CN105073287A - 制造梁的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造梁的方法，所述方法包括：在纵向压型轧制过程中轧制两个法兰件（6、7），使得每个轧制法兰件的一个表面（8）根据预定厚度分布被压型；以及通过压型表面将所述轧制法兰件（12、13）连接在一起。

Description

制造梁的方法

技术领域

本发明涉及一种制造梁的方法，特别是制造结构金属梁的方法。

背景技术

也称为工字梁或者H型梁的通用梁经常用于建筑物结构中。然而，通常使用的这类型梁并未如本来应该的那么有效或者最佳。通常，梁沿其长度具有等截面。从目录尺寸的列表中选择并且基于使用时期望的最大弯矩和剪力来选择截面的尺寸。可以存在额外的标准，例如，屈曲限制和孔留量。因此，截面尺寸基于沿梁长度的最坏情况下的条件。然而，实际上，这些尺寸标准不适用于沿梁长度的所有点，因此，在沿梁的多点处，梁是超过指定要求的；其具有不需要的多余材料和多余重量。

大多数通用梁沿其长度具有等截面的一个原因在于，大多数这些梁是在通用梁轧机中进行轧制的并且该类轧机的标准技术不允许梁截面沿着梁长度变化。

最近，已经有各种克服该限制的尝试。WO2012032301描述了用于压制深度可变、法兰厚度可变、法兰宽度可变等的梁的设备和方法。EP0756905描述了主要目的在于实现不同法兰厚度的一致的整体梁深度的相关技术。JP2000343102描述了制造具有可变腹板深度和法兰厚度的梁的另一种方法。这些方法具有若干显著缺点。主要问题在于：在轧制沿其长度具有可变截面的单体梁中涉及的材料流型非常复杂，并且难以实现正确的材料性质，也难以避免梁的非期望的曲率。另一问题在于需要新的设备。

为了避免在轧制沿其长度具有变化截面的梁中涉及的问题，一种替代制造方法是装配梁；即，通过将板材或者剖面焊接或者连接在一起来构造梁。装配式梁的构造是众所周知的，例如，如在提供了拱形梁的US 1843318中所描述的；或者如在US 620,561中所图示的桁架梁，其中，通过从腹板切割材料然后将切边连接在一起来修改深度。这些梁的特征在于，在腹板和法兰中的材料的厚度沿梁长度是恒定的。沿着梁长度唯一变化的是其深度。另一类众所周知的装配式梁是雉堞状梁或者蜂窝梁，虽然此构造一般用于相对于其母剖面来增加沿梁全长的梁深度并且不用专门改变沿梁长度的剖面。这些现有技术的装配式梁设计的显著缺点在于，因为腹板厚度和法兰厚度沿梁长度是恒定的，因此，能够仅通过修改腹板深度或者法兰宽度来实现剖面的变化。虽然对于一些应用可接受改变腹板深度或者法兰宽度，但是在建筑物应用中，优选地用具有恒定深度和恒定法兰宽度的梁来使地板、天花板件和墙壁的适配更简单。

在JP2000343102的图5中，图示了沿其部分长度改变剖面的梁。该梁具有法兰厚度不同但腹板深度相同的两个分开的工字梁焊接在一起。显然，通过将若干不同的工字梁剖面焊接在一起，可以产生截面沿长度变化的梁，但这具有若干缺点。首先，为了合理准确地接近沿梁长度变化的负载要求，将需要大量不同的剖面，并且在保持梁的平直度的同时将所有这些剖面焊接在一起是困难的。其次，在梁的法兰中的焊缝将潜在地弱化梁。

另一种制造沿其长度具有理想截面变化的梁的方法是通过实心棒或者通过始于沿其长度等于或者大于所需最大截面的等截面的梁来机械制造梁。相关的方法是从已经机械制造来给出沿其长度的厚度变化的板材或者剖面来装配梁。然而，这些制造方法十分浪费材料并且是昂贵的，而且通常仅用于在类似飞机等中的梁。对于在建筑物构造中的梁，它们并不是实用的或者成本有效的解决方案。

