专利名称：加强钢梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于建筑和桥梁结构中的加强钢梁。
建筑物和桥梁通常都是采用钢梁和桁架来建造的，在钢梁上架设楼板或路面。这种钢制的梁和桁梁是在标准型钢中选用的。或者，它们被设计成在压缩和拉伸突缘上具有足够的材料来承受载荷(弯曲)力矩的应力，使得钢梁在最大力矩处的挠曲在允许范围之内。当一个载荷施加到楼板或路面上时，载荷给钢梁造成了一个向下或弯曲力矩，该力矩使钢梁向下弯曲。这个向下的力矩使得梁的顶部受压缩，而底部受拉伸。这个载荷最终可能会使得梁在某一点上断裂。因此，设计者通过采用压缩梁的底部来造成一个反向作用并降低了载荷力矩的弯曲作用，同时这也减少了承载的梁或桁梁的水平剪切力。对载荷(弯曲)力矩施加反向作用还能起到增强梁的抵抗例如地震等的能力。通过加强梁来在梁上造成一个向上的，或反向的力矩以抵抗梁上的载荷造成的向下的力矩可以增加梁的寿命和承载能力。
加强钢梁的方法有许多种。其中之一就是在梁上固设钢板，例如工字梁或T型梁。这增加了梁的强度，然而它也增加了梁的重量。一个建筑物的钢铁用量是其花费最大的部分之一。所以，在建筑结构中多使用钢铁的这种方法会大大增加房屋的造价。
美国专利第4，006，523号中描述了一种给钢梁加预应力的方法，它避免了在梁上附设钢板。该专利采用了在梁的底部固设多个可变长度的传递元件，然后将导杆和钢丝固定在传递元件上。钢丝围绕导杆延伸设置，并将钢丝拉紧以给钢梁提供一个向上的抵抗负载的力矩。但是，在钢丝拉紧之前，先要在钢梁上下都设置支承以压缩钢梁使钢梁上产生一个向上的弯矩。然后将钢丝拉紧并将钢丝、传递元件和导杆都包在混凝土之中以保持钢丝上的拉力。该方法需要专用设备来给钢梁提供向上的弯矩。所以，这种梁不能够在建筑工地得以加强。而且，混凝土大大增加了梁的重量。同样，它也明显增加了建筑物的总重量，并明显地增加了建筑费用。
美国专利第3，427，773号公开了一种不使用混凝土的给钢梁加预应力的方法。根据这种方法，在梁的垂直腹板上固设加强板，再沿着其垂直腹板固定一钢缆或钢筋束。钢缆固定在梁上若干处，因此钢缆沿一折线排列。这种结构需要用额外的钢材来作为加强板。并且，由于加强板是沿梁的垂直腹板延伸，就必须在其上钻孔以使得钢缆能从梁的一端穿到另一端。这种加强系统在将别的梁组装到该被加强的梁上时还会造成干挠。另外，这种方法也大大地增加了梁的重量，且增加了使用的复杂性和费用。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于房屋和桥梁建筑中的加强钢梁。
本发明的另一个目的是提供一种不会大幅度增加建筑物重量的加强钢梁。
本发明的另一个目的是提供一种造价较低的加强钢梁。
本发明的又一个目的是提供一种能在建筑工地容易地制造的加强钢梁。
本发明的再一个目的是提供一种在钢梁用到建筑项目之前将其加强的方法。
本发明的还一个目的是提供一种加强现有结构中的钢梁的方法。
总的来说，根据本发明的用于建筑结构中的钢梁包括一钢结构梁，一个固定在梁上并把一个向上的力矩传递给梁的传递构件，一个设置在传递构件上的拉伸件。拉伸件基本上与梁的纵向轴线平行并造成一个向上的力矩。拉伸件由至少一个拉伸杆或钢缆构成，并延伸通过传递构件。加压板设置在传递构件的两端。拉伸件的两端由加压板所固定。拉伸构件最好延伸穿过加压板上的孔，并由拉伸锁紧块固定在板的外表面。
在一个实施方式中，传递构件是一整根中空的管件，它基本沿梁的全长延伸。拉伸件延伸穿过管件内。
在第二个实施方式中，传递构件包括第一和第二传递元件，每个传递元件都有至少一个纵向的孔，拉伸件穿过该孔延伸。每个传递元件都大大地短于梁的长度并互相隔开地固定在靠近梁的端头处。传递构件也可以是T形件，或大致为U形件，或箱子形件。
拉紧的钢缆将加压板互相拉近以使传递构件受压缩。由于传递构件是沿梁的长度上固定，传递构件受到的压缩被传到梁上。这使得梁的底部受压缩并产生了一个向上的力矩，它反向抵抗载荷引起的弯曲力矩。本申请还公开了一种加强一钢梁的方法。由于这种方法没有给梁增加额外的钢材或水泥，它就没有给梁增添所不想有的重量。所以，采用本发明的方法，建筑物的重量可以减轻，梁的承载能力可以提高，或者在不超过允许的挠曲或弯曲限度内其跨度可以加大。
