1]含钢率和型钢类型对GFRP管约束型钢再生混凝土柱性能影响的试验研究[D]. 徐桥.广州大学 2019
[2]锈蚀钢管桩的抗震性能及加固研究[D]. 吴云鹏.中国矿业大学 2018
[3]氯离子环境下钢管短柱轴压力学性能研究[D]. 李骐.华东交通大学 2017
[4]CFRP布加固钢管桁架K型节点静力性能有限元分析[D]. 陈沿辰.长安大学 2017
[5]考虑腐蚀效应的圆钢管轴向受力性能研究[D]. 宋钢.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3595032
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钢管结
工程硕士专业学位论文2（a）钢管桥墩锈蚀（b）铁路桥锈蚀（c）相贯节点锈蚀（d）球形节点锈蚀图1-2钢管结构锈蚀Figure1-2Corrodedsteeltubularstructures近年来我国东部沿海地区建有许多钢结构大跨桥梁，其实际使用时间大多远未达到50年甚至100年的设计使用年限，未来这些桥梁都将面临老化、腐蚀等一系列问题，如图1-2（a-b）所示。对于这类承受高幅值活载并且空间受力十分复杂的大跨径桥梁而言，其节点连接处是最易产生疲劳问题[7,8]。钢桁架结构中节点起着骨与骨的连接作用，既连接了各关键构件，又传递了结构的荷载，一旦产生如图1-2（c-d）所示的节点域锈蚀，其强度、塑性等力学指标将明显下降，严重影响结构的正常使用和安全性能。因此对既有钢结构节点的锈蚀修复急需开展深入的研究，充分利用高性能材料、寻求有效合理的钢管结构锈蚀修复体系极具意义。FRP复合材料[9,11]作为一种新式高性能材料，轻质高强、耐腐蚀、易加工，在大跨结构及海洋工程加固中广为应用，例如由FRP外管、钢内管以及两者之间填充混凝土组成的DSTM双壁空心构件[10-13]、FRP约束型钢混凝土[14-16]等，这类FRP管内填混凝土(concrete-filledFRPtubes)组合构件特别适用于有抗震设防要求地区的桥梁结构[10,14]。本文以钢管结构中常见的T形圆钢管节点为研究对象，针对锈蚀钢管节点，设计新型复合材料加强方式对其进行修复。由于支管轴压力会使T形节点主管发生局部塑性化变形，进而影响节点域刚度与承载能力，因此对新型复合材料夹层灌浆修复节点受压性能进行物理试验和有限元分析，明确其破坏形态和受压性能，并分析不同复合材料夹层灌浆参数对加强节点受弯性能的影响，给出新型加强方式的构造建议。最后分析新型复合材料加强节点的承载机理，给出承载力?
工程硕士专业学位论文4强节点，对加固和非加固方管T型节点在往复荷载作用下进行了试验和有限元分析。试验表明加固型节点的滞回曲线封闭面积大于未加固试件的滞回曲线封闭面积，这是由于主管的厚度的增加可以防止断裂破坏、提高承载力。Chang等[36,41,42]研究了如图1-3（a）所示的方钢管竖向插板加强节点的受压性能，实验表明试验结果表明，竖向内板可以有效地提高方钢管T型节点的抗压承载力，但随着支主管宽度比的增大，加强效率降低。同时，竖向插板对节点的应力分布和破坏模式影响不大，竖向插板的作用一是扩大主管上翼缘处的屈服范围，二是带动主管的下翼缘的屈服。（a）竖向插板加强（b）覆板加强（c）环口板加强（d）加强新型环口板（e）竖向加劲肋加强图1-3节点焊板加强Figure1-3Weldingplatereinforcedjoint（2）外部加固方式外部加强方法如外部加强板加强[42-45]、外部加劲环加强[46-49]、缠绕FRP加强[50]等方式，无需在主管或支管上开孔洞，建造方便。