CN107386089A - 一种内‑外加劲的空管翼缘组合梁 - Google Patents

一种内‑外加劲的空管翼缘组合梁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内‑外加劲的空管翼缘组合梁，其是在上翼缘与下翼缘之间设置有腹板，形成工字型梁，在腹板上垂直设置有外加劲肋，在上翼缘的顶部设置有顶板，上翼缘设置为空管或者是上翼缘和下翼缘均设置为空管，在空管内设置有内加劲肋或填充发泡钢材料，内加劲肋与外加劲肋在同一个横截面上，上翼缘与顶板之间通过抗剪连接件连接，通过内‑外加劲肋可有效控制上翼缘的局部屈曲问题，简化了施工工艺，保证了结构施工和使用阶段的安全稳定，而且充分发挥了钢‑混凝土组合结构各自材料的优势，施工工期较短、结构自重轻、建筑高度小，能够充分利用钢材和混凝土的材料性能，相对于传统工字型组合梁具有更好的应用前景。

Description

一种内-外加劲的空管翼缘组合梁
技术领域
本发明属于钢-混凝土组合结构桥梁技术领域，具体涉及一种内-外加劲的空管翼缘组合梁。
背景技术
钢-混凝土组合结构桥梁一般是由上翼缘与下翼缘通过腹板连接成工字型梁结构，为增强结构的强度与稳定性，在腹板上焊接加劲肋并且对上翼缘、下翼缘的结构进行适当的改进，将工字梁上翼缘钢板用内填混凝土管翼缘代替，但是发明人在进一步研发过程中发现内填混凝土管翼缘在施工中存在如下问题：内填混凝土浇注不易密实；内填混凝土管翼缘的连接构造复杂、施工困难；有待提出新构造、新工艺来保证连接位置处的受力性能。
目前国内外文献上对此报道相对较少，尚无有效的改进技术措施。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种建筑高度小、刚度大、承载力高、桥梁自重减轻并且能够有效避免空管翼缘和腹板屈曲的内-外加劲的空管翼缘组合梁。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：在上翼缘与下翼缘之间设置有腹板，形成工字型梁，在腹板上垂直设置有外加劲肋，在上翼缘的顶部设置有顶板，上翼缘为空管结构或者是上翼缘和下翼缘均为空管结构，在其空管内增设内加劲肋或者内填发泡钢材料，内加劲肋与外加劲肋在同一个横截面上，上翼缘与顶板之间通过抗剪连接件连接。
上述外加劲肋的上段与下段通过圆弧段过渡连接，圆弧段的最高点与上翼缘的最低点之间的纵向距离为腹板高度的1/15～1/20，圆弧段的圆弧半径为上翼缘的相邻侧边长度的1/2～2/3，圆心角为60°～90°。
上述上翼缘设置为空管，其横截面可以为圆形或者矩形或者倒置等腰三角形或者倒置等腰梯形，当其横截面是矩形或者倒置等腰三角形或者倒置等腰梯形时，外加劲肋的顶部横向宽度是上翼缘的相邻侧边长度的1/3～1/2，等腰三角形或等腰梯形的底角为30°～60°。
上述下翼缘可以为空管结构，其横截面也可以为矩形或者等腰三角形或者等腰梯形，等腰三角形或等腰梯形的底角为30°～60°。
上述内加劲肋的截面上加工有通孔或角点处加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘或者下翼缘侧边长度的1/5～1/4。
上述填发泡钢填充在上翼缘或者下翼缘的支点处或受力集中处，填充面积为上翼缘或者下翼缘的空管截面的1/8～1。
本发明提供的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其通过在上翼缘或者上翼缘与下翼缘的空腔内增设内加劲肋或者内填发泡钢材料，腹板两侧垂直设置外加劲肋，通过内-外加劲肋可有效控制上翼缘的局部屈曲问题，简化了施工工艺，保证了结构施工和使用阶段的安全稳定，同时在内加劲肋的截面上开孔、边角处呈倒角设计，在保证结构刚度与承载力的同时减轻了梁的自重，提高截面利用率，同时开孔可作为交通管线设施的预留通道，对上、下翼缘的结构进行调整，减小了腹板高度，降低了腹板高厚比，使截面抗扭刚度增大，避免了腹板过早屈曲导致的承载力降低的问题，外加劲肋垂直于腹板，并延至空管上翼缘顶面，在空管上翼缘与腹板交界处外加劲肋以圆弧过渡，节省材料和减小应力集中，同时可以在空管内内填发泡钢材料，填充位置应为为支点处或受力集中处局部填充，可以利用内填发泡钢增强钢管壁的局部稳定性，具有轻量化、高刚性、耐久性、高比表面积与特殊的吸音、吸震、防火性能，而且闭孔型发泡材料，其内部为封闭孔洞，具有如同蜂巢组织般的吸能效果，且具有优越的绝热与防火能力。本发明充分发挥了钢-混凝土组合结构各自材料的优势，施工工期较短、结构自重轻、建筑高度小，能够充分利用钢材、发泡钢和混凝土的材料性能，相对于传统工字型组合梁具有更好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的组合梁结构示意图。
