采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法

技术领域

本发明涉及土木工程中的结构工程领域，特别涉及一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法。

背景技术

钢管结构是指以闭口的管状截面构件为主要承重构件的一种结构形式，常见的截面形状可分为圆形、方形、矩形等。相比开口截面构件，闭口截面的钢管具有更好的稳定性能、抗扭性能和更低的造价，这也使得钢管结构在工程中被广泛运用。

然而，很多建造较早的钢管结构面临着许多问题，例如使用时间的增加而出现老化、耐久性不足等现象；在维护使用时产生了结构性的损伤；多发的不可抗力的灾害（地震、火灾等）造成的损伤以及改建导致的荷载增加，这些都使得原有结构承载力无法满足安全要求。相比重建，结构加固具有更高的效率和更高的经济性，符合国家可持续发展的目标，是解决上述问题很好的策略。节点作为钢管结构设计中的关键部位，其加固问题也受到了许多学者的重视和关注。

但受到现有技术限制，目前提高节点的承载力的方法多为外部加强措施，例如焊接钢套管、焊接加劲板、粘贴碳纤维增强复合材料CFRP（Carbon Fiber ReinforcedPolymer）等方法。焊接钢套管或是加劲板虽然可以有效提高节点的承载力，但存在的问题众多：首先由于节点表面不平整、几何形状复杂等原因，大幅增加了套管和加劲板的预制的难度，其次现场焊接还会存在大量的仰焊、立焊，这不仅增加了施工难度、而且难以保证施工质量，还会产生焊接缺陷和残余应力等不利因素、最后套管和加劲板会使得外形突兀影响结构美观。CFRP的加固方法虽然具有施工方便的优点，但提高的节点承载力有限，往往只能提高10%~30%的极限承载力，并且该种方法的耐久性还尚待研究，CFRP与钢管的粘结性能易受到温度和环境的影响，高温高湿都有可能造成CFRP胶水的失效，无法保证加固的效果。

而在钢管节点中填充混凝土的钢管混凝土结构已被广泛研究证明可有效提高结构的强度、刚度、疲劳性能、耐火性能，一方面，钢管可以约束核心混凝土的侧向变形，改善混凝土的脆性，提高其塑性和韧性；另一方面，核心混凝土可对钢管起到支撑作用，避免或延缓钢管发生失稳，保证钢材强度充分发挥。目前对整管灌注的钢管混凝土构件已有成熟的研究和应用，但对于如何对服役中的钢管节点局部填混凝土来加固强化钢管节点还未有成熟的工艺。

在先文献CN104863383A公开一种采用填充混凝土圆钢管节点加强方式，该方式采用的是往“塑料袋”中灌入细石混凝土的方式，但该种方法不能保证混凝土和钢管内壁的粘结性能，也不能保证内部混凝土的形状，采用该种方案对节点的加固效果有限。这是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点方法，利用插板定位混凝土灌注位置和长度，达到局部加固强化、提升钢管节点的性能。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法，包括如下步骤：

S1：对钢管节点的主管进行开孔；

所述主管进行开孔，是指在主管上开小孔，选用粒径小的混凝土；

所述小孔，包括放入钢板的矩形孔、灌入混凝土的灌浆孔、定位钢板的定位孔、插入栓钉的栓钉孔；

通过计算确定需要加固的长度之后，在需加固的主管进行开孔；

矩形孔的长度和宽度略大于钢板的尺寸，灌浆孔的尺寸需根据灌浆管的尺寸确定，尽量保证对截面面积的削弱小于10%，定位孔可开小直径孔，满足定位需求即可，栓钉孔根据栓钉尺寸后确定。

S2：孔中放入钢板并用发泡剂封堵钢板与主管内壁的空隙，控制钢板尺寸尽量与钢管内径相当；

所述钢板的尺寸为主管内径

所述钢板的几何形状与主管的几何形状一致，在钢板的上下各焊接用于定位的螺杆，螺杆的长度为钢管外径的1.1～1.2倍，螺纹采用标准螺纹，与常用螺母匹配；

S21：钢板放入钢管内后，根据螺杆上的标识将钢板旋转90°，并通过调整螺母的旋转圈数对钢板中心定位，并插入左右的栓钉防止钢板旋转；

所述钢板的数量至少为两块，其中一块钢板上开设灌浆孔，灌浆孔与灌浆的管道连接，并安装单向阀，只允许混凝土流入两钢板之间的空间，不允许混凝土流出；所述灌浆孔的孔边焊接磁性材料，使管道口吸附在钢板上；

