一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，包括两块翼缘板（2）以及设置在两块翼缘板（2）之间的波形腹板（1），至少一块翼缘板（2）的外侧设有加强板（3），加强板（3）在翼缘板（2）上的投影为波形。本实用新型采用上述结构，能够有效地缓解钢梁翼缘板在波形腹板倾斜段及其与平直段的过渡部位附近的应力集中，提高波形钢腹板梁的抗疲劳强度。
【专利说明】一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及建筑和桥梁结构领域，具体是一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构。
【背景技术】
[0002]用于建筑和桥梁的焊接波形钢腹板梁在服役周期中常常承受交变反复荷载，有必要对波形钢腹板与钢梁翼缘板连接部位的疲劳安全性进行充分考虑。波形钢腹板钢梁主要由波形钢板与钢梁翼缘板焊接而成。由于波形钢腹板有较高的剪切屈曲强度，并在纵向受拉变形作用下具有类似于手风琴效应的自由伸缩特点，所以在平面内弯矩所产生的拉应力主要由钢梁翼缘板承担。在构造上，波形钢腹板的倾斜段与纵向拉应力的方向呈一定交角，使得在钢翼缘板上传递的应力流到此受到一定的阻碍，同时该处又比邻连接焊缝区域，由此造成局部应力集中。当该交角较大时，在波形钢腹板倾斜段与钢梁翼缘板边缘之间区域的应力集中更为突出，更容易形成结构疲劳薄弱部位，导致过早的发生疲劳破坏。
[0003]在钢-混组合梁的应用中，腹板与混凝土上下桥面板连接，其连接部是最重要的构造部位，要有良好能力传递作用纵向的水平剪力以及抵抗与纵向方向垂直的弯矩，以保证组合梁安全。翼缘型抗剪连接件可提供较好的承载能力以抵抗横向弯矩和纵向剪力作用，已在钢-混凝土组合梁中被较多的采用。如中国专利局于2010.12.15公告的申请号201020185948.6实用新型名称《一种抗剪连接件》的实用新型中，采用直接在波形钢腹板上开孔并在波形钢板上焊接翼缘板构成。但是近年来国内外的疲劳试验研究发现，与波形钢腹板相联的受拉钢梁翼缘板上仍然容易产生疲劳开裂并影响了组合梁的疲劳强度，而现有的方法主要是保证静力安全强度，但并没有更多的涉及到梁的疲劳性能问题。
[0004]经验表明，由于应力集中而导致疲劳裂纹在与腹板相联的钢梁翼缘板上萌生后，在反复应力(如:车轮荷载)作用下导致连接焊缝处的疲劳开裂，危害大且修复困难。此外，在加工制作的施焊时，如果焊接本身存在局部未熔合部分，往往易形成天然的初始裂纹并发展为裂纹源，加剧疲劳开裂。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供了一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，针对波形钢腹板倾斜段交角较大的情况，解决了以往波形钢腹板梁的翼缘板在波形腹板倾斜段及其与平直段的过渡部位附近的连接焊缝处容易出现应力集中，并导致疲劳开裂，危害大且修复困难；同时，焊接本身存在局部未熔合部分，往往易形成天然的初始裂纹并发展为裂纹源，局部突出的应力集中造成疲劳开裂加剧的问题。
[0006]本实用新型为解决技术问题主要通过以下技术方案实现:一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，包括两块翼缘板以及设置在两块翼缘板之间的波形腹板，波形腹板包括纵向平直段和倾斜段，所述至少一块翼缘板的外侧设有加强板，所述加强板在翼缘板上的投影为波形。在平面内弯矩作用下，往往以钢梁的下翼缘板承受拉应力，且钢梁翼缘板上应力集中部位多位于波形腹板倾斜段及其与平直段的过渡部位附近，从而容易造成疲劳破坏在这些区域发生，当增加加强板后，拉应力流在钢梁受拉翼缘板上传递时，波形钢腹板与加强板可较好地对受拉翼缘板内的拉应力流进行层向分流，从而很好的缓解钢梁翼缘板在波形钢腹板的倾斜段及其与平直段的过渡部位附近的应力集中；通常情况下，波形腹板与翼缘板采用的是焊缝连接，翼缘板上会形成焊缝，加强板与翼缘板也可通过焊缝连接，连接方式可以是角缝焊接也可以是对接缝焊接，可采用与波形腹板和翼缘板的焊接相同的焊接方式。
[0007]进一步地，所述加强板垂直于翼缘板。加强板垂直于翼缘板后，能够更好地实现拉应力层向分流。
[0008]进一步地，所述加强板在翼缘板上的投影与波形腹板在翼缘板上的投影位于同一坐标轴上，且相差1/2个波长。加强板与波形腹板成反向对称，即加强板的波峰对应波形腹板的波谷，而加强板的波谷对应波形腹板的波峰，此时的拉应力分流效果是较佳的。
[0009]进一步地，还包括若干剪力钉，所述剪力钉横向贯穿加强板。该部分运用到钢混凝土组合梁结构时，剪力钉及贯通钢筋的作用在于使嵌入的加强板能更好的抵抗水平剪力，提高混凝土板的抗裂性，改善结构的耐久性。