图2为图1的A向视图。
图3为实施例4的组合梁结构示意图。
图4为实施例5的组合梁结构示意图。
图5为实施例8的组合梁结构示意图。
图6为实施例9的组合梁结构示意图。
图7为实施例12的组合梁结构示意图。
图8为实施例13的组合梁结构示意图。
图9为实施例16的组合梁结构示意图。
图10为实施例19的组合梁结构示意图。
图11为实施例20的组合梁结构示意图。
图12为实施例1的荷载—挠度曲线。
图13为实施例1的跨中纵向应变沿梁高的分布曲线。
图14为实施例2的荷载—挠度曲线。
图15为实施例2的剪应变沿梁高的分布曲线。
图16为实施例13的荷载—挠度曲线。
图17为实施例13的跨中纵向应变沿梁高的分布曲线。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
实施例1
参见图1和图2，本实施例的内-外加劲的空管翼缘组合梁是由顶板1、抗剪连接件2、上翼缘3、内加劲肋4、腹板5、外加劲肋6以及下翼缘7构成。
本实施例的下翼缘7是普通钢桥用的翼缘钢板，即是长×宽×高为4300×200×12mm的矩形钢板，在下翼缘7的中部焊接腹板5，腹板5与下翼缘7垂直，腹板5的高度为328mm，厚度为4mm，长度与下翼缘7的长度相等。在腹板5的顶部焊接有上翼缘3，本实施例的上翼缘3为矩形空管状结构，与下翼缘7平行布置，其长×宽×高为4300×160×80mm，壁厚为4mm，在上翼缘3的顶部焊接有两个平行的抗剪连接件2，即螺栓，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，用于加强管状上翼缘3的结构强度和承载力度，为了保证内加劲肋4的结构刚度的同时减小自重，在内加劲肋4的截面中心位置加工有两个并列的通孔，两个通孔是关于上翼缘3截面纵向中心轴对称分布，孔径为20mm，即是上翼缘3侧边的1/4，孔中心间距为80mm，内加劲肋4的四个顶角均加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘3侧边长度的1/4，便于焊接，同时减轻自重。在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，用于限制上翼缘3在承载力的过程中出现的内凹外凸变形。外加劲肋6通过圆弧过渡延至上翼缘3的顶部，即该外加劲肋6的上段与下段之间通过圆弧段连接，并且上段部分的横向宽度小于下段部分的宽度，圆弧段的最高点与上翼缘3的最低点之间的纵向距离h1为18mm，即是腹板5高度的1/18，半径为45mm，即是上翼缘3的相邻侧边长度的7/12，圆心角为90°，该外加劲肋6的顶部横向宽度h2是33mm，即是上翼缘3相邻侧边长度的5/12。在上翼缘3的顶部通过抗剪连接件2连接顶板1，即抗剪连接件2延伸至顶板1内，将顶板1与上翼缘3连接为一体结构，该顶板1水平设置，与下翼缘7平行，顶板1为钢筋混凝土结构，顶板1的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm，采用抗剪连接件2的上端延伸至顶板1内，将顶板1紧固，防止其滑移。
实施例2
本实施例的上翼缘3为矩形空管状结构，与下翼缘7平行布置，其长×宽×高为1800×200×80mm，壁厚为4mm，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4的四个顶角均加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘3侧边长度的1/5，在下翼缘7的中部焊接腹板5，腹板5的高度为328mm，厚度为4mm，长度与下翼缘7的长度相等，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，外加劲肋6的上段与下段之间通过圆弧段连接，并且上段部分的横向宽度小于下段部分的宽度，圆弧段的最高点与上翼缘3的最低点之间的纵向距离h1为18mm，即是腹板5高度的1/18，圆弧半径为45mm，即是上翼缘3的相邻侧边长度的7/12，圆心角为90°，该外加劲肋6的顶部横向宽度h2是33mm，即是上翼缘3相邻侧边长度的5/12。