预张紧钢结构的方法和由该方法施以预张紧的钢结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种预张紧钢结构的方法，以及一种钢结构。这种钢结构既可存在于新建筑中，也可存在于已有建筑中，优选存在于已有建筑，尤其是桥梁建筑中。根据BienJ.Elfgren L.和Olofsson J.发表于 2007年《Wroclaw，Dolnoslaskie WydawnictwoEdukacy jne》的一篇标题为“可持续桥梁-未来交通需求和更长久生命”的研究，欧洲各铁路局确认，仅在欧洲就有大约220,000座铁路桥，这些铁路桥位于不同气候的地区。其中约22 %是金属或钢建筑，也常称为钢架桥。这些桥中，3 %是铸铁桥，25 %是焊接钢建筑，53 %是钢桥，约20%所用材料尚未明确。这些金属建筑中的28%已有超过100年的年龄，几乎70%的桥梁都有超过50年的桥龄。由于当今火车变得更长、更重和更快，导致这些桥梁的负载大大增加。每条轴向载荷都会产生振动，因此随时间推移在结构中产生小裂纹和缝隙，载体疲劳日趋严重。
【背景技术】
[0002]在位于CH-Diibendorf的EMPA(瑞士材料测试与研究联邦实验室)中进行的测试表明，原则上可采用碳纤维强化复合材料(CFRP)来强化钢梁。这些CFRP通过粘结剂贴到钢梁上，并能够吸收张应力，由此能够减缓、甚至制止裂纹的形成。尽管如此，粘结剂在许多地方仅部分适用，因为钢材经日晒升至高温，导致粘结剂达到玻璃化极限温度。可在爱思唯尔出版集团的网站(www.elsevier.com)查阅出版物《工程结构物》45(2012)270-283和《国际疲劳期刊》44 (2012) 303-315 了解这方面的信息。
[0003]另一个问题是电化学腐蚀。尽管CFRP没有腐蚀性，但会与钢材形成电化学电池。于是，出现了许多铆接钢桥。这些桥梁的问题是，如何最好地将扁平的CFRP带贴到钢梁上。最后，经常要考虑标志性建筑的保护，例如，要求必须适时将具有历史重要意义的建筑结构物重新恢复原貌，而采用在CFRP带上涂粘胶的方式很难做到这点。最后，令人满意的效果不仅在于强化建筑结构，还在于预张紧，以便能够完全封住已出现的裂纹和缝隙，并持续预防这些裂纹和缝隙的进一步发展。因此，强化系统的最重要目的之一就是适当选择机械锚接系统，使之产生足够的夹紧力，尽量减少腐蚀，如果可能，CFRP带不需要与钢材直接接触，而在锚接系统中逐渐产生应力。
【发明内容】
[0004]本发明之目的是限定一种预张紧钢结构的方法和由该方法施以预张紧的钢结构。因此，通过这种预张紧方法，应该能够预防在新的或已有钢结构中形成裂纹，或者应该能够闭合已有的裂纹或阻止或至少减缓其进一步发展。
[0005]上述发明目的由预张紧钢结构的方法实现，其中包括:将至少一条能够传递张力的碳纤维强化复合材料带的两端区域连接到待强化的钢梁上，之后在各条碳纤维强化复合材料带与待强化的钢梁之间布置至少一个举升部件，并使该举升部件在这些端锚接件之间的区域中延伸，延伸方向大致垂直于碳纤维强化复合材料带，以便在各条碳纤维强化复合材料带的端部区域之间产生张应力。
[0006]上述发明目的还通过一种钢结构来实现，该钢结构的特征是:至少有一条能够传递张力的碳纤维强化复合材料带，该碳纤维强化复合材料带的两端均与待强化钢结构的钢梁连接，并在各条碳纤维增强复合材料带两端之间区域及与待强化的钢梁之间布置至少一个举升部件，从而借助于各条碳纤维强化复合材料带大致的垂直举升而受到来自钢梁的张应力。
[0007]本发明由附图以图示方式进行表示。而在下文中，借助这些示意图对本发明进行描述，同时还描述了本方法的作用和由该方法实施强化的钢结构。
【附图说明】
图1:示出一种钢架桥形式的钢结构，该钢结构的下撑梁装有一段接到其底面(承受张力)的CFRP带；
