带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的制作方法

专利名称：带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的制作方法
技术领域：
本发明属于钢桥与钢-混凝土组合结构技术领域，具体涉及到带混凝土翼板的双 钢管混凝土翼缘组合梁。
背景技术：
传统钢-混凝土组合结构按其受力特点可以分为两大类，包括以受弯为主的 钢_混凝土组合梁和以受压为主的钢管混凝土结构。钢_混凝土组合梁通常是指将带钢板 翼缘的普通钢梁与混凝土板组合，两者之间通过剪力连接件连接为整体的受弯构件，组合 梁具有建筑高度小、自重轻、承载力高、刚度大等优点。但普通钢_混凝土组合截面存在如 下问题第一，热轧工字钢、H型钢和焊接工字形钢梁的翼板受压时会出现局部失稳，为避 免受压翼板局部失稳，须采取构造措施改善翼板受力，这样往往导致构造复杂、施工不便； 第二，传统钢_混凝土组合梁为了使上下翼缘材料强度得到充分发挥，须将上下翼缘的距 离拉大，腹板过高将使得腹板的稳定问题变得很突出。腹板和受压翼缘的稳定问题成为控 制设计的主要因素时，会使设计变得不经济。钢管混凝土是在钢管中填充混凝土形成的一种组合结构形式，因其具有良好的抗 压性能，在建筑结构的桩、柱，桥梁结构的拱肋、桥墩等领域得到了广泛应用。钢管混凝土通 过钢管的套箍作用使混凝土处于三向受压状态而提高结构承载力，同时利用内填混凝土增 强钢管壁的局部稳定性，但单圆管截面梁的抗弯效率较低。目前在已获准和已受理的专利以及国内外文献中还未发现将钢_混凝土组合梁 的上下翼缘钢板分别用钢管混凝土代替的实例。研究用钢管混凝土代替传统的热轧工字 钢、H型钢和焊接工字钢组合梁的上下平板钢翼缘，形成带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘 组合梁，应用于钢桥及钢_混凝土组合结构技术领域，是本领域技术人员的研究目标。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述钢_混凝土组合梁与钢管混凝土的缺 点，提供一种设计合理、结构简单、施工简便、可提高钢管混凝土抗弯效率的带混凝土翼板 的双钢管混凝土翼缘组合梁。解决上述技术问题所采用的技术方案是在下翼缘的长度方向设置有腹板，腹板 的前后表面设置有加劲肋，腹板的上端设置有在钢管内浇注自密实混凝土构成的上翼缘钢 管混凝土，在上翼缘钢管混凝土上端设置有混凝土上翼板。本发明的下翼缘为在钢管内浇 注自密实混凝土构成的下翼缘钢管混凝土，上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的钢管 为矩形钢管或圆形钢管，横截面为圆形环状结构或矩形环状结构。本发明的腹板的水平截 面形状为梯形波折或正弦波形或平面板形。本发明的上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的圆形钢管的外径为IOOmm 500mm，管壁厚为3mm 16mm。本发明的上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的矩形钢管 横截面的外宽为IOOmm 700mm、外高为60mm 200mm、管壁厚为3mm 16mm，其中外宽大
3于外高。本发明的上翼缘钢管混凝土与下翼缘钢管混凝土的钢管截面与形状相同或不相 同。本发明的梯形波折腹板的水平截面为正梯形与倒梯形首尾相互连为一体的梯形 波折曲线。本发明的正梯形为正等腰梯形，倒梯形为倒等腰梯形，正等腰梯形的上底与下底 的比为1 2 4，斜边与底边的夹角α为30° 45°，倒等腰梯形与正等腰梯形的几何 形状相同方向相反，波高H1取值为下翼缘钢管混凝土外径或外宽的3/10 3/5，该腹板的 厚度为3_ 16_，高度为200_ 2500_。本发明的正弦波形腹板的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为y = H2Sin (2 π x/L2)式中L2为波长，H2为波高，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值。本发明的正弦波形腹板的波高H2取值为下翼缘钢管混凝土外径或外宽的3/10 3/5，波长L2取值为180mm 2400mm，厚度为3mm 16mm，高度为200mm 2500mm。本发明的平面板型腹板的厚度为3mm 16mm，高度为200mm 2500mm ；加劲肋的 厚度为4_ 16_ ；混凝土上翼板的长度为1200mm 60000mm、宽度为500_ 2500mm、 厚度为60mm 250mm，其中长大于宽。本发明将传统钢-混凝土组合梁的上、下钢板翼缘用矩形或者圆形钢管代替，并 在钢管内部填充高性能自密实混凝土，使传统组合梁的钢梁部分也成为组合梁，显著提高 了组合梁的横向扭转刚度，减少了横梁数量和施工过程中临时构件的数量；避免了施工过 程中钢梁受压平板翼缘发生局部屈曲，保证了施工的安全，简化了施工工艺。本发明中，上、 下翼缘钢管的竖向尺寸减小了腹板的高度，克服了由于腹板高厚比过大在设计中引起的稳 定问题；钢筋混凝土翼板混凝土压碎之后，钢管混凝土翼缘仍能够继续承载，不会出现结构 的突然坍塌，对防灾减灾有重要意义。研究表明，对设计标准相同的简支梁，采用带混凝土 翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁自重比传统组合梁轻8.5%。本发明具有施工方便、自重 轻、安全储备高、扭转刚度大、延性好等优点，在钢桥及钢-混凝土组合结构中具有很好的 发展前景。




图1是本发明实施例1的主视图。 图2是图1的左视图。 图3是本发明实施例4的主视图。 图4是图3的左视图。 图5是图1和图3的A-A剖视图。 图6是梯形波折腹板2的结构示意图。 图7是正弦波形腹板2的结构示意图。 图8是实施例1的荷载一跨中挠度曲线。 图9是实施例1的纵向应变沿梁高分布曲线。 图10是实施例4的荷载一跨中挠度曲线。