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例的上翼缘3为矩形管状结构，与下翼缘7平行布置，其长×宽×高为60000×700×200mm，壁厚为18mm，在上翼缘3内腔焊接有内加劲肋4，内加劲肋4的四个顶角均加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘3侧边长度的9/40，在下翼缘7的中部焊接腹板5，腹板5的高度为2500mm，厚度为20mm，长度与下翼缘7的长度相等，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，外加劲肋6的上段与下段之间通过圆弧段连接，并且上段部分的横向宽度小于下段部分的宽度，圆弧段的最高点与上翼缘3的最低点之间的纵向距离h1为125mm，即是腹板5高度的1/20，半径为133mm，即是上翼缘3的相邻侧边长度的2/3，圆心角为75°。该外加劲肋6的顶部横向宽度h2是66mm，即是上翼缘3相邻侧边长度的1/3。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1相同。
实施例4
参见图3，本实施例的上翼缘3和下翼缘7均为矩形管状结构，平行布置，下翼缘7的结构与上翼缘3相同，在下翼缘7空管内焊接有内加劲下肋4-2，其与上翼缘3空管的内加劲上肋4-1关于腹板5水平中心线对称，上翼缘3的内加劲上肋4-1与下翼缘7的内加劲下肋4-2组成本实施例的内加劲肋4，内加劲下肋4-2、内加劲上肋4-1与外加劲肋6在同一横截面上。
其他的部件及其连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例5
参见图4，本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰三角形，等腰三角形的顶角为90°，向下设置，底角是45°，其截面腰长(即侧边)为113mm，与顶板1邻接的底边为160mm，壁厚为4mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为56mm，是上翼缘3截面腰长的1/2，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例6
本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰三角形，等腰三角形的底角是30°，其截面腰长(即侧边)为120mm，与顶板1邻接的底边为200mm，壁厚为3mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为40mm，是上翼缘3截面腰长的1/3，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例7
本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰三角形，等腰三角形的底角是60°，其截面腰长(即侧边)为230mm，与顶板1邻接的底边为465mm，壁厚为18mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为134mm，是上翼缘3截面腰长的7/12，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例8
参见图5，本实施例的下翼缘7内设空管，其横截面为等腰三角形，与上翼缘3关于腹板5水平中心线对称并规格相同，在下翼缘7的空管设置有内加劲下肋4-2，下翼缘7的内加劲下肋4-2与上翼缘3的内加劲上肋4-1结构相同，并关于腹板5水平中心线对称，本实施例的内加劲下肋4-2与内加劲上肋4-1组合成内加劲肋4，且内加劲肋4与外加劲肋6在同一横截面上，外加劲肋6的下端与下翼缘7的横向截面宽度相等。
其他的部件及规格、连接关系与实施例5～7中任意一个相同。
实施例9
本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰梯形，参见图6，两底角是45°，其腰长(即侧边)为100mm，与顶板1邻接的较长底边为220mm，较短的底边为80mm，壁厚为4mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为58mm，是上翼缘3腰长的7/12，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例10