图2:示出根据图1并插入一个举升部件后的钢结构；
图3:示出根据图1并插入两个举升部件后的钢结构；
图4:示出一种钢架桥形式的钢结构，该钢结构的上撑梁装有一段接到其底面(承受张力)的CFRP带；
图5:示出根据图4并插入三个举升部件后的钢结构；
图6:示出一种钢架桥形式的钢结构，其弧形下撑梁贴有CFRP带和对其预张紧的几个举升部件。
【具体实施方式】
[0008]在图1中，钢结构以装有下撑梁2的钢架桥I的形式来表示，其中最底部的水平钢梁3承受张应力。在此类钢架桥中，总是有一些钢梁承受压力，另一些钢梁承受张力。此外，还会产生弯矩，尤其当桥梁临时承载时，例如，当列车从桥上驶过时。每个轴向载荷均会引起振动，由此导致材料疲劳这样在多年之后，钢梁中可能出现裂纹，日益削弱钢梁的强度。因此，阻止这种过程，或至少要将其减缓，就显得尤为重要。由于碳纤维强化复合材料带(CFRP带)抗张应力强度特别好，而且不会受到任何腐蚀，因此可用来强化张应力作用下的钢梁。最有效的方法就是用此类带子来预张紧张应力作用下的钢梁。目前流行使用预张紧带来后续强化混凝土结构，旨在改善其抗张强度。在此案例中，带子由特殊设备高度预张紧，并在该预张紧状态下就位于混凝土结构旁，然后由环氧树脂粘结剂层压在混凝土上。粘结剂硬化后，拆除产生并维持应力的设备，于是预张紧CFRP带持续将自身的张力传递给混凝土结构。然而，这种方法无法用在钢建筑上。首先，钢建筑一般没有平滑表面，其次，已证实粘结剂不太适用于钢梁，因为钢建筑在烈日暴晒下温度很高，导致粘结剂流动/上涨至钢建筑边框。而且，在许多情况下，受限于环境条件或缺乏空间，无法将预张紧带子的重型设备移出。尤其当桥梁在高处延绵于广阔地带时，无法使用这种方法。
[0009]根据图1的桥梁装有下撑梁2，这意味着最底部的水平撑梁3承受张应力，可采用CFPR带4强化最底部的水平撑梁，为此采取以下步骤:将CFRP带4的两端与承受张力的结构部分中的一段连接，或与整个结构部分连接，使CFRP带4能够传递张力。为此，可采用当前工艺水平下的合适的端锚接件5，例如，以夹紧靴形式出现的端锚接件，借助这种端锚接件，使CFRP带4永久地机械连接到钢梁3上，并使CFRP带4能够顺利传递张力。在所示例子中，CFRP带4跨过底部水平钢梁3的整个底面长度，其中端锚接件5被连接到分别位于钢梁3两端附近的两侧。因此，CFRP带4处于松弛的张拉状态。而且，在所示例子中，于CFRP带4的中央，SPCFRP带4的中途，在钢梁3与CFRP带4之间装入一个举升部件7。该举升部件7可以是液压、气动、电动或机械操作式举升部件7，能够为制造位移产生很大的举升力，例如上万牛顿。于是在产生较长伸长路径的同时造就较短缩回路径。当该举升力以大致垂直于两端已被约束的CFRP带4的方向作用在该CFRP带4上，并使该CFRP带4偏离钢梁3。之后会产生很大的、广泛转化在CFRP带4自身上的张应力。之后，这些张力通过端锚接件5转移至钢结构I。因此，用这种方式预张紧的钢梁3得到了非常大的强化。如果已存在细微裂纹、甚至严重裂纹，在许多情况下，通过这种预张紧，可将裂纹闭合，或至少可使这些裂纹不会进一步发展。要知道，不仅能够连接一条CFRP带4，还可在桥梁宽度方向、甚至在遍及桥梁长度方向的区域上安装多条CFRP带4，也可连接几条连续的CFRP带4或在长度方向彼此覆叠的CFRP带4，可使这些带子相互靠近并彼此平行延伸展开，甚至可将这些带子叠高，因此这些带子可被叠加或交叉。在此案例中，不是严格按钢梁本身的方位铺设CFRP带4的，而是使CFRP带4与钢梁之间略有倾角，以便形成带子4的交叉。
[0010]在图2中，示出根据图1并插入举升部件7后的钢结构。举升部件7装于接到桥梁的、被松弛张拉的CFRP带4上方，例如，该举升部件7通过借助焊接或螺栓与钢梁3连接的的机械接头，装于该CFRP带的上方。该举升部件7的结