S22：插入混凝土定位栓钉；

S23：在钢板和主管内径缝隙间打入发泡剂，在主管内部形成两道屏障；

所述的发泡剂采用聚氨酯发泡剂，聚氨酯发泡剂用于建筑填缝，聚氨酯发泡剂表干时间为5分钟，30分钟后可以切割，3～5小时达到稳定，24小时后完全固化。

S3：在主管内灌入混凝土并养护；

所述混凝土包括自密实混凝土、超高性能混凝土、建筑砂浆和灌浆料。选用流动性好的免振捣混凝土；选用具有较早初凝强度的混凝土，或在混凝土内加入早凝剂，避免混凝土渗漏；选用密度小的混凝土，减轻自重。

S4：焊接修补开孔；

所述钢管节点在混凝土凝固后，需将所有的开孔进行填补，避免雨水灌入钢管内部。

所述钢板在钢管局部加固后不取出，留在所加固的钢管内。

所述钢管节点根据几何形式包括K型节点、T型节点、X型节点，根据主管和支管的形式包括圆钢管节点，即主管和支管均为圆钢管；方钢管节点，即主管和支管均为方钢管；支方主圆节点，即支管为方钢管，主管为圆钢管；支圆主方节点，即支管为圆钢管，主管为方钢管。

本发明的优越功效在于：

1）通过栓钉及两侧的钢板保证了钢管与混凝土的共同工作能力，两侧的钢板保证混凝土以凝固成规则的圆柱体或方柱体，加固效果可量化；

2）混凝土灌注定位精准、明确；

3）现场操作简单，操作可行性强；

4）适应性强，可适用于各种钢管截面形式和节点形式；

5）施工过程对节点的承载力影响小；

6）施工快速，工期短。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一圆钢管K型节点的结构示意图；

图2为本发明实施例一圆钢管K型节点在灌入混凝土前的开孔后的结构轴测图；

图3为本发明实施例一圆钢管K型节点在灌入混凝土前的开孔后的结构正视图；

图4为本发明实施例一圆钢管K型节点在灌入混凝土前的开孔后的结构下视图；

图5为本发明实施例一圆钢管K型节点放入钢板过程的轴测图；

图6为本发明实施例一圆钢管K型节点固定钢板及插入销轴后的轴测图；

图7为本发明实施例一节点加固中钢板的示意图；

图8为本发明实施例一圆钢管K型节点固定钢板及插入销轴后的左视图；

图9为本发明实施例一圆钢管K型节点通过聚氨酯发泡剂填缝后的轴测图；

图10为本发明实施例一圆钢管K型节点通过聚氨酯发泡剂填缝后的左视图；

图11为本发明实施例一圆钢管K型节点填入混凝土后的轴测图；

图12为本发明实施例一圆钢管K型节点开孔修补后的的轴测图；

图13为本发明实施例二方钢管K型节点（支圆主方）加固示意图；

图14为本发明实施例三圆钢管T型节点加固示意图；

图中标号说明：

1—支管； 2—主管；

3—矩形孔； 4—灌浆孔；

5—垂直定位孔； 6—旋转定位孔；

7—销轴孔； 8—钢板；

9—带灌浆孔的钢板； 10—钢板上的灌浆孔；

11—混凝土定位栓钉； 12—定位销轴；

13—定位螺母； 1301—螺纹；

14—聚氨酯发泡剂； 15—混凝土。

具体实施方式

下面结合附图所示的实例对本发明进一步详细的说明。

图1 示出了本发明实施例一圆钢管K型节点的结构示意图。本发明提供了一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法，包括如下的步骤：

S1：测量开孔位置及预加工加固件；

通过计算确定需要加固的长度之后，在需加固的主管2表面定位放线，需定位开孔的尺寸和位置。根据主管2的尺寸确定所需要加工的钢板尺寸，在确保钢板可旋转的情况下，尽可能加工较大尺寸的钢板，减小钢板与钢管内壁之间的距离，先制作尺寸为主管2内部尺寸0.95倍的钢板，尝试是否可以旋转，若不可旋转，再将钢板再次打磨至可放入的尺寸大小。所述钢板的几何形状除了与主管几何形状一致以外，还需要在上下各焊接螺杆用于定位，螺杆的长度为主管外径的1.1～1.2倍，螺纹采用标准螺纹，并与螺母匹配。每一次加固需加工左右两块钢板8、9，其中钢板9上必须开设灌浆孔10，与灌浆的管道快速连接，在灌浆孔10边焊接磁铁，从而使得灌浆管道的管口吸附在钢板9上，灌浆孔10的尺寸需与灌浆管道匹配，并安装单向阀，只允许混凝土流入两钢板之间的空间，不允许混凝土流出，另外一侧的钢板8无需开孔。

S2：在钢管壁上开孔，如图2-图4所示；

所述孔，包括放入钢板的矩形孔、灌入混凝土的灌浆孔、定位钢板的定位孔、插入栓钉的栓钉孔；

矩形孔：为放入钢板8、9，主管2上需切割出如图2所示的矩形孔3，矩形孔3用于放入钢板8、9，故该矩形孔的尺寸要大于钢板的尺寸从而达到放入钢板的需求。矩形孔3通过切割机沿着钢管外壁上的预画线切割出所需要的矩形孔，并在角部倒角，避免出现应力集中的现象。因为矩形孔3的宽度较小，除了切割的方法外，或通过较大直径的打磨机将需要的矩形孔打磨成型；