另一种制造沿其长度具有截面变化的梁的方法是通过使用纵向压型（longitudinally profiled，LP）板材来装配梁。其中板材厚度沿板材长度改变的LP板材的轧制是众所周知的，并且这类板材常常用于造船和桥梁建设中。如Schröter在“Heavy steel plates for efficient constructional steelwork”以及Richter和Schmackpfeffer在“Longitudinally profiled plates cut costs”中所描述的那样，已经通过使用纵向压型板材装配出了大的工字梁。然而，到目前为止，LP板材在工字梁装配中的应用限于非常大的结构，例如桥梁、发电站和非常高的建筑物。在建筑物中，通常用于构造的工字梁仍大多数使用等截面。对此的一个原因在于：在其中厚度沿着标准建筑物工字梁的相对短的长度平稳变化的LP板材的生产并不实际。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种制造梁的方法，所述方法包括：在纵向压型轧制过程中轧制两个法兰件，使得每个轧制法兰件的一个表面根据预定厚度分布被压型；以及经由压型表面使所述轧制法兰件连接在一起。

优选地，所述方法进一步包括轧制所述法兰件，使得每个轧制法兰件的另一表面大致是扁平的。

所述轧制过程将使法兰件的一面具有轮廓，同时保持相对表面扁平，使得在未多余地使用额外的材料和重量的情况下，使梁在沿其长度的各个点处具有所需的强度，以及使最终用户具有扁平的表面的便利。

优选地，所述方法进一步包括将所述两个法兰件背靠背地轧制在一起。

优选地，所述轧制法兰件包括T形法兰件。

优选地，所制造的梁的远离腹板的法兰表面大致是扁平且平行的。

根据本发明的第二方面，一种用于制造梁的方法，所述方法包括：在纵向压型轧制过程中轧制法兰件，使得轧制法兰件的多个表面根据预定厚度分布被压型；其中，所述纵向压型轧制过程包括轧制Y形剖面；以及抛光所述Y形剖面以形成T形剖面；以及其中，所述方法进一步包括：经由每个法兰件的压型表面使所述轧制法兰件中的两个连接在一起。

优选地，所述方法进一步包括：提供相对应的轧制腹板件并且通过所述轧制腹板件连接所述轧制法兰件。

将每个法兰件的压型表面连接至腹板件的相对应的压型表面以将两个法兰件连接在一起。

优选地，所述方法进一步包括：在轧制操作期间操纵一个或更多个轧辊，以便沿着梁长改变单独的梁的尺寸。

优选地，所述方法进一步包括：铸造原材料，其中，在铸造材料中已经存在至少部分所需的厚度变化；以及轧制所述铸造材料。

本发明提供装配式梁，该装配式梁从具有一个扁平侧面和一个压型侧面的一个或更多个LP板材或者从其中法兰部分的厚度沿梁长度改变的一个或更多个T形剖面构造而成，使得施加更大力的这些部分具有用于强度的额外材料并且使负载相对低的区域具有减小的截面面积。还提供了一种生产沿其长度具有变化厚度的T形剖面的设备。本发明能够生产具有恒定或者几乎恒定的深度和法兰宽度但沿其长度具有变化的法兰和腹板厚度的梁，以满足建筑业对具有恒定深度和恒定法兰宽度的梁的需要，从而使地板、天花板件和墙壁的适配变得简单。

附图说明

现将参照附图描述梁的示例和根据本发明的用于制造梁的方法，在图中：

图1a和图1b图示典型的轧制通用梁的侧视图和截面；

图2图示常规的通用梁轧机的辊缝视图；

图3a到图3c图示针对法兰使用LP压型板材的装配式梁的第一示例的侧视图和截面；

图4a到图4c图示针对腹板使用LP压型板材的装配式梁的第二示例的侧视图和截面；

图5a到图5d图示根据本发明的装配式梁的侧视图和截面以及用于通过使用具有一个扁平侧的LP压型板材来轧制所述梁的法兰的方法；

图6a到图6d图示根据本发明的具有变化的法兰厚度的T形剖面部分的轧制和装配式梁的构造；

图7图示根据本发明的用于轧制T形剖面部分的可替代方法；

图8a到图8c图示根据本发明的用于轧制T形剖面部分的可替代轧机构型的辊缝图。

具体实施方式

在如图1a和图1b所图示的常规通用梁中，梁1具有腹板2并且在腹板的每个端部处具有法兰3。如能够从图1b中所见的，法兰厚度4、腹板深度5b和梁深度5沿梁长度是恒定的。由于截面是恒定的并且必须满足沿梁长度的最大负载要求，所以在沿长度的不经历最大负载的那些点处存在比实际需要更多的材料。