下面将结合附图对本发明作进一步的描述，图中
图1是本发明的一种加强梁的透视图;
图2是这种加强梁的部分剖开的正视图;
图3是沿图2中3-3线所取的剖视图;
图4是这种梁的正视图，它示意地示出了拉伸的钢缆;
图5是本发明加强梁的另一个实施例的正视图;
图6是沿图5中6-6线所取的剖视图;
图7是一个建筑物的屋顶的平面图，它被部分剖开了以暴露出加强梁被装到现有建筑物上的情况;
图8是本发明的加强梁的第三个实施例的正视图;
图9是沿图8中9-9线所取的剖视图;
图10是本发明的加强梁的第四个实施例的正视图;
图11是沿图10中11-11线所取的剖视图。
图1～3中示出了一种加强的钢梁1。梁1由一T形钢梁3构成，采用T形梁的意义在于可以避免在工字梁的下翼缘上积聚尘土和污物。虽然这里采用的是T形梁，但是应该明白工字梁也一样可以用。梁3具有一主体5和一上翼缘7。当一由箭头L所示的载荷施加到梁3上时，它造成了一个向下或弯曲力矩M。力矩M使得梁3弯曲并使得上翼缘7受压缩而主体5的自由端11受拉伸。为了克服力矩M，将一个附件A固设在主体5上以在梁3上造成一个向上的，或称反向的力矩CM。
附件A包括一个焊接在主体5的自由端11上的钢管9。虽然图中所示的钢管9具有圆形截面，但是它也可以是任何其它形式的截面。管9基本上与翼缘7以及梁3的纵向轴线平行。管9沿其整个长度都焊接在梁3上，这样，在受载时梁3和管9将作为一个整体起作用。管9比梁3稍微短一些，这样可以给一个建筑物的框架结构留出一间隙，或者给钢铁工业中标准的框架连接留出一空间，或者为拉伸钢梁留出一间隙，这将在下面描述。
管9装有一个或多个高强度的拉伸的杆或钢缆13，它位于管子的质心上。钢缆13平行于梁3的纵向轴线设置。在管9的两端各设有一支承板15，它们盖住了管9的整个端部。钢缆13比管9要长，并从支承板15上的孔17中穿出。钢缆的端头由位于支承板15外表面的锁紧装置19a和19b定位。锁紧装置19a和19b可以是螺母或楔形块，它们将拉伸状态下的钢缆锁紧定位。
参见图4，反向力矩CM是这样产生的，即将钢缆13的一端用锁紧装置19a固定在一块板15上，钢缆13的另一端在穿过板15上的孔17和锁紧装置19b后接到一液压缸J上。利用液压缸J，将钢缆13拉紧直到其达到一个预定的拉伸力，该拉伸力等于力矩M在自由端11上形成的全部或部分拉伸力。拉伸杆或钢缆13上的应力大小由处于负载状态下的梁上的载荷力矩来计算决定的。然后，用锁紧装置19b将液压缸拉住的钢缆13的端头锁紧定位。钢缆13的拉伸可以在梁1装到结构件上之前或之后进行。显然，也可以采用一个铰盘代替液压缸来拉伸钢缆13。
锁紧装置19a和19b将钢缆13锁紧在其拉伸状态。由于锁紧装置19a和19b位于板15之外，两块板15被拉互相靠近。这样，管9被压缩了，支承板15将拉伸杆或钢缆13上的压缩力均匀地传递到管9上，在管9上产生了一个向上的力矩CM。由于管9和梁3共同起作用，力矩CM会被传递到梁3上以抵抗要加到梁上的载荷。这就使得建成的结构可以承受更大的负载，减少建造楼板所需的梁的数量，或者增大梁的跨度。
图5-6示出了本发明的另一个实施例的加强梁100。如下面所要描述的，本实施例对于提高现有结构中所用的钢梁的结构整体性和承载能力有着重要的意义。这种对反向力矩附件A的改变可以用来增加钢梁的承载能力，它还可以用来改善建筑物的抗地震能力。
这种加强梁100由一工字梁103构成，工字梁有一腹板105，一上翼缘107和一下翼缘108。当载荷L加到梁103上时，上翼缘107受压缩，而下翼缘108受拉伸。附件A′固设于下翼缘108上以造成一个反向力矩CM。
附件A′包括支承块109，它焊接在下翼缘108的靠近端部的地方。支承块109为钢块或组装的钢焊件，它们被焊接在下翼缘108上。支承块109具有一纵向通孔117。支承块109用来装设一根或多根拉伸杆或钢缆113，拉伸杆或钢缆与梁103的纵向轴线平行。拉伸杆或钢缆113要长到能使其两端头114穿过并从孔117中伸出。钢缆113通过螺母或楔形块119a和119b固紧定位，其方法与钢缆13固紧的方法一样。