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图11是实施例4的纵向应变沿梁高分布曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于这些实施 例。实施例1图1、图2、图5给出了本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的结构 示意图。在图1、图2、图5中，本实施例的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁由上翼 缘钢管混凝土 1、腹板2、下翼缘钢管混凝土 3、加劲肋4、混凝土上翼板5、栓钉6连接构成。本实施例的下翼缘钢管混凝土 3由在矩形钢管内浇注自密实混凝土构成，矩形钢 管的横截面为矩形环状结构。在下翼缘钢管混凝土 3外表面长度方向焊接有腹板2，腹板2 与下翼缘钢管混凝土 3垂直，本实施例的腹板2为平面腹板，水平截面为矩形，结构示意图 见图5。腹板2的上端焊接连接有上翼缘钢管混凝土 1，上翼缘钢管混凝土 1为在圆形钢管 内浇注自密实混凝土构成，圆形钢管的横截面为圆形环状结构。在腹板2的前后表面上焊 接有竖向加劲肋4，加劲肋4与上翼缘钢管混凝土 1、下翼缘钢管混凝土 3、腹板2垂直，加劲 肋4的间距、宽度、厚度参照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)或者《公路桥涵钢结构及 木结构设计规范》(JTJ 025-86)进行设计。上述上翼缘钢管混凝土 1、下翼缘钢管混凝土 3的自密实混凝土所用的质量比可 以相同也可以不同。本实施例自密实混凝土原料配比如下每立方米混凝土中水泥与粉煤灰、砂、碎石、水的质量比为 360 90 651 1050 227. 75，减水剂的型号为HSP-GX，由陕西恒升外加剂有限公司生 产，减水剂的掺入量为水泥和粉煤灰质量和的0. 85%。在上翼缘钢管混凝土 1的上端面用栓钉6固定连接有混凝土上翼板5，混凝土上翼 板5为钢筋混凝土结构。混凝土上翼板5的上表面为平面，混凝土上翼板5的下端面与上翼 缘钢管混凝土 1连接部位为半圆弧面，侧面与水平面的夹角为45°，混凝土上翼板5可以预 制，也可现场浇筑。预制时，栓钉6的下端通过焊接与上翼缘钢管混凝土 1的上端面连接， 混凝土上翼板5上预留连接孔，混凝土上翼板5放置在上翼缘钢管混凝土 1的上端面上，然 后在预留孔内浇注水泥混凝土。现场浇筑时，栓钉6的下端通过焊接与上翼缘钢管混凝土 1的上端面连接，然后立模板浇注混凝土上翼板5。采用多个带混凝土翼板的双钢管混凝土 翼缘组合梁构成结构整体时，需设置必要的横向连接系。本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁部件的具体几何尺寸如下上翼缘钢管混凝土 1的圆钢管横截面外径为133mm、管壁厚为4mm，上翼缘钢管混 凝土 1的长度为4300mm ；下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别 为160mm、80mm、6. 5mm，下翼缘钢管混凝土 3的长度为4300mm ；腹板2的厚度为6mm、高度为 227mm、长度为4300mm ；加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm ；混凝土上翼板5的长、宽、厚 度分别为 4300mm、600mm、80mm。实施例2本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系 与实施例1相同，部件的具体几何尺寸如下
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上翼缘钢管混凝土 1的圆钢管横截面外径为100mm、管壁厚为3mm，上翼缘钢管混 凝土 1的长度为1200mm ；下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为 100mm、60mm、3mm，下翼缘钢管混凝土 3的长度为1200mm ；腹板2为平面腹板，腹板2的厚度 为3mm、高度为200mm、长度为1200mm ；加劲肋4的厚度为4mm ；混凝土上翼板5的长、宽、厚 度分别为 1200mm、500mm、60mm。实施例3本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系 与实施例1相同，部件的具体几何尺寸如下上翼缘钢管混凝土 1的圆钢管外径为500mm、管壁厚为16mm，上翼缘钢管混凝土 1的长度为60000mm ；下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为 700mm、200mm、16mm，下翼缘钢管混凝土 3的长度为60000mm ；腹板2为平面腹板，腹板2的 厚度为16mm、高度为2500mm，长度为60000mm ；加劲肋4的厚度为16mm ；混凝土上翼板5的 长、宽、厚度分别为 60000mm、2500mm、250mm。实施例4图3、图4、图5给出了本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的结构 示意图。在图3、图4、图5中，本实施例的上翼缘钢管混凝土 1为矩形钢管，上翼缘钢管混 凝土 1的横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土 1内浇注自密实混凝土。下翼缘钢管 混凝土 3为矩形钢管，下翼缘钢管混凝土 3的横截面为矩形环状结构，下翼缘钢管3内浇注 自密实混凝土。自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5 的下端面为平面，混凝土上翼板5为钢筋混凝土结构，可以预制或现场浇注。其它部件以及 部件的连接关系与实施例1相同。本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁部件的具体几何尺寸如下上翼缘钢管混凝土 1的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、 6mm，上翼缘钢管混凝土 1的长度为4300mm ；下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管横截面的外 宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6. 