图2图示在常规通用梁轧机中的最终轧制步骤，其中，轧辊101、103对施加轧制力105、106的法兰进行轧制，而轧辊102、104对施加轧制力107、108的腹板进行轧制。实际上，通用梁轧机通常在其侧面将工字梁轧制为H型梁，但原理与图2所图示的相同。

本发明提供了一种梁和制造梁的方法，该方法使能在沿梁的每个点处将型材裁制成符合负载要求，而不是通过全部使用最大负载要求。通过不断地使剖面性质与梁的沿其长度的应力匹配，可以减小梁的质量。这可以通过在满足在整个梁长度上的所有标准、法规&规则的同时，不断地确定可能的最有效的截面来实现。

例如在GB1213011.8中所描述的最新进展使能生产在标准建筑物工字梁的短长度中具有多个厚度变化的板材，并且可以有效地通过将轧态长度剪切为若干更短的长度（每个都具有纵剖面）来制造这些LP板材。这可以构造用于一般建筑用途的装配式梁，其中，法兰厚度或者腹板厚度或者这两者沿梁长度变化。然而，在由LP板材制造的建筑物中，用于一般建造使用的梁仍面临一些问题。一个问题在于，难以实现如常规LP板材的扁平顶面和底面以及恒定梁深度。从LP板材构造的装配式梁的另一问题在于，焊缝位于在高应力区域中的法兰与腹板之间的界面或者拐角处，并且由此潜在地弱化梁。

图3图示对于法兰由LP板材构造的装配式梁。沿长度的厚度变化包括如在GB1213011.8中所描述的多个拐点。在典型应用中，梁的最大负载不是在梁的端部而是在中心，并且最小负载不是在端部而是在沿梁的一部分。轮廓（例如在图3a到图3c中所图示的）针对沿长度的负载的此变化优化梁截面。图3a显示用于法兰31、32的两个LP板材和用于腹板33的板材。在该示例中，腹板是恒定厚度，但它也能够由LP板材制造。在该示例中，已经将梁的腹板切割成形状36以匹配法兰的轮廓，虽然，如果法兰厚度的变化不是非常大，则这或许不是必须的，并且可以将具有笔直边缘的腹板件直接焊接至LP压型法兰31、32。将法兰和腹板连接在一起的焊缝34、35直接位于界面或者拐角处，在腹板33与法兰31、32之间，以及由此处于梁的高应力区域中。梁37、38的顶面和底面不完全是扁平的，这是因为LP轧制板材厚度相对于其中心线变化。在将LP板材轧制为如Schröter以及Richter和Schmackpfeffer所图示的简单锥体的情况下，可以实现扁平的顶面和底面，但在更复杂的弯曲轮廓的情况下，不可能获得扁平的顶面和底面，除非在特别轧制以实现一个扁平的侧面之后特别地将LP板材拉直。实际上，在建筑物建造中，能够容许梁的整体深度中发生一些变化，所以，并不总是需要拉直LP板材。然而，需要将法兰厚度沿其长度具有大变化的梁拉直，以便保持对于整体梁深度所需的公差。

图4a到图4c图示根据已知现有技术的可替代的装配式梁构造。从焊接成可变厚度的LP轧制腹板23的两个恒定厚度法兰18、19来构造梁。腹板23在其最薄部分22和最厚部分21之间改变。焊缝12、13将腹板连接至法兰。此构造具有的优于图3中的构造的优点在于：在未对LP轧制板材进行任何拉直的情况下，梁具有恒定的整体深度。然而，在其中仅仅腹板厚度沿梁长度变化的此类构造在使梁重量最小化方面不如具有可变法兰厚度的此类构造有效。同时，此梁构造还遭受焊缝处于在高应力区域中的腹板与法兰之间的拐角处的事实。

