CN103696534A

CN103696534A - 圆形复孔钢梁及形成方法

Info

Publication number: CN103696534A
Application number: CN201310665788.3A
Authority: CN
Inventors: 范国利; 李庆中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开了圆形复孔钢梁，它包括上T形型钢、下T形型钢，上、下T形型钢的腹板对应的位置设置有若干个大小相同的半圆开孔，半圆开孔沿T形型钢的长度方向布置，上下两T形型钢的腹板通过对接部位C、D与A、B对接并焊接形成整板，整板的腹板上形成若干个完整的圆形孔，相邻圆形孔的大小相同、间距相等。本发明圆形复孔钢梁既克服了热轧实腹钢梁的缺点，其实腹处惯性矩和空腹处惯性矩都有较大幅度提高，又克服了多边形复孔梁的缺点，钢梁整体刚度提高，圆拱结效应明显，可有效避免应力现象集中发生，钢材利用率可进一步提高。

Description

圆形复孔钢梁及形成方法

技术领域

本发明涉及一种新型钢梁，它是由H型钢或工字钢经加工后，形成受力性能优化的钢梁，它作为重要的工程结构件，广泛应用于各种类型的钢结构及组合结构中。

背景技术

随着工程技术的进步和材料新品种的增加，型钢梁的设计使用技术始终处在不断的更新发展过程中。型钢梁依据其不同的成型方法，可分为热轧实腹梁、加工成型腹空梁等等。其中，腹孔有规律重复排列的称为复孔钢梁，如腹孔形状为六边形应称为“六边形复孔钢梁”或简称“蜂窝形复孔梁”，腹孔形状为八边形应称为“八边形复孔钢梁”等等，目前分类命名方面存在认识误区。现将热轧实腹钢梁及蜂窝形复孔梁的缺点总结如下：一、热轧实腹梁（热轧型钢）的缺点：（1）由于生产设备和工艺的原因，梁高受到一定的限制（目前我国标准及实际生产最大h=1000mm），由于梁高及跨度限制，使用范围也受到限制（详见表1）；（2）宽翼、等边型钢无法作为钢梁使用或使用存在不合理性；（3）翼缘钢材料由于梁高的限制难以充分发挥作用；（4）腹板中和轴位置钢材料分布存在一定的赘余性；二、蜂窝形复孔梁的缺点：（1）一定型号及梁高条件下，腹板开孔率受到限制，钢材利用率低（详见附表1）；（2）腹板多边形开孔，转角处存在应力集中缺陷（见附图6中所示3、4、5、6等点）；（3）腹板开孔部位存在梁桥，受压时局部稳定性差（见附图6所示4-5）。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供圆形复孔钢梁及形成方法，通过该形成方法得到的圆形复孔钢梁既克服了热轧实腹钢梁的缺点，其实腹处惯性矩和空腹处惯性矩都有较大幅度提高，又克服了多边形复孔梁的缺点，钢梁整体刚度提高，圆拱结效应明显，可有效避免应力现象集中发生，钢材利用率可进一步提高。

本发明圆形复孔钢梁，它包括上T形型钢、下T形型钢，上、下T形型钢的腹板对应的位置设置有若干个大小相同的半圆开孔，半圆开孔沿T形型钢的长度方向布置，上下两T形型钢的腹板通过对接部位C、D与A、B对接并焊接形成整板，整板的腹板上形成若干个完整的圆形孔，相邻圆形孔的大小相同、间距相等。

其中，圆形复孔钢梁的腹孔高度h_O=2R，梁高H=2R+2ht，桥墩宽度W=0.25h_O或0.5h_O（其中：R为圆孔的半径，ht=｛h- R［2-cos（a/2）］｝/2，h为热轧H型钢梁高）。

本发明圆形复孔钢梁的形成方法，其具体步骤是：1、进行圆形复孔钢梁有关数据的设计，2、确定线切割型钢的参数并按一定的轨迹切割热轧型钢的腹板，3、将切开形成的上下板重新对接，并将两者焊接在一起，便得到本发明的圆形复孔钢梁。