5mm，下翼缘钢管混凝土 3的长度为4300mm ；腹板2 为平腹板，长度为4300mm、厚度为6mm、高度为280mm ；加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm ； 混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm。实施例5本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系 与实施例4相同，部件的具体几何尺寸如下上翼缘钢管混凝土 1的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为100mm、60mm、 3mm ；下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为100mm、60mm、3mm ；腹 板2为平腹板，长度为1200mm、厚度为3mm、高度为200mm ；加劲肋4的厚度为4mm ；混凝土上 翼板5的长、宽、厚度分别为1200mm、500mm、60mm。实施例6本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系 与实施例4相同，部件的具体几何尺寸如下上翼缘钢管混凝土 1的矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为700mm、 200mm、16mm，上翼缘钢管混凝土 1的长度为60000mm ；下翼缘钢管混凝土 3矩形钢管横截面
6的外宽、外高、管壁厚分别为700mm、200mm、16mm,下翼缘钢管混凝土 3的长度为60000mm ；腹 板2为平腹板，长度为60000mm、厚度为16mm、高度为2500mm ；加劲肋4的厚度为16mm ；混凝 土上翼板5的长、宽、厚度分别为60000mm、2500mm、250mm。实施例7本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土 1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混 凝土1的钢管的几何尺寸与实施例4的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝 土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混 凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管几何尺寸与实施例1 上翼缘钢管混凝土 1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土 1、下翼缘钢管混凝土 3的自密实混凝 土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例4相同。其它部件 以及部件的连接关系与实施例4相同。实施例8本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土 1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混 凝土1的钢管的几何尺寸与实施例5的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝 土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混 凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管几何尺寸与实施例2 上翼缘钢管混凝土 1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土 1、下翼缘钢管混凝土 3的自密实混凝 土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例5相同。其它部件 以及部件的连接关系与实施例5相同。实施例9本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土 1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混 凝土1的钢管的几何尺寸与实施例6的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝 土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混 凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管几何尺寸与实施例3 上翼缘钢管混凝土 1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土 1、下翼缘钢管混凝土 3的自密实混凝 土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例6相同。其它部件 以及部件的连接关系与实施例6相同。实施例10本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管 的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管的几何 尺寸相同，且与实施例1的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼 缘钢管混凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实 施例1相同。混凝土上翼板5与实施例1相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例1 相同。实施例11