定位孔：垂直定位孔5和旋转定位孔6用于固定钢板8、9的位置，分别固定钢板8、9的纵向移动和旋转。由于定位孔尺寸较小，通过打孔机直接开孔，需尽量保证打孔位置的精准，避免不必要的二次加工；

灌浆孔：灌浆孔用于灌入混凝土等灌入料，钢管壁的灌浆孔4主要用于将灌浆的管道插入钢管内与带灌浆孔的钢板9上的灌浆孔10相连。灌浆孔4的尺寸需保证顺利将管道插入并与带灌浆孔的钢板9上的灌浆孔10相连。

S3：固定钢板8和带灌浆孔的钢板9，如图5和图6所示；

将钢板8和带灌浆孔的钢板9通过矩形孔3放入钢管内后，将两块钢板旋转90°，通过观察钢板8和带灌浆孔的钢板9上螺杆顶端的标识，判断是否旋转了90°，通过调整定位螺母13的螺纹1301旋转圈数将钢板8和带灌浆孔的钢板9定位；

钢板8和带灌浆孔的钢板9固定后，通过预先开设的左右两个定位孔，插入定位销轴12（如图12所示），从而限制钢板8和带灌浆孔的钢板9的旋转，如图8所示。

S4：插入混凝土定位栓钉；

本发明加固方式为局部填充混凝土，混凝土与钢管内壁的粘结力会因为混凝土的收缩而大幅度减小，从而导致混凝土产生滑移。为避免这种滑移，需通过混凝土定位栓钉11来增强混凝土与钢管壁的相互作用。采用如图7所示的直排式栓钉，或采用环式排布的栓钉。

S5：发泡剂填缝，如图9和图10所示；

在固定钢板8和带灌浆孔的钢板9后，为避免灌入的混凝土中的水分从缝隙中流出，从而影响混凝土凝固，在钢板8和带灌浆孔的钢板9分别与主管2内壁的缝隙间填入聚氨酯发泡剂14，聚氨酯发泡剂14具有较好的水密性和气密性，阻止混凝土的流动。由于开设的孔较小，在打入发泡剂时，借助内窥镜边观察边打发泡剂，并更易伸入的软管作为喷射管。为使密封效果良好，多次喷撒发泡剂，填满钢板和内壁间的缝隙，聚氨酯发泡剂14通常需要3~5小时的凝固时间，完成喷射工作后需等待发泡剂彻底凝固，否则无法达到堵塞的效果。待聚氨酯发泡剂14凝固后，形成如图9和图10所示的效果，在钢管内部形成两道屏障，即可进行下一步。

S6：灌入混凝土并养护，如图11所示；

确保聚氨酯发泡剂14凝固且无明显缝隙后，方可灌浆。将灌浆的管道与钢板上的灌浆孔10匹配后，慢慢将混凝土灌入，由于无法对管内的混凝土进行振捣，选择自密实且流动性较好的混凝土或者灌浆料。待混凝土从上方的孔隙中溢出，说明内部混凝土已灌满，可停止灌浆。

S7：焊接修补开孔；

完成管内混凝土灌浆，待混凝土初凝后，即对所有的开孔进行焊接修补；

矩形孔3的焊接通过插入一块等长、等厚的钢板，通过角焊缝将插入的钢板与管壁焊接后，将多余的钢板切割，并对表面打磨。边缘处的空隙通过焊料填充，完成封口之后，对封口处进行探伤，孔口充分填补；

销轴孔7、垂直定位孔5和旋转定位孔6处，通过角焊缝将栓钉与管壁焊接，避免雨水从栓钉和管壁的缝隙中流入钢管内。为方便知道混凝土填充的长度，所有的栓钉与螺杆保留，不进行切割。

图13示出了本发明实施例二方钢管K型节点加固示意图。本发明提供了一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法，同样应用于方钢管K型节点，实施例二区别于实施例一在于主管是方主管不同，局部加固钢管节点的方法是一致的，并且，该加固方法只对方主管进行加固。

图14示出了本发明实施例三圆钢管T型节点加固示意图。本发明提供了一种采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法，同样应用于圆钢管T型节点；局部加固钢管节点的方法是一致的，并且，该加固方法只对圆主管进行加固。

本发明局部加固钢管节点的方法对于其他节点形式均进行加固，如X型节点。

本发明采用插入旋转钢板限位的后浇混凝土局部加固钢管节点的方法，通过栓钉及两侧的钢板保证了钢管与混凝土的共同工作能力，两侧的钢板保证混凝土以凝固成规则的圆柱体或方柱体，加固效果可量化，具有更好的可操作性。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。