专利名称：空心翼缘型材的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空心翼缘型材及其制造方法。本发明还涉及一种采用空心翼缘型材的复合结构件。
本发明的技术背景多年以来，建筑业中已经开发出各式各样的结构件。结构件包括梁、檩条、椽子和横梁。这些结构件中的大多数可以由钢材制成，其中包括轧制空心型材(R.S.)、轧制钢梁(RAJ)、工字梁、C—型材等。
现已发现工字梁具有广泛的用途，这是因为它们相对容易制造，并且在承载方面具有较高的结构效率。传统的工字梁(即标准梁)通常包含一对对置的平行翼缘，二者通过一个单一的平中央腹板连接起来。为了提供所需的强度和抗弯能力，各翼缘显著厚于腹板。
尽管实用，但工字梁也有一些缺点，其中包括(1)暴露表面与重量和强度之比高，从而增加了防腐和耐火方面的费用；(2)翼缘宽度与厚度之比通常受到限制，以防止因局部翘曲而导致的界面承载能力降低；(3)腹板宽度与厚度之比通常受到限制，以防止因局部翘曲而导致的界面承载能力降低；(4)制造过程中的热轧法经常导致产生很多轧制氧化皮和铁锈，而且最小厚度受到限制；以及(5)在制造过程中涂底漆不是切实可行的方法。
本发明人研制出一种由一对空心翼缘型材和中间腹板构成的替换性结构件，其特征在于，每个空心翼缘型材均焊接在中间腹板上，从而形成两条沿结构件伸展的焊接线或结合线。该结构件详细描述于国际专利申请PCT/AU89/00313中。该专利申请中还对现有技术中用于替换传统工字梁的多个结构件作了描述。
现有结构件被预成形出来并以预定长度运输到建筑工地。在需要将长梁运输很远的距离时，这会引起问题。因此，提供易于运输并能够在现场组装的模块式梁是很有益的。
一种现有制作复合结构件的方法是，将多个梁焊接在一对对置的倾斜系杆的顶部和底部。为了获得足够的强度，必须在每个结构件中以及各结构件之间装有由支柱与系杆构成的复合腹板。
在Johnson的美国专利No.5644888中公开了一种改进型复合结构件的基本结构。在Johnson的专利的结构中，倾斜系杆被替换成一个具有扇形内表面的空心工字梁。梁(或立柱)带有能够与工字梁互锁的互补表面。相互配合的元件构成一个复合支柱与系杆结构。Johnson的专利的结构的缺点是，元件的复杂性导致制造成本昂贵和难以组装。
解决这种问题的一个途径是澳大利亚专利No.230690和No.250131中描述的Davis桁架。Davis桁架由一个CHS(环形空心型材)腹板构成，该腹板被俘获在一对平行对置的截头套层悬架形翼缘之间。翼缘是折叠钢板，因而需要特别重的结构，以提供所需的强度并抵抗扭曲。为了俘获腹板，CHS腹板的下部被压扁而形成一个颈部，以便装配在翼缘开口侧中。Davis桁架不能获得有效模块式结构件所需的性能。
本发明的目的本发明的一个目的是提供一种空心翼缘型材，其能够用于构成复合结构件。
本发明的另一个目的是提供一种采用了空心翼缘型材的复合结构件。
本发明的另一个目的是提供一种制作空心翼缘型材和复合结构件的方法。
从下面的说明中可以清楚地了解本发明的其它目的。
本发明概述本发明以一种形式提供了一种空心翼缘型材，当然这种形式并不是唯一的或最普通的形式，该空心翼缘型材包含一个基础件，一对对置的空腔壁和一个空腔基座，它们确定出一个空腔；两个对置的横向支撑件，它们从基础件开始伸展到所示空腔壁，从而使得每个横向支撑件分别与所述对置空腔壁中的相邻一个以及基础件的相邻部分构成一个封闭体腔，其中，空腔基座和基础件构成一个整体结构，以抵抗空腔的扭曲变形。
空腔基座可以是基础件的一部分，或者也可以是一个分开的部件并与基础件结合在一起而构成一个整体结构。
封闭体腔适宜是正方形或矩形的。优选的是，横向支撑件是线性的并以一个夹角从基础件上伸出而构成一个具有三角形横截面的封闭体腔。
基础件与相邻横向支撑件之间的夹角适宜在20°至45°的范围内，且最适宜为30°。
空腔适宜具有矩形横截面并包含平行对置的壁和一个背向空腔基座的开口。空腔的尺寸被选择，以适合于构成复合结构件的腹板。
优选的是，空心翼缘型材包含一个一体式结构，其适合于由碳钢制造。
基础件和空腔基座优选被焊接起来而构成一个整体结构。焊接方法选自高频感应焊接；惰性气体保护金属焊接；惰性气体保护钨极焊接；二氧化碳屏蔽弧焊；原子氢焊；点焊；电子束焊；激光焊接以及其它适宜的焊接方法。
