CN114991028A - 一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***及方法 - Google Patents

Abstract

一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***及方法，自调节预应力加固***，包括：预应力张拉装置，所述预应力张拉装置跨钢桥疲劳裂纹布置，可受力使裂纹闭合；疲劳裂纹张开监测开关，设置在钢桥疲劳裂纹所在位置，用于根据钢桥疲劳裂纹扩展与张开进行启闭；以及控制装置，用于将所述疲劳裂纹张开监测开关与所述预应力张拉装置的启停相关联，使钢桥疲劳裂纹一直保持闭合状态。本发明能够在初始钢桥疲劳裂纹阶段施加预应力使其闭合，并在钢桥疲劳裂纹扩展过程中预应力大小根据裂纹扩展状态进行自动调节，始终使裂纹保持闭合状态，能使钢桥疲劳裂纹从加固开始阶段就起到限制扩展的目的，可提高钢桥疲劳裂纹产生后结构耐久性。

Description

一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***及方法

技术领域

本发明涉及一种钢桥疲劳裂纹处治装置及方法，尤其是一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***及方法，属于钢结构桥梁养护技术领域。

背景技术

近年来，随着我国钢结构桥梁建设推广，钢结构桥梁的比例和规模得到明显提升。但在车辆荷载的反复作用下，外加不可避免的建设期隐蔽缺陷的影响，钢结构桥梁的疲劳裂纹不断出现，成为主要病害形式，严重影响钢结构桥梁的耐久性，甚至威胁钢结构桥梁的运营安全，制约着我国钢结构桥梁的进一步推广应用，疲劳裂纹维修加固成为亟需解决的难题。

现有技术中，一般采用气刨重焊、钻孔止裂、粘贴CFRP、粘贴钢板、栓接钢板等加固方式对钢桥疲劳裂纹进行处治。其中，气刨重焊工序复杂、成本高、效率低，焊接引起材料性能改变和过高的应力，对疲劳性能提高是不利的，所以一般建议采用冷维护的方式进行疲劳裂纹的处治；钻孔止裂操作简单，但仅作为临时性的止裂措施，不能限制疲劳裂纹的进一步扩展；栓接钢板方法对疲劳裂纹的处治效果较好，但施工工作量大，大量钻孔对结构刚度削减严重，引入新的疲劳裂纹源；粘贴CFRP和粘贴钢板是目前应用最普遍的冷维护加固方法，施工工序简单、止裂效果良好，成为疲劳裂纹维修加固的主要方法。

但是，粘贴CFRP和粘贴钢板也存在技术局限性。首先，疲劳裂纹产生后，跨越疲劳裂纹粘贴CFRP和钢板，初始粘贴的CFRP和钢板处于松弛无应力状态，无法使张开裂纹进行闭合，只能从目前状态延缓和限制其进一步扩展；其次，随着疲劳裂纹的扩展，粘贴的CFRP和钢板的拉伸应力随着裂纹张开程度的增加逐渐增大，但扩展初期拉伸应力较小，加固作用有限，造成疲劳裂纹又存在一定的扩展演变时段；当疲劳裂纹张开到达一定程度，CFRP和钢板才起到完全的限制约束作用。

发明内容

为了克服相关技术的上述不足，本发明提供一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***及方法，能够在初始疲劳裂纹阶段施加预应力使其闭合，并在疲劳裂纹扩展过程中预应力大小根据裂纹扩展状态进行自动调节，始终使裂纹保持闭合状态，能使疲劳裂纹从加固开始阶段就起到限制扩展的目的，可提高疲劳裂纹产生后结构耐久性。