本发明圆形复孔钢梁的优点是：

一、相对于实腹钢梁（型钢）：1、主要技术指标有较大幅度提高，详见表1：其中，圆形复孔钢梁实腹处惯性矩：

Is=1/12*B*H³-1/12*(B-t1)*(H-2t2)³+4*0.215*r²*((H-2t2)/2-0.223*r)²（式中r为热轧H型钢轧制圆角）；

圆形复孔钢梁空腹处惯性矩：I_O=Is-1/12*t1*h_O ³H（表列圆形复孔钢梁W按0.5h_O和0.25h_O两种方案设计）；

2、设计可选用型号规格范围得到极大的拓展，进一步扩大了钢梁的应用范围，按照热轧H型钢现行标准GB/T11263-2010统计，并以此为基准加工衍生复孔钢梁，圆形复孔钢梁梁高可达1500mm，详见表2；

3、突破了宽翼、等边型钢无法作为钢梁使用或使用存在不合理性的限制，同时也突破了热轧型钢翼缘宽度的限制，（目前热轧型钢钢梁翼缘的最大宽度为300mm）使圆形复孔钢梁的翼缘宽度可选范围拓宽至宽翼型钢的宽度（B-400）。

表1：

表2 圆形复孔钢梁产品的目录

二、相对于多边形复孔钢梁，设计原理相似但方法存在较大区别：1、在材料选型和梁高设计基本相同条件下，圆形复孔钢梁腹孔率高，钢梁自重减轻，钢材利用率提高，详见表1；2、圆形复孔钢梁腹孔桥趾与梁桥形成一体，圆拱结构效应明显；3、圆形复孔钢梁腹孔整齐，可有效避免应力集中现象发生；4、在不改变腹孔形状的条件下，圆形复孔钢梁腹孔间距及腹孔率可在一定范围内灵活设计；5、圆形复孔钢梁可方便组合梁；6、圆形复孔钢梁建筑、结构空间艺术性好。

附图说明

图1为本发明圆形复孔钢梁的立面示意图；

图2是本发明圆形复孔钢梁的截面示意图；

图3为利用热轧实腹钢梁线切割加工圆形复孔钢梁的设计原理图；

图4是实腹钢梁线切割后形成上下两部分的立面示意图；

图5是上下两部分焊接成为圆形复孔钢梁的立面示意图；

图6是六边形复孔钢梁（蜂窝梁）设计原理图。

具体实施方式

从图1、图2可知，本发明圆形复孔钢梁，它包括上T形型钢11、下T形型钢22，上、下T形型钢的腹板对应的位置设置有若干个大小相同的半圆开孔，半圆开孔沿T形型钢的长度方向布置，上下两T形型钢的腹板通过对接部位C、D与A、B对接并焊接形成整板，整板的腹板上形成若干个完整的圆形孔，相邻圆形孔的大小相同、间距相等。

其中，步骤1中梁高H的的具体过程是：先按最优扩张比H/h=1.5，初步确定梁高H，然后按腹孔处受压区T型截面腹板自由边满足受压稳定性要求原则进行具体计算和验算，在1.3-1.6的扩张比范围内确定实际采用的梁高H（扩张比=H/h中，H为本发明的梁高、h为原热轧H型钢梁高）。步骤1中圆形复孔钢梁的腹孔高度h_O=1.05h（h为原材料型钢高度）；桥墩宽度W设计值按0.25h_O和0.5h_O两种方案确定；ht=｛h- R［2-cos（a/2）］｝/2，（其中R=0.5h_O ，a为∠CO₂D夹角，依据桥墩宽度设计值W确定），圆形复孔钢梁梁高H=h_O+2ht。具体的参数如图3、图4所示。

其中，步骤2中线切割的轨迹为有规律的弧线，弧线为上下两条，上面一条线为：若干个开口向下的等径半圆，左右两个半圆相邻的端点之间通过—线段连接；下面一条线为：若干个开口向上的等径半圆，左右两个半圆相邻的端点之间通过—线段连接；上下的连接线段正好为开口向上的半圆和开口向下的半圆的弦长；其中，半圆的半径R=h_O/2，上下圆的圆心O₁O₂所在的直线平行并对称于H型钢的中和轴（即H型钢梁高的中心线），平行线间距：L₂=Rcos（a/2）；圆心沿钢梁长度方向间距O₁O₂= R+Rsin（a/2）（式中a为∠CO₂D夹角，依据桥墩宽度设计值W确定，W为线段CD的长度。具体的弧线轨迹如图4所示。