本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰梯形，两底角是30°，其腰长(即侧边)为120mm，与顶板1邻接的较长底边为267mm，较短的底边为60mm，壁厚为3mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为40mm，是上翼缘3腰长的1/3，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例11
本实施例中上翼缘3的横截面是倒置等腰梯形，两底角是60°，其腰长(即侧边)为230mm，与顶板1邻接的较长底边为700mm，较短的底边为470mm，壁厚为18mm，在上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2将上翼缘3与顶板1紧固连接，在上翼缘3内腔焊接有内加劲肋4，内加劲肋4采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为115mm，是上翼缘3腰长的1/2，该内加劲肋4的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例12
本实施例的下翼缘7内设空管，其横截面为等腰梯形，如图7所示，其与上翼缘3关于腹板5水平中心线对称并规格相同，在下翼缘7的空管设置有内加劲下肋4-2，下翼缘7的内加劲下肋4-2与上翼缘3的内加劲上肋4-1结构相同，并关于腹板5水平中心线对称，下翼缘7的内加劲下肋4-2与上翼缘3的内加劲上肋4-1组成本实施例的内加劲肋4，其与外加劲肋6在同一横截面上，外加劲肋6的下端与下翼缘7的横向宽度相等。
其他的部件及规格、连接关系与实施例9～11中任意一个相同。
实施例13
如图8所示，本实施例中上翼缘3的横截面是圆形，其长度、外径、管壁厚分别为4300mm、133mm、4mm，上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2其延伸至顶板1内，将上翼缘3与顶板1连接为一体结构，在上翼缘3空管焊接有内加劲肋4，内加劲肋4厚度为10mm，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，其与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6延至空管上翼缘，外加劲肋6的宽度为63.5mm、厚度为12mm。
其他的部件及规格、连接关系与实施例1～3中任意一个相同。
实施例14
本实施例中上翼缘3的横截面是圆形，其长度、外径、管壁厚分别为1800mm、133mm、4mm，上翼缘3的顶部焊接有螺栓作为抗剪连接件2其延伸至顶板1内，将上翼缘3与顶板1连接为一体结构，在上翼缘3空管内焊接有内加劲肋4，在内加劲肋4的横截面几何中心位置加工有一个通孔，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，其与内加劲肋4在同一横截面上，外加劲肋6延至空管上翼缘。
其他的部件及规格、连接关系与实施例13相同。
实施例15
本实施例的上翼缘3与实施例13相同。
本实施例的下翼缘7内设空管，其横截面是等腰三角形或者矩形或者等腰梯形，在空管中均焊接有内加劲肋4，其具体的规格、连接关系分别与实施例4、8、12中的任意一个相同。
其他的部件及其连接关系与实施例13相同。
实施例16
如图9所示，本实施例的下翼缘7内设空管，其横截面为等腰梯形，两底角是45°，其腰长(即侧边)为113mm，下底边长为240mm，上底边长为80mm，壁厚为6mm，整体长度与上翼缘3的长度相等。在该下翼缘7空管焊接有内加劲下肋4-2，该内加劲下肋4-2采用单面角焊缝沿着下翼缘7的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲下肋4-2的横截面几何中心位置加工有一个通孔，孔径为66mm，是下翼缘7截面腰长的7/12，该内加劲下肋4-2的顶角处加工为等腰三角形的倒角，在腹板5的左右两侧焊接有竖向的外加劲肋6，即外加劲肋6同时与腹板5、下翼缘7垂直，与内加劲下肋4-2在同一横截面上，外加劲肋6通过圆弧过渡延伸至上翼缘3的顶部。