本发明解决其技术问题采用的一种技术方案是：

一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，包括：

预应力张拉装置，所述预应力张拉装置跨钢桥疲劳裂纹布置，可受力使裂纹闭合；

疲劳裂纹张开监测开关，设置在钢桥疲劳裂纹所在位置，用于根据裂纹扩展与张开进行启闭；

以及控制装置，用于将所述疲劳裂纹张开监测开关与所述预应力张拉装置的启停相关联，使钢桥疲劳裂纹一直保持闭合状态。

根据上述技术方案，在钢桥疲劳裂纹处设置预应力张拉装置和疲劳裂纹张开监测开关，通过跨钢桥疲劳裂纹布置的预应力张拉装置，可以对钢桥疲劳裂纹两侧施加聚拢的外力，实现了裂纹修复；通过疲劳裂纹张开监测开关，实现对裂纹状态的监测，初始时钢桥疲劳裂纹闭合，当裂纹张开程度变大时疲劳裂纹张开监测开关对应在打开，当该开关断开后，控制装置触发预应力张拉装置启动使裂纹闭合，裂纹闭合后，预应力张拉装置停止受力，循环往复，使钢桥疲劳裂纹一直保持闭合状态。最终实现了在钢桥疲劳裂纹扩展过程中预应力大小根据裂纹扩展状态的自动调节，使疲劳裂纹从加固开始阶段就起到限制扩展的目的，提高了钢桥疲劳裂纹产生后结构耐久性。

本发明解决其技术问题采用的另一种技术方案是：

一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固方法，包括以下操作步骤：

步骤一、跨越钢桥疲劳裂纹布置预应力张拉装置，确定基座位置；

步骤二、将基座通过固定在预定位置，形状记忆合金丝材穿过基座预留孔，基座外端部套入锚具；

步骤三、在基座一侧张拉形状记忆合金丝材，卸力后，锚具回缩，将形状记忆合金丝材锚固在基座上，使钢桥疲劳裂纹闭合；

步骤四、将控制装置设置在预应力张拉装置旁，在钢桥疲劳裂纹处布置疲劳裂纹张开监测开关，使其处于闭合接触状态；

步骤五、接通疲劳裂纹张开监测开关所在的电磁开关回路以及形状记忆合金丝材所在的加热回路，控制装置根据钢桥疲劳裂纹扩展情况自动控制接通电路进行预应力施加，使钢桥疲劳裂纹处于闭合状态。

本技术方案的加固方法，利用形状记忆合金丝材对钢桥疲劳裂纹进行张拉闭合，经过疲劳裂纹张开监测开关对裂纹扩展与张开的监测，可在裂纹出现扩展后随即启动预应力张拉装置，做到了使钢桥疲劳裂纹一直保持闭合状态，有效地完成了裂纹的快速修复，使钢桥的结构耐久性得到提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明一个实施例自调节预应力加固***的结构示意图；

图2是图1中A处的结构放大图；

图3是本发明一个实施例中预应力张拉装置的结构示意图；

图4是本发明一个实施例中控制装置的结构示意图；

图5是本发明一个实施例中疲劳裂纹张开监测开关的结构示意图。

图中附图标记说明：

10、自调节预应力加固***；20、钢桥疲劳裂纹；

1、预应力张拉装置，11、基座，12、形状记忆合金丝材，13、第一导线，14、锚具，141、夹片，142、绝缘护套；

2、疲劳裂纹张开监测开关，21、触点，22、第二导线；

3、控制装置，31、电磁开关组件，311、电池，312、电磁铁，32、加热组件，321、电源，322、保险丝，323、磁性开关，33、箱体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图5示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***10，包括：

预应力张拉装置1，所述预应力张拉装置1跨钢桥疲劳裂纹20布置，可受力使钢桥疲劳裂纹20闭合；

疲劳裂纹张开监测开关2，设置在钢桥疲劳裂纹20所在位置，用于根据裂纹扩展与张开进行启闭；

以及控制装置3，用于将所述疲劳裂纹张开监测开关2与所述预应力张拉装置1的启停相关联，使钢桥疲劳裂纹20一直保持闭合状态。

基于各自结构形式的预应力张拉装置1，在钢桥疲劳裂纹20处受力收缩，进行裂纹闭合修复。钢桥疲劳裂纹20开始扩展，裂纹张开，裂纹张开监测开关2两端随动产生位移，依此断开疲劳裂纹张开监测开关2，由控制装置3联动预应力张拉装置1开始工作，使钢桥疲劳裂纹20及时有效地被闭合，修复后，疲劳裂纹张开监测开关2随之自动闭合，进而控制装置3操控预应力张拉装置1停止受力，循环往复，钢桥疲劳裂纹20始终被及时抑制保持闭合。