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本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管 的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管的几何 尺寸相同，且与实施例2的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼 缘钢管混凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实 施例1相同。混凝土上翼板5与实施例2相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例2 相同。实施例12本实施例的上翼缘钢管混凝土 1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土 1钢管的 横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土 3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土 3钢管 的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土 3的圆形钢管的几何 尺寸相同，且与实施例3的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼 缘钢管混凝土 3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实 施例1相同。混凝土上翼板5与实施例3相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例3 相同。实施例13在以上的实施例1、4、7、10中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见 图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正 等腰梯形上底与下底的比为1 2. 6，斜边与底边的夹角α为37° (波高H1为48mm，波长 L1为288mm)，腹板2的厚度为4mm，高度为300mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的 实施例相同。实施例14在以上的实施例2、5、8、11中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见 图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正 等腰梯形的上底与下底的比为1 4，斜边与底边的夹角α为30° (波高H1为30mm，波长 L1为173. 2mm)，腹板2的厚度为3mm，高度为200mm。其它部件以及部件的连接关系与相应 的实施例相同。实施例15在以上的实施例3、6、9、12中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见 图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正 等腰梯形的上底与下底的比为1 2，斜边与底边的夹角α为45° (波高氏为420!11111，波 长L1为2520mm)，腹板2的厚度为16mm，高度为2500mm。其它部件以及部件的连接关系与 相应的实施例相同。实施例16在以上的实施例1、4、7、10中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见 图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为y = H2Sin (2 π x/L2)式中H2为波高，L2为波长，y、χ为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线 的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H2取值为下翼缘钢管混凝土 3钢管外径或外宽的1/3，波长L2取值为576mm，厚度为4mm，高度为300mm。其它部件以及部件的连接 关系与相应的实施例相同。实施例17在以上的实施例2、5、8、11中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见 图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为y = H2Sin (2 π x/L2)式中H2为波高，L2为波长，y、χ为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线 的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H2取值为下翼缘钢管混凝土 3钢管外径 或外宽的3/10，波长L2取值为180mm，厚度为3mm，高度为200mm。其它部件以及部件的连 接关系与相应的实施例相同。实施例18在以上的实施例3、6、9、12中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见 图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为y = H2Sin (2 π x/L2)式中H2为波高，L2为波长，y、χ为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线 的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H2取值为下翼缘钢管混凝土 3钢管外径 或外宽的3/5，波长L2取值为2400mm，厚度为16mm，高度为2500mm。其它部件以及部件的 连接关系与相应的实施例相同。