上翼缘3是焊接在腹板5的顶部，与下翼缘7平行设置，本实施例的上翼缘3为矩形管状结构，其长×宽×高为4300×160×80mm，壁厚为4mm，在上翼缘3的顶部焊接有两个平行的抗剪连接件2，即螺栓，在上翼缘3空管焊接有内加劲上肋4-1，内加劲上肋4-1与内加劲下肋4-2组合成本实施例的内加劲肋4，内加劲上肋4-1采用单面角焊缝沿着上翼缘3的纵向截面布置，与腹板5垂直，在内加劲上肋4-1的截面中心位置加工有两个并列的通孔，两个通孔是关于上翼缘3截面横向中心轴对称分布，孔径为20mm，即是上翼缘3侧边的1/4，孔中心间距为80mm，内加劲上肋4-1的四个顶角均加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘3侧边长度的1/4，便于焊接，同时减轻自重。本实施例的外加劲肋6的上段与下段之间通过圆弧段连接，并且上段部分的横向宽度小于下段部分的宽度，圆弧段的最高点与上翼缘3的最低点之间的纵向距离h1为15mm，即是腹板5高度的1/18，半径为46mm，即是上翼缘3的相邻侧边长度的7/12，圆心角为90°。该外加劲肋6的顶部横向宽度h2是33mm，即是上翼缘3相邻侧边长度的5/12。在上翼缘3的顶部通过抗剪连接件2连接顶板1，即抗剪连接件2延伸至顶板1内，将顶板1与上翼缘3连接为一体结构，该顶板1水平设置，与下翼缘7平行，顶板1采用现浇的钢筋混凝土结构，顶板1的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm，抗剪连接件2的上端延伸至顶板1内，将顶板1紧固，防止其滑移。
实施例17
上述实施例16中的下翼缘7还可以用实施例8中的等腰三角形结构的下翼缘7来替换，其他的部件及连接关系均与实施例16相同。
实施例18
上述实施例9～12中，下翼缘7为空管结构，其横截面为矩形或者等腰三角形，其具体的规格及连接方式与实施例4或8相同。
其他的部件及其连接关系与实施例9～12中对应相同。
实施例19
在上述实施例1～3中，上翼缘3为矩形管状结构，与下翼缘7平行布置，其长×宽×高为4300×160×80mm，壁厚为4mm，在上翼缘3空管内填发泡钢8，如图10所示，填充位置位于支点和加载点处，发泡钢填充面积与空管面积之比为1:1，每节段填充长度为400mm，外加劲肋6延至矩形管上翼缘3底部，其他的部件及规格、连接关系与相应实施例相同。
实施例20
在上述实施例4中，上翼缘3和下翼缘7均为矩形管状结构，平行布置，下翼缘7的结构与上翼缘3相同，在上翼缘3和下翼缘7的空管内填发泡钢8，如图11所示，填充位置位于支点和加载点处，上翼缘3中发泡钢8填充面积与上翼缘3空管面积之比为1:8，下翼缘7中发泡钢8填充面积与下翼缘7空管截面积之比为1:8，每节段填充长度为400mm，外加劲肋6延至矩形管上翼缘3底部，其他的部件及规格、连接关系与实施例4相同。
实施例21
上述实施例5～18中，在空管状的上翼缘3或空管状的下翼缘7的空管内均可填充发泡钢8，填充位置位于支点处，发泡钢填充面积与空管面积之比为2:3，每节段填充长度为400mm，外加劲肋6延至矩形管上翼缘3底部，还可以根据设计需要进行调整，其他的部件及规格、连接关系与对应的实施例相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人按照本发明实施例1、实施例2和实施例13的内-外加劲的空管翼缘组合梁(试验时简称试验梁)的结构进行实验，具体实验情况与结果如下：
测试仪器：1000kN油压千斤顶，型号为ZJ100型加载千斤顶，由上海遵义液压机械厂生产；静态电阻应变仪，型号为TDS－602，由日本生产；1000kN压力传感器，型号为9801-L1-100T，由日本生产；位移计，型号为YHD—100型,由江苏溧阳市仪表厂生产；机电百分表，型号为WBD型,由浙江省温岭市科特电子仪器厂生产；导杆式引伸仪，型号为YHD-10导型，由江苏溧阳市仪表厂生产；电阻应变计，型号为BE120-5AA、BQ120-80AA、BE-120-3CA由陕西汉中市中航工业电测仪器股份有限公司生产。
一、实施例1 试验梁的抗弯性能试验
1、试验梁设计参数
抗弯试验梁钢材采用Q235钢，结构与实施例1的相同，其混凝土顶板1的普通钢筋均为Ⅰ级钢筋，公称直径6mm，纵向配筋率0.94％，横向配筋率0.94％，混凝土顶板1的混凝土轴心抗压强度为31.1MPa、弹性模量为3.05×104MPa。试验梁的高度为500mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。
2、试验装置及加载步骤