在一种形式中，横向支撑件在所述空腔壁的顶部与空腔壁结合在一起。
在另一种形式中，空心翼缘型材还包含凸耳，它们伸展超出横向支撑件与空腔壁的交线。凸耳优选终止于一个卷边中。优选的是，一组孔成形在凸耳中，以便于将一个腹板固定在空心翼缘型材上，从而构成一个复合结构件。
本发明以另一种形式提出了一种成形空心翼缘型材的方法，其包含以下步骤
使一个带材通过一组成形工位，以使带材依次变形而形成一个空腔和一对基本上空心的相邻支撑体腔；使变形带材继续成形，以使一个空腔基座接触到一个连接着所述相邻支撑体腔的基础件；以及将空腔基座焊接在基础件上。
优选的是，各工位是轧制成形工位。
该方法适宜通过两种状态完成。在第一状态，带材被成形为一根管材。在第二状态，管材被成形为空心翼缘型材。
该方法还包含这样一个步骤成形伸展超出所述相邻支撑体腔的凸耳；以及另一个步骤在所述凸耳中成形出孔。
本发明还以另一种形式提出了一种复合结构件，其包含至少两个对置的空心翼缘型材，每个空心翼缘型材分别包含一个基础件；一对对置的空腔壁和一个空腔基座，它们确定出一个空腔；两个对置的横向支撑件，它们从基础件开始伸展到所示空腔壁，从而使得每个横向支撑件分别与所述对置的空腔壁中的相邻一个和基础件的相邻部分构成一个封闭体腔，其中，空腔基座和基础件构成一个整体结构，以抵抗空腔的扭曲变形；以及一个中间腹板；其中，所述空心翼缘型材结合在中间腹板的相反端部上，从而使腹板的远端分别安置在空心翼缘型材的一个相应空腔中。
附图简述为了有助于理解本发明的各优选实施例，下面通过参考附图而对各实施例进行描述，附图包括
图1是空心翼缘型材的第一个实施例的透视图；图2是由一个R.S.腹板和一对图1所示翼缘构成的复合结构件的端视图；图3是图2中所示复合结构件的透视图；图4是空心翼缘型材的第二个实施例的透视图；图5是由一个R.S.腹板和一对图4所示翼缘构成的复合结构件的端视图；图6是图5中所示复合结构件的透视图；图7是用于成形空心翼缘型材的轧制成形流程图；图8是空心翼缘型材的第三个实施例的透视图；图9是空心翼缘型材的第四个实施例的透视图；图10是空心翼缘型材的第五个实施例的透视图；图11是空心翼缘型材的第六个实施例的透视图；图12是空心翼缘型材的第七个实施例的透视图；以及图13是现有技术中的梁与采用根据本发明的空心翼缘型材形成的梁的抗弯能力比较曲线图。
附图详细说明在各附图中，相同的参考代号表示相同的部件。
请参考图1，一个空心翼缘型材1具有一个基础件2和对置的横向支撑件3。横向支撑件3被一个空腔4隔开，空腔4具有对置的空腔壁5和空腔基座6。空腔基座6被焊接在基础件2上。横向支撑件3、空腔壁5和基础件2构成了对置的封闭体腔7。
空腔4的尺寸和形状使之可以接收腹板件，以形成复合结构件，如下面通过参考图2所作的详细解释。
横向支撑件3通过支撑空腔壁5而使翼缘1具有结构强度。本发明人发现，基础件2与横向支撑件3之间的夹角θ的适宜选择范围为20°至45°。在本例中，选择了最适宜角度30°。角度太小则不能获得强度所需的足够封闭体腔。角度太大则需要增加材料，而又不能提高性能。
通过将一个腹板件9焊接在对置的空心凸缘型材1之间，可以获得一个复合梁8，如图2所示。翼缘型材1在10所示位置焊接在腹板9上。获得的复合梁8可以用在以前采用工字梁的场合。本发明人作了传统标准梁与图2所示的复合梁的对比试验。下面的图表显示出，在获得相同强度的前提下可以显著降低质量。
图3中显示了一种采用空心翼缘型材的复合结构。复合结构11中包含竖直梁部件或立柱，例如12，以及倾斜梁部件或系杆，例如13，它们组装在一个顶部翼缘14与一个底部翼缘15之间。梁部件11、12以前面所述的方式焊接在翼缘型材14、15上。
同现有技术的构造方法相比，图3中所示复合结构的一个主要优点是重量降低了。此外，由于该结构可以现场组装而不需要整体运输，因此可以极其容易地将各部件运输到现场。
图4中显示了空心翼缘型材的另一个实施例。空心翼缘型材21具有一个基础件22和对置的横向支撑件23。横向支撑件23被一个空腔24隔开，空腔24具有对置的空腔壁25和空腔基座26。空腔基座26被焊接在基础件22上。