在本发明实施例的一个可选实施方式中，所述预应力张拉装置1包括基座11和形状记忆合金丝材12（简称SMA），所述基座11布置在钢桥疲劳裂纹20走向的两侧，若干根所述形状记忆合金丝材12分别连接在钢桥疲劳裂纹20两侧的基座11之间，所有的形状记忆合金丝材12通过第一导线13首尾串接后与所述控制装置3组成加热回路。

加热回路接通，SMA在电流作用下产生热量，SMA加热升温产生预应力，预应力张拉装置1受力使钢桥疲劳裂纹20闭合。

作为本发明实施例的进一步优选实施方式之一，所述基座11为钢材基座，固定连接在钢桥的钢桥疲劳裂纹20所在部位。钢材基座可以保证较为牢靠的固定、施力基础，还便于与钢桥连接为一体；具体实施中，可以将钢材基座通过环氧树脂胶粘贴在钢桥上，例如产生钢桥疲劳裂纹20的横隔板上。

在本发明实施例的一个可选实施方式中，所述预应力张拉装置还包括锚具14，所述形状记忆合金丝材12通过锚具14固定在所述基座11上的预留孔内。

锚具14的使用，可以在形状记忆合金丝材12的张拉过程中始终对形状记忆合金丝材12保持锚固状态，获得良好的张拉效果。

作为本发明实施例的进一步优选实施方式之一，所述锚具14包括内外套设的夹片141和绝缘护套142，所述绝缘护套142的整体呈圆锥台形状，内部开有圆锥形贯通孔，所述夹片141呈具有圆柱内孔的圆台体，所述圆台体由至少两个平分横截面的圆台分体对接而成，所述圆柱内孔的内径小于等于所述形状记忆合金丝材12的外径。

形状记忆合金丝材12和第一导线13的连接部分可以置于夹片141内，再放置到绝缘护套142内，共同在圆柱形的预留孔内受到挤压而锁紧。同时，在形状记忆合金丝材12被张拉的过程中，上述结构的夹片141和绝缘护套142也随时起到张紧作用。

锚具14的具体构造不限于实施方式所列，还可以由其他现有的锚具代替，亦或者采用能够实现固定及张紧作用的其他工具。

作为本发明实施例的进一步优选实施方式之一，所述疲劳裂纹张开监测开关2为行程开关，其两个触点21通过第二导线22与所述控制装置3组成电磁开关回路。两个触点21分别安装在钢桥疲劳裂纹20的两侧，安装之初，裂纹闭合状态下，两个触点21合并在一起，在裂纹扩展后，两个触点21逐渐分离，彻底分开后，电磁开关回路断开。

在本发明实施例的一个可选实施方式中，所述控制装置3包括电磁开关组件31和加热组件32，所述电磁开关组件31由电池311和电磁铁312串接组成，所述电池311和电磁铁312分别连接所述疲劳裂纹张开监测开关2的两个触点21；

所述加热组件32由依次电连接的电源321、保险丝322和磁性开关323组成，所述电源321和磁性开关323还分别连接所有所述形状记忆合金丝材12的首尾端；

所述磁性开关323与所述电磁铁312配合设置为控制开关。

疲劳裂纹张开监测开关2闭合，与电池311、电磁铁312组成的电磁开关回路接通，电磁铁312吸附磁性开关323，使电源321、保险丝322、磁性开关323和SMA组成的加热回路断开。当钢桥疲劳裂纹20开始扩展，张开程度增加后，疲劳裂纹张开监测开关2断开，电磁铁312不起作用，上述加热回路接通，SMA在电流作用下产生热量，SMA加热升温产生预应力，预应力张拉装置1受力使裂纹闭合。裂纹闭合后，电磁铁312回路接通，加热回路断开，循环往复，使钢桥疲劳裂纹20一直保持闭合状态。

作为本发明实施例的进一步优选实施方式之一，所述控制装置3还包括箱体33，所述电磁开关组件31和加热组件32集成在所述箱体33内。箱体33主要可以起到防护作用，还便于集中安置。

作为本发明实施例的进一步优选实施方式之一，所述箱体33背部还设有磁铁，用于吸附在钢桥上钢桥疲劳裂纹20所在部位附近。利用磁铁可以将控制装置3吸附在钢结构上，安装方便、简单高效。

参照图1-图5，本发明实施例还提供了一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固方法，包括以下操作步骤：