试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用1000kN油压千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS－602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验梁采用简支边界，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试验梁采用四点加载方法，在试验梁混凝土顶板1顶面放置两个加载支座，这两个支座在混凝土顶板1上的位置与试验梁两道中间竖向加劲肋对应。支座上放置加载分配横梁，千斤顶加载点位于分配梁的正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为100kN，然后从0kN开始连续加载直到试验梁破坏。
3、试验结果及分析
(1)破坏过程及破坏形态
试验梁的在弹性阶段，整体工作性能较好，未出现声响，表明混凝土顶板1与矩形空管翼缘钢主梁间的自然粘结性能良好。当荷载达到429.3kN时，试验梁下翼缘钢材开始屈服，试验梁进入弹塑性阶段，混凝土顶板和矩形空管翼缘钢主梁的整体工作性能良好。当荷载达到502.4kN时，试验梁出现声响，西侧加载点下砂浆层压碎，西侧加载点横截面的南侧出现混凝土横向裂缝。当荷载达到573.4kN时，试验梁西侧加载点横截面的混凝土顶板横向裂缝贯通，两侧厚度方向也出现多条竖向和斜向裂缝，此时试验梁达到极限抗弯承载力，混凝土顶板和矩形空管翼缘钢主梁未出现明显滑移现象。
(2)荷载与挠度关系
试验时在抗弯试验梁跨中下翼缘7底面布置位移计测试荷载作用下的试验梁竖向挠度，位移计编号为DF1。荷载与竖向挠度关系见表1和图12，表1中荷载由力传感器测试得到，竖向挠度由位移计DF1测试得到。图12绘制了位移计DF1测试结果随荷载的变化规律。
表1 荷载与挠度关系
荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm)
0 0 219.4 4.08 399.7 8.84 510.8 14.29
19.2 0.05 239.9 4.54 409.5 9.21 519.6 15.37
40.7 0.14 259.8 5.04 419.9 9.5 529.7 16.89
60.6 0.54 279.7 5.55 429.3 9.88 540.8 18.93
79.2 0.91 299.3 6.06 440.1 10.23 549.6 22
99.4 1.28 320.1 6.54 449.6 10.6 559.4 25.61
119.6 1.74 342 7.06 459.3 11.02 569.2 29.08
139.2 2.21 360.6 7.56 469.4 11.52 564 35.01
159.1 2.68 369.4 7.92 479.5 12.07 569.5 39.37
179.6 3.14 379.5 8.23 490 12.46 572.5 42.43
199.5 3.62 389.9 8.58 499.1 13.3 573.4 44.32
由表1和图12可见，试验梁的受力过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。当荷载在0kN～409.5kN时，试验梁的受力过程处于弹性阶段，试验梁的各截面均处于弹性阶段，表现出整体工作性能，荷载与跨中挠度基本呈直线关系。荷载在409.5kN～550kN时，试验梁的受力过程处于弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，挠度发展明显加快，试验梁跨中挠度随荷载增加呈非线性变化。荷载在550kN～573.4kN时，试验梁的受力过程处于塑性阶段，试验梁刚度明显下降，跨中挠度发展较快。当外荷载达到573.4kN时，试验梁承受的外荷载达到最大。从加载开始到试验梁下翼缘7开始屈服前，试验梁呈现出良好的整体工作性能，变形较小，仅为9.2mm，说明试验梁在弹性范围具有很大的刚度。试验梁破坏时的跨中最大挠度为44.32mm，说明试验梁的延性较好。
(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律