如图1-3（b）所示，由Korol[51]最早研究的覆板加强的方式在全世界广泛使用，覆板加强T形节点是在主管的法兰上焊接加强板，同时将支管直接焊接到板上。基于Choo[52]和Vegte[53]对这种加强方法进行的一系列试验和有限元分析，覆板已被证明可以有效提高圆钢管节点的轴向性能，增加支管宽度和覆板厚度，覆板加强节点的极限承载力和初始刚度会显著增加。图1-3（c）所示的环口板加强T形节点是支管焊接在主管法兰上，环口板焊接在主管法兰上再焊接到支管周围，与相应的未加强圆钢管节点强度相比，外部环口板对节点有显著的加强效果。Nassiraei[43]分析了168个有限元模型，发现在轴向压力下环口板加强的T/Y型节点的抗压承载力可达到相应非加强节点强度的270％。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面焊板加强方钢管T型节点的受压性能[J]. 常鸿飞,左文康,任腾龙,夏军武,郭震. 华南理工大学学报(自然科学版). 2019(11)
[2]方钢管覆板及插板加强T型节点弯曲滞回性能研究[J]. 常鸿飞,秦福阳,左文康,谢伟,周绿元,夏军武. 中国矿业大学学报. 2019(06)
[3]方钢管竖向插板加强节点受压承载性能分析[J]. 常鸿飞,徐玮,左文康,刘帅鹏,夏军武. 中南大学学报(自然科学版). 2019(09)
[4]锈蚀后螺栓球节点抗拉力学性能试验研究与数值模拟[J]. 谭志伦,刘红波,王小盾,杜润. 工业建筑. 2019(08)
[5]槽钢连接的装配式矩形钢管柱-H型钢梁节点平面内受弯性能分析[J]. 钱玉龙,常鸿飞,刘帅鹏,周绿元,左文康. 建筑结构学报. 2018(S2)
[6]新材料组合结构[J]. 滕锦光. 土木工程学报. 2018(12)
[7]FRP-钢-混凝土组合柱的研究现状[J]. 史庆轩,戎翀,陈云枭. 建筑材料学报. 2019(03)
[8]方钢管焊接T型节点轴向滞回性能分析[J]. 常鸿飞,罗梓,徐玮,孔伟. 中国矿业大学学报. 2018(04)
[9]往复荷载作用下钢管混凝土叠合柱-钢梁连接节点力学性能研究[J]. 钱炜武,李威,韩林海,赵晓林. 土木工程学报. 2017(07)
[10]覆板加强的方钢管T形节点轴向滞回性能试验研究[J]. 常鸿飞,夏军武,罗梓,陆翊珉,周春波,祝华权. 建筑结构学报. 2017(05)
博士论文
[1]干燥条件下混凝土内部非均匀应力/应变的表征与模拟及其对裂缝形成和扩展的影响[D]. 陈阳.华南理工大学 2019
[2]锈蚀后薄壁圆钢管混凝土柱承载性能退化机理[D]. 张风杰.中国矿业大学 2016
[3]中空夹层钢管混凝土—钢管K形连接节点工作机理研究[D]. 侯超.清华大学 2014
[4]海洋浪花飞溅区钢铁腐蚀过程和修复技术研究[D]. 刘建国.中国科学院研究生院（海洋研究所） 2010
硕士论文
[1]含钢率和型钢类型对GFRP管约束型钢再生混凝土柱性能影响的试验研究[D]. 徐桥.广州大学 2019
[2]锈蚀钢管桩的抗震性能及加固研究[D]. 吴云鹏.中国矿业大学 2018
[3]氯离子环境下钢管短柱轴压力学性能研究[D]. 李骐.华东交通大学 2017
[4]CFRP布加固钢管桁架K型节点静力性能有限元分析[D]. 陈沿辰.长安大学 2017
[5]考虑腐蚀效应的圆钢管轴向受力性能研究[D]. 宋钢.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3595032
本文链接：https://www.wllwen.com/jianzhugongchenglunwen/3595032.html