与拉伸钢缆13一样，也采用一个液压缸将拉伸杆或钢缆拉伸到预定的张力，然后将拉伸杆或钢缆用支承在支承块109外表面的锁紧装置119a和119b锁紧在拉伸状态以在梁103上产生一个反向力矩CM。
由于本实施例中没有像管9那样的几乎沿梁103的整个长度延伸的管子，所以本实施例可用来给已经安装在现有建筑物上的钢梁造成一个反向力矩。所需要的只是在天花板(平顶)C上开两个口O以使得梁的端部暴露出来(见图7)。这样，可以将支承块109焊接到梁上，再将要锁定到支承块109上的钢缆沿梁的底部拉过来。将钢缆的一端用一螺母或楔块119a锁定在一个支承块的外端，钢缆的另一端连接到用来拉伸钢缆113的一个液压缸上。在钢缆适度地被拉伸后，就将钢缆113的该另一端固定到一螺母或楔块119b上。
图8～9示出了本发明的第三个实施例。在该实施例中，采用一个反向力矩附件A″来加强梁200。采用加强梁200可以增大标准的精轧钢型材(例如工字形梁103)的承载能力和跨度。
反向力矩附件A″包括一朝上翻转的T形型材209，它具有一主体210和一翼缘211。T形型材209焊接在钢梁103的翼缘108上并使得其主体210与梁的腹板105处于一条线上，或者说使其成为腹板105的延伸。最好在T形型材的整个长度上都焊接以使得在载荷下T形型材209与梁103共同起作用。T形型材209的翼缘211平行于翼缘108。T形型材209差不多沿梁的翼缘108的整个长度延伸。T形型材209的端头与梁103的端头有一段足够的距离，以给梁与其它框架构件联接留下空间。
带有孔217的压缩支承板215设置在T形型材209的端部并把T形型材的整个端部盖住。支承板215最好焊接在梁的拉伸翼缘108上。在位于梁的翼缘108与T形型材的翼缘211之间的主体210两侧装有一个或多个高度拉伸的杆或钢缆213。拉伸杆或钢缆213穿过支承板上的孔217，并且在它们被拉紧后用锁紧楔块或螺母219相对于支承板锁定。这样，钢缆213就造成了一个压力使得两支承板215相对互相拉紧。支承板将由拉紧的钢缆213造成的压力传递到T形型材209上并由此传到梁103上，且产生了一个与加在梁103上的载荷造成的向下(或称弯曲)力矩M反向的向上力矩CM。
图10～11示出了本发明的第四个实施例。图中示出了附件A′′′被设置在重型组装板式桁梁303上以减轻材料重量并增加板式桁梁303的跨度。板式桁梁303具有一腹板305，一上翼缘307，一下翼缘308以及多个垂直固定在腹板305上的构件306。构件306差不多沿腹板305的全长延伸，但与翼缘307和308留有一间隙。
反向力矩附件A′′′包括一开口的箱子309，其侧板310从底板311向上延伸。侧板310可以与底板311为一整体，也可以是分离件再焊接成一整体。侧板310焊接到梁的翼缘308上并与其侧边齐平。支承板315位于箱子309的两端并将其端部完全盖住。板315上具有通孔317。一个或多个高度拉伸的杆或钢缆313(图11中所示为三束钢缆)沿箱子309内部的整个长度延伸，并穿出支承板上的孔317。用液压缸将拉伸杆或钢缆313拉伸到一预定的拉力，再用锁紧楔块或螺母319将其锁定在支承板上，其方法与前面所描述的为钢缆13所用的方法相同。这种方法会给拉伸翼缘308带来一个预加的压缩力以抵抗载荷力矩M。
通过设计和制造带有反向力矩附件的标准的T形钢梁，管件，或其它梁的型材，一个现有的梁可以承重更大的载荷，或者在允许的挠曲限度内具有更长的跨度。使用本发明，设计者能够减少通常建造一座建筑物或桥梁所需的重量和材料用量，并由此提高了结构钢件的效率以及降低了项目的费用。
在不脱离本发明的精神和保护范围内，可以对本发明的最佳实施例作出许许多多种改变。而本发明的范围则由权利要求所决定。
权利要求
1.一种用于建筑结构中的加强钢梁，包括一钢结构梁；固定在所述的梁上的用于将一个向上的力矩传递到该梁上的传递装置，它包括一设置在所述的传递装置上的拉伸件，该拉伸件基本上与所述的梁的纵向轴线平行，由此所述的拉伸件产生一个向上的力矩。