空腔壁25伸展超出横向支撑件23，从而构成终止于卷边28的凸耳27。凸耳27便于将腹板30和翼缘21机械式固定在一起，如图5所示。适宜的机械式固定结构包括TekTM螺钉31和螺栓32。空心翼缘型材21上可以预冲压出孔，以便于现场组装图6所示结构33。
与图1所示实施例相同，横向支撑件23通过支撑空腔壁25而使翼缘21具有结构强度。横向支撑件23的结构以及空腔基座26与基础件22之间的焊接有助于空腔24抵抗扭曲变形。
复合结构33的结构与图3中所示实施例类似，即包含竖直梁部件或立柱，例如34，以及倾斜梁部件或系杆，例如35，它们组装在一个顶部翼缘36与一个底部翼缘37之间。梁部件34、35通过螺栓38结合在翼缘型材36、37上。为了便于组装，可以在翼缘和梁上预冲压出孔。
前面所述的图1和4中的实施例是采用图7所示步骤利用一个材料带普通轧制成形出的，由于空心翼缘型材可以由材料带直接成形出来，因而管材成形步骤是可以选择的。也可以在成形空心翼缘型材之前，在一个单独的轧制成形线上成形出管材。
在成形出轮廓后，基础件和空腔基座将在一个焊接工位上焊接。这样形成的空心翼缘型材将随后经过一个修整工位，在此，其被喷漆并切割成所需长度。
可以理解，图1所示实施例和图4所示实施例需要不同的成形轧辊组。
图8中显示了空心翼缘型材的第三个实施例。该空心翼缘型材40可以通过类似于前面所述的过程简便地成形出来。一个平带材或管材被轧制以形成封闭体腔41。封闭体腔由基础件42、横向支撑件43和空腔壁44构成。空腔45由空腔基座46和空腔壁44构成。空腔基座46与基础件42在47所示位置焊接起来，以形成空心翼缘型材。也可以采用其它形状的封闭体腔。
图9中显示了空心翼缘型材的第四个实施例。该空心翼缘型材50可以利用一个平带材通过前面所述过程简便地成形出来，当然，可选择的管材成形步骤就不需要采用了。平带材在一系列轧制成形工位中弯折，从而最终形成封闭体腔51。封闭体腔由基础件52、横向支撑件53和空腔壁54构成。空腔55由基础件52和空腔壁54构成。在56所示位置焊接后，即制成了空心翼缘型材50。
将一个带材的最终边缘焊接在带材的连续表面上，即图9中所示的在56处焊接，已被证明是有问题的。将带材的两个边缘焊接起来的优选方法是感应焊接。然而，通过感应焊接将一个带材的边缘焊接在带材表面上很难成功，因为电流和热量会在表面上消散。本发明人通过对表面预加热而解决了这个问题。
空心翼缘型材还可以由两个部分构成，如图10所示。一个空心翼缘型材60包含一个基础部分61，其被轧制成形而形成一个基础件62和横向支撑件63。一个隔开的空腔64被成形为一个U形部分，其具有空腔壁65和空腔基座66。之后，基础部分61与空腔64在67所示位置焊接起来，以构成空心翼缘型材60。
图4中所示的空心翼缘型材的实施例也可以由一张平板制成。图11和12中显示了两个例子。在这两个例子中，一张平板在一系列轧制成形工位中成形，之后被焊接起来以制成空心翼缘型材。
同现有结构相比，由两个空心翼缘型材和一个连接腹板制成的复合结构具有更佳的强度重量比特性，从而可以为建筑业带来显著的经济效益。复合结构件的优点见于图13中，图中显示了位于标准梁规格范围中的标准梁与采用本发明的空心翼缘型材的梁的抗弯能力。从图中可以清楚地看出，复合结构件的性能总是优于普通梁。
整个说明书的目的是描述本发明的优选实施例，但本发明并不局限于任何一个实施例或一些特定的特征。
权利要求
1.一种空心翼缘型材，其包含一个基础件，一对对置的空腔壁和一个空腔基座，它们确定出一个空腔；两个对置的横向支撑件，它们从基础件开始伸展到所述空腔壁，从而使得每个横向支撑件分别与所述对置空腔壁中的相邻一个以及基础件的相邻部分构成一个封闭体腔，其中，空腔基座和基础件构成一个整体结构，以抵抗空腔的扭曲变形。
2.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，空腔基座是基础件的一部分。
3.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，空腔基座与基础件是分开的但彼此结合在一起而构成一个整体结构。