步骤一、跨越钢桥疲劳裂纹20布置预应力张拉装置1，确定基座11位置；同时可以确定基座11位置，对钢板进行打磨处理，表面质量满足要求；

步骤二、将基座11通过固定在预定位置，形状记忆合金丝材12穿过基座11预留孔，基座11外端部套入锚具14；

步骤三、在基座11一侧张拉形状记忆合金丝材12，卸力后，锚具14回缩，将形状记忆合金丝材12锚固在基座11上，使钢桥疲劳裂纹20闭合；

步骤四、将控制装置3设置在预应力张拉装置1旁，在钢桥疲劳裂纹20处布置疲劳裂纹张开监测开关2，使其处于闭合接触状态；

步骤五、接通疲劳裂纹张开监测开关2所在的电磁开关回路以及形状记忆合金丝材12所在的加热回路，控制装置3根据钢桥疲劳裂纹20扩展情况自动控制接通电路进行预应力施加，使钢桥疲劳裂纹20处于闭合状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是，包括：

预应力张拉装置，所述预应力张拉装置跨钢桥疲劳裂纹布置，可受力使裂纹闭合；

疲劳裂纹张开监测开关，设置在钢桥疲劳裂纹所在位置，用于根据裂纹扩展与张开进行启闭；

以及控制装置，用于将所述疲劳裂纹张开监测开关与所述预应力张拉装置的启停相关联，使钢桥疲劳裂纹一直保持闭合状态。

2.根据权利要求1所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述预应力张拉装置包括基座和形状记忆合金丝材，所述基座布置在钢桥疲劳裂纹走向的两侧，若干根所述形状记忆合金丝材分别连接在钢桥疲劳裂纹两侧的基座之间，所有的形状记忆合金丝材通过第一导线首尾串接后与所述控制装置组成加热回路。

3.根据权利要求2所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述基座为钢材基座，固定连接在钢桥的钢桥疲劳裂纹所在部位。

4.根据权利要求2或3所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述预应力张拉装置还包括锚具，所述形状记忆合金丝材通过锚具固定在所述基座上的预留孔内。

5.根据权利要求4所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述锚具包括内外套设的夹片和绝缘护套，所述绝缘护套的整体呈圆锥台形状，内部开有圆锥形贯通孔，所述夹片呈具有圆柱内孔的圆台体，所述圆台体由至少两个平分横截面的圆台分体对接而成，所述圆柱内孔的内径小于等于所述形状记忆合金丝材的外径。

6.根据权利要求2所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述疲劳裂纹张开监测开关为行程开关，其两个触点通过第二导线与所述控制装置组成电磁开关回路。

7.根据权利要求6所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述控制装置包括电磁开关组件和加热组件，所述电磁开关组件由电池和电磁铁串接组成，所述电池和电磁铁分别连接所述疲劳裂纹张开监测开关的两个触点；

所述加热组件由依次电连接的电源、保险丝和磁性开关组成，所述电源和磁性开关还分别连接所有所述形状记忆合金丝材的首尾端；

所述磁性开关与所述电磁铁配合设置为控制开关。

8.根据权利要求7所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述控制装置还包括箱体，所述电磁开关组件和加热组件集成在所述箱体内。

9.根据权利要求8所述的一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固***，其特征是：所述箱体背部还设有磁铁，用于吸附在钢桥上钢桥疲劳裂纹所在部位附近。

10.一种钢桥疲劳裂纹自调节预应力加固方法，其特征是，包括以下操作步骤：

步骤一、跨越钢桥疲劳裂纹布置预应力张拉装置，确定基座位置；

步骤二、将基座通过固定在预定位置，形状记忆合金丝材穿过基座预留孔，基座外端部套入锚具；

步骤三、在基座一侧张拉形状记忆合金丝材，卸力后，锚具回缩，将形状记忆合金丝材锚固在基座上，使钢桥疲劳裂纹闭合；

步骤四、将控制装置设置在预应力张拉装置旁，在钢桥疲劳裂纹处布置疲劳裂纹张开监测开关，使其处于闭合接触状态；

步骤五、接通疲劳裂纹张开监测开关所在的电磁开关回路以及形状记忆合金丝材所在的加热回路，控制装置根据钢桥疲劳裂纹扩展情况自动控制接通电路进行预应力施加，使钢桥疲劳裂纹处于闭合状态。

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