[0010]进一步地，所述剪力钉贯穿于加强板的平直段，且剪力钉与加强板的平直段垂直。由于贯穿于加强板平直段的剪力钉与翼缘纵向拉应力方向垂直，可以较大限度的发挥其抵抗剪力的作用。同时，不在加强板倾斜段设置剪力钉，可以避免与纵向贯通钢筋靠得太近，而引起的构造困难。
[0011]进一步地，还包括若干贯通钢筋，所述贯通钢筋纵向贯穿于加强板的倾斜段，且贯通钢筋与剪力钉垂直。
[0012]进一步地，所述波形钢腹板及对应的加强板的倾斜段与平直段之间的转角交接部位采用圆弧过渡，该圆弧的曲率半径等于或大于两相邻平直段间平行距离的一半。本方案中所说的两相邻平直段间平行距离是波形腹板或加强板所在波形的峰峰值，即正负峰值的绝对值之和。
[0013]进一步地，所述加强板上设有缺口，该缺口处连接有过渡弧板，所述渡弧板所在圆的半径等于或大于150_。受结构的影响，不同段的翼缘板所受的拉应力大小不同，即某些区域的翼缘板需要设置加强板，而另外一些区域的翼缘板则无需设置加强板，为了使两个区域有一定的过渡，设置过渡弧板，设置的方向有一定的讲究，最好将过渡弧板设置在顺纵向拉应力方向(梁的纵向长度方向，即是与梁横截面垂直的方向)，避免由于过渡弧板对钢翼缘板上应力流的阻碍，造成不必要的应力集中；另外过渡弧板的设置是使应力过渡平缓，避免应力集中，而半径过小会使这种过渡得不到较好的发挥，反而造成不必要的应力集中；过渡弧板的材质可与加强板的材质一致。
[0014]本实用新型与现有技术相比具有以下优点和有益效果:
[0015](I)本实用新型通过设置与波形钢腹板成反对称的波形加强板，有效的缓解了钢梁翼缘板在波形腹板倾斜段及其与平直段的过渡部位附近的应力集中，由此，有效地提高了波形钢腹板梁的抗疲劳强度。
[0016](2)本实用新型在加强板上设置剪力钉，从而增强了混凝土翼缘板内水平剪力的抵抗能力，满足了抵抗混凝土翼缘板内水平剪力的要求，再增加纵向的贯通钢筋，与剪力钉一起形成钢筋混凝土抗剪销，进一步增强对水平剪力的抵抗。
[0017](3)在工厂预制时，可以采用与波形钢腹板及其连接焊缝相同的材料和方式制作波形加强板，制作加工方便；而在对已有的波形钢腹板梁进行改造时，可以在相应部位的钢梁受拉翼缘板外侧进行与波形钢腹板呈反对称的波形加强板设置，结构施工改造简便。
[0018](4)本实用新型使波形加强板沿着钢梁受拉翼缘板宽中线呈反对称布置，可以较好地减小在焊接单面波形板后受拉翼缘板产生的局部扭曲和变形。
[0019](5)本实用新型的技术方案可设计性和经济性好,适应对跨度较大梁的疲劳易损区段进行分段改造，亦可对已有的波形钢腹板梁结构进行局部抗疲劳加强。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型的实施例1的整体结构示意图；
[0021]图2为本实用新型的实施例1的加强板的结构示意图；
[0022]图3为本实用新型的实施例6的整体结构示意图；
[0023]图4为本实用新型的实施例8的整体结构示意图；
[0024]图5为波形钢腹板梁结构的受拉应力区域在构造改进前与改进后的疲劳数据对比图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0026]实施例1:
[0027]如图1、图2所示，本实施例包括两块翼缘板2以及设置在两块翼缘板2之间的波形腹板1，至少一块翼缘板2的外侧设有加强板3，加强板3与翼缘板2之间通过焊缝4连接，加强板3在翼缘板2上的投影为波形，由于平面内弯矩所产生的拉应力主要由翼缘板2承担，往往只有翼缘板2的一侧会受到拉应力，而另一侧为挤压力，因此只将加强板3设置在翼缘板2受拉应力的一侧，受力通过波形腹板I和加强板3，可实现拉应力的分流，即翼缘板2上不会出现应力集中的情况，从而能够有效提高波形钢腹板梁的抗疲劳强度。另外，如果翼缘板2两侧均受拉应力的话，则在两块翼缘板2的外侧均设置加强板3，达到同时分流两侧的拉应力。
[0028]实施例2:
[0029]本实施例在实施例1的基础上，使加强板3垂直于翼缘板2，提高加强板3对翼缘板2上的拉应力分流效果。
[0030]实施例3:
[0031]本实施例在实施例2的基础上，使加强板3在翼缘板2上的投影与波形腹板I在翼缘板2上的投影位于同一坐标轴上，且相差1/2个波长，两个投影相差半个波长，刚好使得加强板3的波峰对应波形腹板I的波谷，加强板3的波谷对应波形腹板I的波峰，波形腹板I与加强板3成反对称，可更好地对拉应力进行分流，缓解钢梁翼缘板在波形腹板倾斜段及其与平直段的过渡部位附近的应力集中。
[0032]实施例4:[0033]本实施例在实施例3的基础上做进一步改进，为了增强混凝土翼缘板内水平剪力的抵抗能力，在加强板3上增加若干剪力钉5，剪力钉5横向贯穿加强板3。