为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1和实施例4制备的带混 凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁(试验时简称试验梁)进行试验，各种试验情况如 下测试仪器1000kN油压千斤顶，型号为ZJ100型加载千斤顶，由上海遵义液压 机械厂生产；静态电阻应变仪，型号为TDS-602，由日本生产；IOOOkN压力传感器，型号为 9801-L1-100T，由日本生产；位移计，型号为YHD-100型，由江苏溧阳市仪表厂生产；机电百 分表，型号为WBD型，由浙江省温岭市科特电子仪器厂生产；导杆式引伸仪，型号为YHD-10 导型，由江苏溧阳市仪表厂生产；电阻应变计，型号为BE120-5AA、BQ120-80AA、BE-120-3CA 由陕西汉中市中航工业电测仪器股份有限公司生产。一、实施例1试验梁的抗弯性能试验1、试验梁设计参数试验梁钢材均采用Q235钢，轴心抗压强度为46. 4MPa。上翼缘钢管混凝土 1的钢 管采用外径为133mm、管壁厚为4mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。下翼缘钢管混凝土 3 的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6. 5mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。 腹板2为平面腹板，厚度为6mm、高度为227mm，长度为4300mm。加劲肋4的宽度为57mm、厚 度为12mm。混凝土上翼板5的长X宽X厚度为4300mmX 600mmX 80mm，制备混凝土上翼 板5的普通钢筋均为I级钢筋，公称直径6mm，纵向配筋率为0. 89 %，横向配筋率为0.82%， 混凝土上翼板5的混凝土轴心抗压强度为40. 8MPa、弹性模量为3. 47X IO4MPa0试验梁的 高度为520mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。2、试验装置及加载步骤试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用IOOOkN油压千斤顶加载，荷载由
9IOOOkN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数 据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中 一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试 验梁采用四点加载方法，加载时在试验梁混凝土上翼板5顶面放置两个支座，两个加载支 座在混凝土上翼板5上的位置与试验梁两道中间竖向加劲肋对应。支座上放置加载分配横 梁，千斤顶加载点位于分配梁的正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为50kN， 然后从OkN开始连续加载直到试验梁破坏。3、试验结果及分析(1)破坏过程及破坏形态试验梁破坏时，下翼缘钢管混凝土 3底面钢板已经屈服，混凝土上翼板5位于两个 加载点之间的底面出现大量的弯曲裂缝，加载点位置裂缝贯穿整个混凝土板。导杆引伸仪 测试结果显示，试验过程中混凝土上翼板5和上翼缘钢管混凝土 1之间没有发生相对滑移， 混凝土上翼板5与上翼缘钢管混凝土1之间连接可靠。实验过程中没有发现上翼缘钢管混 凝土 1、腹板2发生局部屈曲。(2)荷载与挠度关系试验时在试验梁跨中下翼缘钢管混凝土 3底面布置位移计测试荷载与试验梁挠 度关系，位移计编号为DF4。荷载与挠度关系见表1和图8。表1中荷载由力传感器测试得 到，挠度由位移计DF4测试得到。图8绘制了位移计DF4测试结果随荷载的变化规律。表1荷载与挠度关系
荷载(kN)挠度(mm)荷载(kN)挠度(mm)荷载(kN)挠度(mm)荷载(kN)挠度(mm)0. 00. 00509. 98. 71599. 210. 44790. 517. 1620. 20. 40519. 38. 88603. 810. 77801. 317. 7941. 10. 69530. 79. 08606. 710. 83802. 918. 1460. 61. 01540. 29. 26609. 610. 92804. 618. 2782. 51. 39538. 69. 46616. 811. 04810.418. 7580. 81. 38544. 19. 48620. 411. 10812. 718. 9699. 11. 66547. 79. 54620.411. 17820. 919. 30120. 02. 00550. 39. 56623. 611. 21834. 920. 17138. 92. 29552. 99. 61629. 511. 32843. 020. 75159.42. 59556. 59. 65630. 811. 38849. 621. 36209. 33. 33559. 19. 70640. 611. 51856. 121. 93
10 由表1和图8可见，试验梁的受力过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。 当荷载在0. OkN 458. 4kN时，试验梁的受力过程处于弹性阶段，试验梁各截面均处于弹性 状态，表现出整体工作性能，荷载与跨中挠度基本呈直线关系。荷载在458. 4kN 911. 2kN 时，试验梁的受力过程处于弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，挠度发展明显加快，试 验梁跨中挠度随荷载增加呈现非线性变化。荷载在911. 2kN 956. SkN时，试验梁的受力 过程处于塑性阶段，试验梁刚度明显降低，跨中挠度发展较快；当外荷载达到956. SkN时， 实验梁承受的荷载达到最大值。从加载开始到试验梁的下翼缘钢管混凝土 3钢管底面开始 屈服前，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小，仅为7. 65mm，说明试验梁在弹性范 围内具有较大刚度。试验梁破坏时跨中挠度最大为39. 35mm，说明试验梁延性较好。