步骤3将切开形成的上下板之间进行焊接，即上板的下部线段CD与下板的上部线段AB之间对接并焊接在一起，便得到本发明的圆形复孔钢梁。如图5所示，其中，33是C、D与A、B焊接时形成的焊缝。

本发明是以热轧H型钢为原料，以有规律弧线切割腹板后再重新对接，形成截面高度扩大的圆形复孔钢梁。本发明圆形复孔钢梁在普通热轧H型钢的断面形状为经济断面型材的基础上，通过扩大普通热轧H型钢腹板高度，进一步优化钢梁断面的力学特征，使H型钢翼缘钢材料的性能得到充分发挥利用。梁高扩大后的腹空梁在相同用钢量条件下，能应用于更大的跨度，或在特定的跨度、用钢量条件下，能承受更大的荷载。因此，本发明圆形复孔钢梁是一种高技术含量使用、高效利用资源的新型节能环保产品。本发明圆形复孔钢梁因更高效利用材料，可在钢结构及组合结构工程中广泛使用。本发明圆形复孔钢梁也可以以工字钢为原料，按照本发明所述的形成方法得到本发明圆形复孔钢梁。

Claims

1. 圆形复孔钢梁，其特征是：它包括上T形型钢（11）、下T形型钢（22），上、下T形型钢的腹板对应的位置设置有若干个大小相同的半圆开孔，半圆开孔沿T形型钢的长度方向布置，上下两T形型钢的腹板通过对接部位C、D与A、B对接并焊接形成整板，整板的腹板上形成若干个完整的圆形孔，相邻圆形孔的大小相同、间距相等。

2. 根据权利要求1所述的圆形复孔钢梁，其特征是：圆形复孔钢梁的腹孔高度h_O=2R，梁高H=2R+2ht，桥墩宽度W=0.25h_O或0.5h_O（其中：R为圆孔的半径，ht=｛h- R［2-cos（a/2）］｝/2，h为热轧H型钢梁高）。

3.权利要求1或2所述的圆形复孔钢梁的形成方法，其具体步骤是：1、进行圆形复孔钢梁有关数据的设计，2、确定线切割型钢的参数并按一定的轨迹切割热轧型钢的腹板，3、将切开形成的上下板重新对接，并将两者焊接在一起，便得到本发明的圆形复孔钢梁。

4.根据权利要求3所述的圆形复孔钢梁的形成方法，其特征是：步骤1中梁高H的的具体过程是：先按最优扩张比H/h=1.5，初步确定梁高H，然后按腹孔处受压区T型截面腹板自由边满足受压稳定性要求原则进行具体计算和验算，在1.3-1.6的扩张比范围内确定实际采用的梁高H（扩张比=H/h中，H为本发明的梁高、h为原热轧H型钢梁高）。

5.根据权利要求3所述的圆形复孔钢梁的形成方法，其特征是：步骤1中圆形复孔钢梁的腹孔高度h_O=1.05h（h为原材料型钢高度）；桥墩宽度W设计值按0.25h_O和0.5h_O两种方案确定；ht=｛h- R［2-cos（a/2）］｝/2，（其中R=0.5h_O ，a为∠CO₂D夹角，依据桥墩宽度设计值W确定），圆形复孔钢梁梁高H=h_O+2ht。

6.根据权利要求3所述的圆形复孔钢梁的形成方法，其特征是：步骤2中线切割的轨迹为有规律的弧线，弧线为上下两条，上面一条线为：若干个开口向下的等径半圆，左右两个半圆相邻的端点之间通过—线段连接；下面一条线为：若干个开口向上的等径半圆，左右两个半圆相邻的端点之间通过—线段连接；上下的连接线段正好为开口向上的半圆和开口向下的半圆的弦长；其中，半圆的半径R=h_O/2，上下圆的圆心O₁O₂所在的直线平行并对称于H型钢的中和轴（即H型钢梁高的中心线），平行线间距：L₂=Rcos（a/2）；圆心沿钢梁长度方向间距O₁O₂= R+Rsin（a/2）（式中a为∠CO₂D夹角，依据桥墩宽度设计值W确定，W为线段CD的长度。