结合在图3中图示的LP法兰和在图4中图示的LP腹板仍将遭受与在图3中图示的梁相同的问题：整体深度将沿长度改变并且焊缝处于高应力区域中。

图5a到图5d图示根据本发明的一个方面的梁和轧制梁的法兰的方法。为了制造沿其长度具有恒定整体深度的梁，使用一个扁平表面10和一个压型表面8、11来制造法兰6、7。纵向压型轧制过程的使用引起被轧制的板材厚度沿板材长度改变，在这种情况下，被轧制的板材形成梁的法兰，并且法兰的压型表面具有厚度沿其长度改变的轮廓。根据本发明的一个方面，这通过用轧辊201、201将两个法兰6、7背靠背地轧制成包来实现，如图5d所图示的，在它们之间有分隔层或者化合物51。例如，在复合板材轧制中，分隔化合物的使用是众所周知的。在轧制之后，使两个法兰6、7彼此隔开。对于梁所需的法兰通常比板材轧机能够轧制的宽度要窄，以及因此，为了进行最有效的生产，轧制包具有的宽度是所需法兰宽度的倍数。在轧制之后，如虚线52所示，将板材切割成所需的法兰宽度。通过这种方式生产的法兰具有一个压型侧面8和一个大致扁平的侧面10。当如图5c所图示的将这些法兰装配为梁时，通过沿焊接线12、13焊接至长度16的具有法兰最薄的最深点14的相对应压型腹板9，沿梁长度的整体梁深度大致是恒定的，而法兰厚度15沿通过图3的示例改进的长度改变，虽然其仍遭受焊缝处于高应力位置的问题。

图6a到图6d图示根据本发明的第二实施例轧制T形（T形剖面）部分的最后阶段。上轧辊60具有容纳T的杆的凹槽54。下轧辊52不具有凹槽。通过移动轧辊60、52使其彼此更靠近或者更加远离彼此，T形剖面的法兰部分的厚度可以沿如图6b所图示的T形剖面的长度变化。由于杆的约束作用，在轧制期间需要小心引导T形剖面以便保持其笔直。当法兰部分的厚度变化时，这也自然地倾向于修改T的杆的高度。对于梁的制造的一个选项是切割腹板部分以适应T的杆的高度变化，而更简单的选项是如在图6b中的虚线53所图示的，在恒定的高度处切割T的杆。这意味着，腹板部分能够具有恒定的深度并且使梁的构造更简单。从具有变化的法兰厚度的两个T形剖面件55、56和腹板部分57构造的梁具有两个焊缝58、59。这些焊缝位于远离在法兰与腹板之间的拐角，并且由此不如在图3和图4的示例中的梁中的焊缝的应力高。

如果T形剖面以足够长的杆轧制，则可以实现更简单的构造，仅通过将如图6d所图示的两个杆55、56与单个焊缝501焊接在一起来实现所需梁深度。这具有额外优势：焊缝现在处于理想位置，在梁的中性轴上。然而，由于杆的约束作用，因此用长杆轧制具有不同法兰厚度的T形剖面比用短杆轧制更难。

图7图示轧制T形剖面部分的可替代方法，其中，上轧辊61和下轧辊62两者均具有凹槽，并且将两个T形剖面67、68背靠背轧制，在它们之间具有分隔化合物或者层66。例如，在复合板材轧制中，分隔化合物的使用是众所周知的。该方法具有以下优势：因为在轧制期间，顶部弯曲力和底部弯曲力彼此抵消，因此，更容易实现笔直的T形剖面。