(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的 变化规律。以下翼缘钢管混凝土 3底面为零点，分别在试验梁跨中断面梁高为0mm、40mm、 80mm、195mm、373. 5mm、480mm、520mm位置布置应变测点测试各级荷载作用下纵向应变沿梁 高的变化规律。不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向分布规律见表2和图9，表2中 荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到。图9绘制了各级荷载作用下应变片测 试结果沿梁高的变化规律。表2不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布 由表2和图9可见，在加载的初期阶段，试验梁的钢梁部分和混凝土上翼板5各测 点测试值保持在同一条平滑的直线，说明在跨中截面混凝土翼板和钢梁的弯曲曲率基本相 同，可见试验梁处于弹性受力阶段时，截面应变服从平截面假定。当下翼缘钢管混凝土 3的 钢管底面屈服后，平截面假定仍近似成立。以下翼缘钢管混凝土 3底面为原点，随着荷载的 进一步增大，中性轴从弹性阶段的390mm不断上移至梁高的427mm位置，试验梁应变增长速 度加快，在接近极限荷载时，试验梁全截面塑形发展较充分。(4)相对滑移测试试验过程中，在试验梁上翼缘钢管混凝土 1和下翼缘钢管混凝土 3内的自密实混 凝土两端面布置机电百分表来测试上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土 3的钢管与自 密实混凝土之间是否发生相对滑移，测试结果表明均未发生相对滑移。在试验梁上翼缘钢 管混凝土1的圆形钢管与混凝土上翼板5之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘钢管混凝土 1的圆形钢管与混凝土上翼板5之间是否发生相对滑移，测试结果显示在靠近固定铰支座 端产生相对滑移，最大值为0. 13mm ；活动铰支座端无相对滑移。4、试验结论(1)试验结果表明，试验梁的上翼缘钢管混凝土 1的圆形钢管、下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管与内浇注的自密实混凝土均粘结紧密，变形一致；试验梁呈塑性弯曲破坏特 征，结构延性较好。(2)试验梁的上翼缘钢管混凝土 1和下翼缘钢管混凝土 3，降低了腹板2的高度， 提高了试验梁的稳定性。二、实施例1试验梁的偏载试验1、试验梁
12
偏载试验所采用的试验梁与实施例1抗弯试验梁(上翼缘为圆形钢管混凝土、下 翼缘为矩形钢管混凝土)相同。2、试验装置及加载步骤试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用500kN手摇机械千斤顶加载，荷载由 IOOOkN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数 据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中 一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试 验梁采用三点加载方法，千斤顶加载点位于试验梁混凝土上翼板5顶面正中间。试验时先 预压试验梁三次，最大预压荷载为10kN。加载时按照千斤顶横向偏离试验梁跨中断面混凝 土上翼板5顶面中心0mm、20mm、50mm、100mm，将试验分为4个工况。每个试验工况从OkN开 始按照IOkN —个荷载步加载，加载到IOOkN时停止加载。试验结果见表3。3、试验结果及分析(1)应变分析表3中SW5和SW8为试验梁跨中断面腹板上的竖向应变测点，SW5和SW8布置在腹 板正反面同一高度位置，距下翼缘矩形钢管混凝土 3的下表面110mm，SW5位于偏载侧。通 过SW5和SW8的值可以反应试验梁在偏载作用下的应变分布情况。50kN荷载作用下各工况 的应变测试结果见表3。表3腹板2的竖向应变 由表3可见，在偏载工况下，试验梁偏载侧的测点SW5的应变随着偏载距离的增加 而增大，测点SW8的应变随着偏载距离的增加而减小。(2)位移分析表4中DT3和DT4为试验梁跨中断面混凝土上翼板5竖向位移测点，DT3和DT4位 于试验梁混凝土顶板两侧对称位置，距梁轴线200mm。通过DT3和DT4的测试值可以反映试 验梁在偏载作用下的竖向位移大小。表4中各测点测试值为50kN荷载作用下各个测点竖 向位移值。表4混凝土上翼板5的竖向位移 由表4可见，试验梁偏载侧的测点DT3的位移随着偏载距离的增加而增大，测点 DT4的位移随着偏载距离的增加而减小。三、实施例4试验梁的抗弯性能试验1、试验梁设计参数试验梁钢材均采用Q235钢，上翼缘钢管混凝土 1是在矩形钢管内浇注自密实混 凝土构成，下翼缘钢管混凝土3是在矩形钢管内浇注自密实混凝土构成，自密实混凝土所 用的原料及其原料的质量配比与实施例1试验梁相同，轴心抗压强度为46. 4MPa。上翼 缘钢管混凝土 1的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6mm的直缝焊接钢管， 长度为4300mm。下翼缘钢管混凝土 3的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、 6. 5mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。腹板2为平腹板，长度为4300mm、厚度为6mm、高 度为280mm。加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm。混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为 4300mm、600mm、80mm，混凝土上翼板5的普通钢筋均为I级钢筋，公称直径为6mm，纵向配筋 率为0. 89%，横向配筋率为0. 