4.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，横向支撑件是非线性的并从基础件上伸出而构成一个具有矩形横截面的封闭体腔。
5.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，横向支撑件是线性的并以一个夹角从基础件上伸出而构成一个具有三角形横截面的封闭体腔。
6.根据权利要求5的空心翼缘，其特征在于，基础件与相邻横向支撑件之间的夹角在20°至45°的范围内。
7.根据权利要求5的空心翼缘，其特征在于，基础件与相邻横向支撑件之间的夹角为30°。
8.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，空腔具有矩形横截面并包含平行对置的壁和一个背向空腔基座的开口。
9.根据权利要求1的空心翼缘，具有一个一体式结构。
10.根据权利要求1的空心翼缘，具有一个非一体式结构，其中基础件和空腔基座焊接起来而构成一个整体结构。
11.根据权利要求10的空心翼缘，其特征在于，焊接方法选自高频感应焊接；惰性气体保护金属焊接；惰性气体保护钨极焊接；二氧化碳屏蔽弧焊；原子氢焊；点焊；电子束焊；以及激光焊接。
12.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，横向支撑件在所述空腔壁的顶部与空腔壁结合在一起。
13.根据权利要求1的空心翼缘，其特征在于，空心翼缘型材还包含凸耳，它们伸展超出横向支撑件与空腔壁的交线。
14.根据权利要求13的空心翼缘，其特征在于，所述凸耳终止于一个卷边中。
15.根据权利要求13的空心翼缘，具有一组成形在凸耳中的孔，以便于将一个腹板固定在空心翼缘型材上，从而构成一个复合结构件。
16.一种成形空心翼缘型材的方法，其包含以下步骤使一个带材通过一组成形工位，以使带材依次变形而形成一个空腔和一对基本上空心的相邻支撑体腔；使变形带材继续成形，以使一个空腔基座接触到一个连接着所述相邻支撑体腔的基础件；以及将空腔基座焊接在基础件上。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述工位是轧制成形工位。
18.根据权利要求16的方法，还包含这样一个步骤成形伸展超出所述相邻支撑体腔的凸耳。
19.根据权利要求18的方法，还包含这样一个步骤在所述凸耳中成形出孔。
20.一种成形空心翼缘型材的方法，其包含以下步骤使一个带材通过一个管材成形工位，以成形出一根管材；使管材通过一组成形工位，以使管材依次变形而形成一个空腔和一对基本上空心的相邻支撑体腔；使变形管材继续成形，以使一个空腔基座接触到一个连接着所述相邻支撑体腔的基础件；以及将空腔基座焊接在基础件上。
21.根据权利要求20的方法，还包含这样一个步骤成形伸展超出所述相邻支撑体腔的凸耳。
22.根据权利要求21的方法，还包含这样一个步骤在所述凸耳中成形出孔。
23.一种复合结构件，其包含至少两个对置的空心翼缘型材，每个上述空心翼缘型材分别包含一个基础件；一对对置的空腔壁和一个空腔基座，它们确定出一个空腔；两个对置的横向支撑件，它们从基础件开始伸展到所示空腔壁，从而使得每个横向支撑件分别与所述对置的空腔壁中的相邻一个和基础件的相邻部分构成一个封闭体腔，其中，空腔基座和基础件构成一个整体结构，以抵抗空腔的扭曲变形；以及一个中间腹板；中间腹板，该腹板的远端分别安置在空心翼缘型材的一个相应空腔中。
全文摘要
一种空心翼缘型材(1),包含由一对对置的空腔壁(5)和一个空腔基座(6)确定出的敞开空腔(4)。两个封闭体腔通过横向支撑件(3)邻近于空腔形成,横向支撑件从一个基础件(2)上伸出并分别与每个空腔壁(5)相交。空腔基座(6)和基础件(2)构成一个整体结构以抵抗空腔的扭曲变形。封闭体腔提供了结构支撑,以使空心翼缘型材具有更高的强度。还描述了一种复合梁,其由一对空心翼缘型材和一个中间腹板构成。同现有技术中的可比梁相比,复合梁具有更高的强度和更轻的重量。
文档编号E04C3/09GK1270652SQ98809202
公开日2000年10月18日 申请日期1998年9月16日 优先权日1997年9月16日
发明者莱斯利·戴维·戈莱贝, 鲁塞尔·兰贝特·瓦特金斯 申请人:管道技术有限公司