图8a到图8c图示根据本发明的一种用于轧制T形剖面部分的可替代方法。轧机具有3个轧辊71、72、73，这些轧辊71、72、73能够移动更靠近彼此或者进一步远离彼此，以便改变法兰和T形剖面的杆部分的厚度。通过与常规梁轧制过程类比，在图8a中图示的步骤是在其中轧制Y形79的中间轧制阶段。在最后的轧制阶段，与图6a相似，将Y形穿过精轧机座，以便将Y形转换为T形（T形剖面）。按照Y形实施中间轧制的优点在于：在保持材料笔直的同时更容易实现法兰中更大的厚度变化。一般而言，如果将相同比值的厚度变化应用于杆部分，则在保持材料笔直的同时，更容易实现法兰中更大的厚度变化。这通过一起调节三个轧辊易于实现。因此，在图8a中所图示的轧机能够产生Y剖面，该Y剖面能够转换为具有长杆部分和大厚度变化两者的T形剖面。然后，能够通过将两个T形剖面75、76焊接（77）在一起而制成例如在图8b中所图示的装配式梁。如果将在腹板部分中的厚度变化比值与在法兰部分中的厚度变化比值进行比较，则梁的腹板还具有在图8c中所图示的沿其长度的厚度变化。如果为了实现如图6c所图示的所需整体梁深度需要独立的腹板部件，则能够用匹配的厚度变化来轧制腹板部分，或者，腹板部分能够具有恒定的厚度。图8c显示从上方看到的图8b，并且图示腹板厚度78和法兰厚度两者如何改变的。

可以通过改变许多几何参数来影响梁的剖面性质。根据本发明提出的参数是法兰厚度和腹板厚度。这通过保持梁的外包络尺寸而避免了设计和构造过程的复杂性，使得它能够适配到之前已经使用通用梁的任何构造中。具有变化的法兰厚度的T形剖面还可以用于制造梁深度沿其长度变化的梁。

能够通过使用标准原材料几何体，即，作为进料的坯料和板材，来制造本发明的所有上述实施例。如果在过程开始时使用可变铸造材料，则能够减少本发明所需的阶段和所需的力。例如，能够从沿其长度已经具有一定的厚度变化的铸造产品来轧制沿其长度具有大厚度变化的T形剖面。

上面所描述的本发明的示例允许实施裁剪至特定应用的一组梁剖面，例如能够根据标准建筑法规和负载情况而设计的特别的办公室网格结构。这意味着，最终的产品能够如设计者所指定的那样制造，而不是必须使用标准产品。例如，能够将梁裁剪至特定的结构或者在该结构内的特定位置，并且梁的产品规格能够规定为设计者提供更大灵活性的轧机或者车间的工作限制。

本发明具有维持平行或者基本平行的法兰外表面的益处，这便于构造用途，并且减少了在构造中所使用的金属总量。在从T形剖面构件的梁的情况下，本发明具有使部件之间的焊缝移动远离梁的高应力区域的额外的益处。在每个示例中，纵向压型轧制过程的使用使得腹板或者法兰具有厚度沿其长度改变的轮廓。

Claims (9)

1.一种制造梁的方法，所述方法包括：在纵向压型轧制过程中轧制两个法兰件，使得每个轧制法兰件的一个表面根据预定厚度分布被压型；以及通过所述压型表面将所述轧制法兰件连接在一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括轧制所述法兰件，使得每个轧制法兰件的另一表面大体上是扁平的。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其进一步包括将所述两个法兰件背靠背地轧制在一起。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述轧制法兰件包括T形法兰件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所制造的梁的远离所述腹板的法兰表面大致是扁平且平行的。

6.一种制造梁的方法，所述方法包括：在纵向压型轧制过程中轧制法兰件，使得所述轧制法兰件的多个表面根据预定厚度分布被压型；其中，所述纵向压型轧制过程包括轧制Y形剖面；以及抛光所述Y形剖面以形成T形剖面；以及其中，所述方法进一步包括通过每个法兰件的压型表面使所述轧制法兰件中的两个连接在一起。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：提供相对应的轧制腹板件并且通过所述轧制腹板件连接所述轧制法兰件。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：在轧制操作期间操纵一个或更多个轧辊，以便于沿着梁长度改变单独的梁的尺寸。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：铸造原材料，其中，在铸造材料中已经存在至少部分所需的厚度变化；以及轧制所述铸造材料。