82%，混凝土上翼板5的混凝土轴心抗压强度为40. 8MPa、弹 性模量为3. 47 X IO4MPa0试验梁的高度为520mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。2、试验装置及加载步骤试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用IOOOkN油压千斤顶加载，荷载由 IOOOkN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数 据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中 一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试 验梁采用四点加载方法，加载时在试验梁混凝土上翼板5顶面放置两个支座，两个加载支 座在混凝土上翼板5上的位置与试验梁两道中间竖向加劲肋对应。支座上放置加载分配横 梁，千斤顶加载点位于分配梁的正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为50kN， 然后从OkN开始连续加载直到试验梁破坏。3、试验结果及分析(1)破坏过程及破坏形态试验梁破坏时，下翼缘钢管混凝土 3底面钢板已经完全屈服，混凝土上翼板5位于 两个加载点之间的部分底面出现大量的弯曲裂缝，加载点位置裂缝分布密集。试验梁塑性 变形发展充分。导杆引伸仪测试结果表明，整个试验过程中混凝土上翼板5和上翼缘钢管 混凝土 1之间没有发生相对滑移，混凝土上翼板5和上翼缘钢管混凝土 1之间连接可靠。实 验过程中没有发现试验梁上翼缘钢管混凝土 1发生局部屈曲，也没有出现腹板2屈曲。(2)荷载与挠度关系试验时在试验梁跨中下翼缘钢管混凝土 3底面布置位移计测试荷载与试验梁挠 度关系，位移计编号为DF4。荷载与挠度关系见表5和图10。表5中荷载由力传感器测试 得到，挠度由位移计DF4测试得到。图10绘制了位移计DF4测试结果随荷载的变化规律。表5荷载与挠度关系 由表5、图10可见，试验梁的受力过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶 段。当荷载在0. OkN-449. 6kN之间时试验梁处于弹性阶段，试验梁各截面均处于弹性状态， 表现出整体工作性能，荷载与跨中挠度基本呈直线关系。荷载在449. 6kN 903. 3kN时，试 验梁的受力过程处于弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，挠度发展明显加快，试验梁的 荷载_跨中挠度曲线呈现非线性变化。荷载在903. 3kN 951. 6kN时，试验梁的受力过程 处于塑性阶段，试验梁刚度明显降低，跨中挠度发展较快。当外荷载达到951. 6kN时，实验 梁承受的荷载达到最大值。从加载开始到试验梁的下翼缘钢管混凝土3的钢管底面开始屈 服前，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小，仅为8. 37mm，说明试验梁在弹性范围 内具有较大刚度。试验梁承受最大荷载时跨中挠度为65. 94mm，说明试验梁具有很好的延 性。(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的 变化规律。以下翼缘钢管混凝土 3底面为零点，分别在试验梁跨中断面梁高为0mm、40mm、 80mm、220mm、360mm、400mm、440mm、480mm、520mm位置布置应变测点测试各级荷载作用下纵 向应变沿梁高的变化规律。各级荷载下跨中应变沿梁高方向变化规律见表6和图11，表6 中荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到。图11中分别绘制了各级荷载作用下 应变片测试结果沿梁高的变化规律。表6不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布
16 由表6和图11可见，在加载的初期阶段，钢梁部分和混凝土上翼板5测点测试值 保持在同一条平滑的直线上，说明在跨中截面上翼板和钢梁的弯曲曲率基本相同，可见在 试验梁的弹性受力阶段，截面应变服从平截面假定。当下翼缘钢管混凝土 3的钢管底面屈 服后，平截面假定仍近似成立。以下翼缘钢管混凝土 3底面为原点，随着荷载的进一步增 大，中性轴从弹性阶段的378mm不断上移至梁高的436mm位置，试验梁应变增长速度加快， 在接近极限荷载时，试验梁全截面塑形发展充分。(4)相对滑移测试试验过程中，在试验梁上翼缘钢管混凝土 1和下翼缘钢管混凝土 3内的自密实混 凝土两端面布置机电百分表来测试上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管 与自密实混凝土之间是否发生相对滑移，测试结果表明均未发生相对滑移。在试验梁上翼 缘钢管混凝土1的矩形钢管与混凝土上翼板5之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘钢管混 凝土 1的矩形钢管与混凝土上翼板5之间是否发生相对滑移，测试结果显示在靠近固定铰 支座端产生相对滑移，最大值为0. 43mm ；活动铰支座端的相对滑移最大值为0. 09mm。4、试验结论(1)试验梁的上翼缘钢管混凝土 1的矩形钢管、下翼缘钢管混凝土 3的矩形钢管 与内浇注的自密实混凝土均粘结紧密，变形一致；试验梁塑性弯曲破坏特征显著，结构延性 好。(2)试验梁的上翼缘钢管混凝土 1和下翼缘钢管混凝土 3，降低了腹板2的高度， 提高了试验梁的稳定性。四、实施例4试验梁的偏载试验1、试验梁偏载试验所采用的试验梁与实施例4抗弯试验梁(上翼缘为矩形钢管混凝土、下 翼缘为矩形钢管混凝土)相同。2、试验装置及加载步骤试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用500kN手摇机械千斤顶加载，荷载由 IOOOkN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数 据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试 验梁采用三点加载方法，千斤顶加载点位于试验梁混凝土上翼板5顶面正中间。