[0034]实施例5:
[0035]本实施例在实施例4的基础上进一步优化，具体为:使剪力钉5通过熔焊或穿透焊的方式与加强板3固定，剪力钉5贯穿于加强板3的平直段，并与平直段垂直；另外，也可在加强板3上开孔，孔的形状可为整体圆形、开口圆形、椭圆、梯形等形状，然后剪力钉5穿过孔，与混凝土一起形成钢筋混凝土抗剪销以抵抗更大的水平剪力。
[0036]实施例6:
[0037]如图3所示，本实施例在实施例5的基础上增加若干贯通钢筋6，贯通钢筋6纵向贯穿于加强板3的倾斜段，具体操作为:在波形腹板I的倾斜段开孔并穿纵向贯通钢筋6，以增强与纵向成直角方向弯矩的抵抗能力，纵向贯通钢筋6的数量和排列可根据具体的要求进行调整。
[0038]实施例7:
[0039]本实施例在实施例6的基础上进行改进，使贯通钢筋6与剪力钉5垂直，以确保增强翼缘板2的横向和纵向的抵抗力。
[0040]实施例8:
[0041]如图4所示，本实施例在实施例7的基础上在加强板3上设有缺口，该缺口即是将原来整条的加强板3打断形成的，然后通过过渡弧板7将断开的两段加强板3连接起来，渡弧板7所在圆的半径等于或大于150mm。由此，对于梁跨度较大的情况，可仅对波形钢腹板梁的疲劳易损区段进行疲劳强度提高的构造改进，即在对应疲劳易损区的翼缘板2上设置加强板3，而不需要加强的地方则通过过渡弧板7来过渡，使得结构设计方案同时能满足经济性要求。
[0042]实施例9:
[0043]除了以上实施例之外，通过扩大波形腹板I及加强板3的纵向平直段与倾斜段在波形转角部位的圆弧半径，也有助于提高疲劳寿命，降低在该部位的应力集中，圆弧半径可以被扩大到通过波形倾斜段限制的最大值。
[0044]如图5所示，通过数据对比可以看到，采用标准焊接方法与构造改进后，波形倾斜段交角为60度的节点在疲劳强度上的差别，通过与AASHTO LRFD疲劳规范标准曲线对比，可以发现，本实用新型构造改进后的疲劳数据从B级以下上升到B级以上，明显提高了抗疲
劳强度。
[0045]本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外，本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。
【权利要求】
1.一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，包括两块翼缘板(2)以及设置在两块翼缘板(2)之间的波形腹板(I )，波形腹板(I)包括纵向平直段和倾斜段，其特征在于:所述至少一块翼缘板(2)的外侧设有加强板(3)，所述加强板(3)在翼缘板(2)上的投影为波形。
2.根据权利要求1所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:所述加强板(3)垂直于翼缘板(2)。
3.根据权利要求1所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:所述加强板(3)在翼缘板(2)上的投影与波形腹板(I)在翼缘板(2)上的投影位于同一坐标轴上，且相差1/2个波长。
4.根据权利要求3所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:还包括若干剪力钉(5)，所述剪力钉(5)横向贯穿加强板(3)。
5.根据权利要求4所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:所述剪力钉(5)贯穿于加强板(3)的平直段，且剪力钉(5)与加强板(3)的平直段垂直。
6.根据权利要求4或5所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:还包括若干贯通钢筋(6)，所述贯通钢筋(6)纵向贯穿于加强板(3)的倾斜段，且贯通钢筋(6)与剪力钉(5)垂直。
7.根据权利要求3所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:所述波形钢腹板(I)及对应的加强板(3)的倾斜段与平直段之间的转角交接部位采用圆弧过渡，该圆弧的曲率半径等于或大于两相邻平直段间平行距离的一半。
8.根据权利要求1所述的一种提高抗疲劳强度的波形钢腹板梁结构，其特征在于:所述加强板(3)上设有缺口，该缺口处连接有过渡弧板(7)，所述渡弧板(7)所在圆的半径等于或大于150mm。
【文档编号】E04C3/07GK203412189SQ201320514621
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】王志宇, 王清远 申请人:四川大学