2.根据权利要求1所述的加强钢梁，其中所述的拉伸件包括至少一个拉伸的钢缆或杆。
3.根据权利要求1所述的加强钢梁，其中所述的传递装置包括第一和第二传递构件，每个传递构件都具有至少一个纵向通孔，所述的拉伸件穿过该孔延伸;各个传递构件都大大短于所述的梁的长度;所述的传递构件互相隔开并固定在梁上的靠近其端头处。
4.根据权利要求1所述的加强钢梁，其中所述的拉伸件延伸穿过所述的传递装置，所述的加强梁还包括一个相对于所述传递装置的第一端设置的第一加压板和一个相对于所述传递装置的第二端设置的第二加压板，所述的拉伸件由所述的两加压板固定。
5.根据权利要求4所述的加强钢梁，其中所述的拉伸件的端头延伸穿过所述的第一和第二加压板并由拉伸锁定件固定在该处。
6.根据权利要求4所述的加强钢梁，其中所述的传递装置包括一个中空管件，它基本上沿所述的梁的整个长度延伸，所述的拉伸件延伸穿过所述的管件内。
7.根据权利要求4所述的加强钢梁，其中所述的传递装置为一T形件。
8.根据权利要求4所述的加强钢梁，其中所述的传递装置为一基本上呈U形的构件。
9.一种用于钢结构梁并在梁上造成一个反向力矩以抵抗加在梁上的载荷的附件，所述的附件包括一个将一向上力矩传递到所述的梁上的传递构件;一个设置在所述传递构件上的拉伸件，当该附件固定到所述的梁上时所附的拉伸件基本上与所述的梁的纵向轴线平行，这样所述的拉伸件造成了一个所述的向上力矩。
10.根据权利要求9所述的附件，其中所述的传递构件包括一个第一传递元件和一个第二传递元件，每个元件都有至少一个纵向的通孔，所述的拉伸件穿过该通孔;每个所述的传递元件都大大短于梁的长度;所述的传递元件互相隔开并固定在梁上靠近其端部处。
11.根据权利要求9所述的附件，其中所述拉伸件延伸穿过所述的传递构件，所述的附件还包括一个相对于所述传递构件的第一端设置的第一加压板和一个相对于所述传递构件的第二端设置的第二加压板，所述的拉伸件由所述的加压板固定。
12.根据权利要求11所述的附件，其中所述的拉伸件的端头延伸穿过所述的第一和第二加压板并且由拉伸锁定件固定在该处。
13.根据权利要求11所述的附件，其中所述的传递构件包括一中空管件，它基本上沿所述的梁的整个长度延伸，所述的拉伸件延伸穿过该管件内。
14.根据权利要11所述的附件，其中所述的传递构件是T形的。
15.根据权利要11所述的附件，其中所述的传递构件基本上是U形。
16.一种加强用于建筑物的结构钢梁的方法，包括以下步骤将一反向力矩传递构件固定到所述的梁上，所述的传递构件具有至少一个通孔;将一钢缆穿过所述的传递构件;将所述的钢缆的一端固定在所述传递构件的一个第一端;拉伸所述的钢缆;将所述的钢缆的另一端固定到所述的传递构件的另一端并使钢缆保持在拉伸状态。
17.根据权利要求16所述的方法，其中固定所述的钢缆的步骤包括将加压板设置在所述传递构件的端头，使所述钢缆穿过加压板。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括一将所述的钢缆锁定在加压板的外表面的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述的梁是现有结构中的一部分，所述的方法还包括一个至少使所述的梁的端部暴露出来以将所述的传递构件固定所述梁上的第一步骤，所述的传递构件包括一第一部分和一第二部分，该第一和第二部分都大大短于所述的梁。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括一引导所述的钢缆通过所述未暴露出来的部分的步骤。
全文摘要
一个由一附件加强的钢梁，当它安装到结构上时它能产生一个与梁上承受的载荷反向的力矩。附件包括一个固定在梁的下部的传递构件和一设置在其上的拉伸钢缆。拉伸钢缆压缩传递构件并产生一个向上的力矩，该力矩被传递到梁上。
文档编号E04C3/10GK1078283SQ93105158
公开日1993年11月10日 申请日期1993年4月28日 优先权日1992年4月28日
发明者米切尔·A·康纳 申请人:米切尔·A·康纳