试验时先 预压试验梁三次，最大预压荷载为10kN。加载时按照千斤顶横向偏离试验梁跨中断面混凝 土上翼板5顶面中心0mm、20mm、50mm、100mm，将试验分为4个工况。每个试验工况从OkN开 始按照IOkN —个荷载步加载，加载到IOOkN时停止加载。3、试验结果及分析(1)应变分析表7中SW5和SW8为试验梁跨中腹板2位置的竖向应变测点，SW5和SW8布置在腹 板正反面同一高度位置，距下翼缘矩形钢管混凝土 3的下表面110mm，SW5位于偏载侧。通 过SW5和SW8的值可以反应试验梁在偏载作用下的应变分布情况。50kN荷载作用下各工况 的应变测试结果见表7。表7腹板2的竖向应变 由表7可见，在偏载工况下，试验梁偏载侧的测点SW5的应变随着偏载距离的增加 而增大，测点SW8的应变随着偏载距离的增加而减小。(2)位移分析表8中DT3和DT4为试验梁跨中断面混凝土上翼板5竖向位移测点，DT3和DT4位 于混凝土上翼板5两侧对称位置，距梁轴线250mm。通过DT3和DT4的测试值可以反映试验 梁在偏载作用下的竖向位移大小。表8中各测点测试值为50kN荷载作用下对应的竖向位 移值。表8混凝土上翼板5的竖向位移 由表8可见，试验梁偏载侧的测点DT3的位移随着偏载距离的增加而增大，测点 DT4的位移随着偏载距离的增加而减小。
权利要求
一种带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，在下翼缘的长度方向设置有腹板(2)，腹板(2)的前后表面设置有加劲肋(4)，腹板(2)的上端设置有在钢管内浇注自密实混凝土构成的上翼缘钢管混凝土(1)，其特征在于在上翼缘钢管混凝土(1)上端设置有混凝土上翼板(5)；所说的下翼缘为在钢管内浇注自密实混凝土构成的下翼缘钢管混凝土(3)，上翼缘钢管混凝土(1)和下翼缘钢管混凝土(3)的钢管为矩形钢管或圆形钢管，横截面为圆形环状结构或矩形环状结构；所说的腹板(2)的水平截面形状为梯形波折或正弦波形或平面板形。
2.按照权利要求1所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的上翼缘钢管混凝土(1)和下翼缘钢管混凝土(3)的圆形钢管的外径为IOOmm 500mm， 管壁厚为3mm 16mm ；所说的上翼缘钢管混凝土(1)和下翼缘钢管混凝土(3)的矩形钢管 横截面的外宽为IOOmm 700mm、外高为60mm 200mm、管壁厚为3mm 16mm，其中外宽大于外高。
3.按照权利要求1或2所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于 所说的上翼缘钢管混凝土(1)与下翼缘钢管混凝土(3)的钢管截面与形状相同或不相同。
4.按照权利要求1所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的梯形波折腹板(2)的水平截面为正梯形与倒梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线。
5.按照权利要求4所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的正梯形为正等腰梯形，倒梯形为倒等腰梯形，正等腰梯形的上底与下底的比为1 2 4，斜边与底边的夹角α为30° 45°，倒等腰梯形与正等腰梯形的几何形状相同方向相 反，波高H1取值为下翼缘钢管混凝土(3)外径或外宽的3/10 3/5，该腹板(2)的厚度为 3mm 16mm,高度为 200mm 2500mm。
6.按照权利要求1所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的正弦波形腹板(2)的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为y = H2Sin (2 π x/L2)式中=L2为波长，H2为波高，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值。
7.按照权利要求6所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的正弦波形腹板(2)的波高H2取值为下翼缘钢管混凝土(3)外径或外宽的3/10 3/5， 波长L2取值为180mm 2400mm，厚度为3mm 16mm，高度为200mm 2500mm。
8.按照权利要求1所述的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其特征在于所 说的平面板型腹板⑵的厚度为3mm 16mm，高度为200mm 2500mm ；加劲肋(4)的厚度 为4mm 16mm ；混凝土上翼板(5)的长度为1200mm 60000mm、宽度为500mm 2500mm、 厚度为60mm 250mm，其中长大于宽。
全文摘要
一种带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其断面口型由腹板和上、下翼缘连体构成。上翼缘与下翼缘平行，腹板垂直于上翼缘与下翼缘，梯形波折、正弦波形或平面板形腹板与翼缘采用双面角焊缝连接。上、下翼缘均为内部填充高性能自密实混凝土的钢管。组合梁上部为钢筋混凝土板，上翼缘与钢筋混凝土板之间通过抗剪连接件连接。本发明可以取代传统的热轧工字钢、H型钢组合梁和焊接工字钢组合梁，除了具有传统组合梁的优点外，还具有扭转刚度大、施工临时设施少、费用低、安全储备大、延性好、抗震性能好等优点，同时提供了一种能够更好地发挥结构钢及高性能混凝土优势的截面组合形式，在桥梁与组合结构领域内具有广阔的应用前景。
文档编号E04C3/293GK101906848SQ201010244578
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者任腾先, 冯林军, 朱经纬, 段兰, 王春生, 王晓平, 王欣欣, 王玉娇, 王继明, 王茜, 翟晓亮, 郝龙, 闫生龙 申请人:长安大学