试验时在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的变化规律。以下翼缘7底面为零点，在试验梁跨中断面高度为0mm、12mm、32mm、176mm、320mm、340mm、380mm、410mm、420mm、460mm、500mm位置布置应变测点测试各级荷载作用下纵向应变沿梁高的变化规律。不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律见表2和图13，表2中荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到(其中正值为拉应变，负值为压应变)。图13绘制了各级荷载作用下应变片测试结果沿梁高的变化规律。
表2 不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布
由表2和图13可见，在加载初期，试验梁的钢梁部分和混凝土上翼板各测点测试值保持在同一条直线上，说明在跨中截面混凝土顶板1和钢梁的弯曲曲率基本一致，截面应变符合平截面假定。在弹性阶段，混凝土顶板和空管翼缘钢主梁的整体工作性能良好，各级荷载作用下曲线基本呈线性分布，且均交于一点，试验梁中性轴高度为332mm，即试验梁的弹性中性轴未发生变化，很好地验证了试验梁的平截面假定，表明具有较好的弹性工作性能。
(4)相对滑移测试
试验过程中，在试验梁上翼缘3与混凝土顶板1之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘3的矩形钢管与混凝土翼板之间是否发生相对滑移，测试结果表明在靠近活动铰支座端产生相对滑移，最大值为0.07mm；固定铰支座端相对滑移，最大值为0.03mm。
4、试验结论
抗弯试验梁达到极限承载力573.4kN时，发生塑性弯曲破坏，试验梁矩形空管上翼缘3和混凝土顶板1之间连接可靠，能够整体工作。
二、实施例2 试验梁的抗剪性能试验
1、试验梁设计参数
抗剪试验梁钢材采用Q235钢，结构与实施例2相同，其混凝土顶板1的普通钢筋均为Ⅰ级钢筋，公称直径6mm，纵向配筋率0.94％，横向配筋率0.94％，混凝土顶板1的混凝土轴心抗压强度为31.1MPa、弹性模量为3.05×104MPa。试验梁的高度为500mm、长度为1800mm、两支点间距为1500mm。
2、试验装置及加载步骤
试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用1000kN油压千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量，过程同试验一。
3、试验结果及分析
(1)破坏过程及破坏形态
从加载开始到试验梁的腹板5及下翼缘7开始屈服阶段，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小。腹板5发生剪切屈曲时，上翼缘矩形空管3未达到屈服应力，下翼缘7已经达到屈服应力，试验过程中没有发现试验梁剪压区的上翼缘矩形空管发生局部屈曲。试验梁的最终破坏荷载为685.3kN。
(2)试验梁荷载与竖向挠度关系
试验时在抗剪试验梁跨中下翼缘7底面布置位移计测试荷载与试验梁竖向挠度的关系，位移计编号为DF1。不同荷载对应的抗剪试验梁的竖向挠度见表3和图14，表3中荷载由力传感器测试得到，竖向挠度由位移计DF1测试得到。图14绘制了位移计DF1测试结果随荷载的变化规律。
表3 荷载与挠度关系
荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm)
0 0 249.7 1.575 435.9 2.5 621 7.535
17.6 0.195 259.2 1.615 450.9 2.575 629.8 8.215
40.6 0.345 270.6 1.67 461.9 2.635 640.3 9.29
61.9 0.5 282 1.715 489.3 2.76 660.5 10.895
79.5 0.645 290.5 1.755 501.7 2.83 671.6 12.65
100.4 0.75 300.2 1.795 523.9 2.995 677.1 13.75
118.7 0.805 313.6 1.875 535 3.06 682 17.34
138.5 0.945 320.5 1.925 550 3.12 683 18.6
161.7 1.05 329.6 1.965 560.7 3.18 685.3 19.555
179.6 1.19 341.6 2.025 570.5 3.25 676.1 20.67
200.2 1.295 352.1 2.08 589.7 3.405 660.8 23.8
220.4 1.395 376.2 2.195 596.3 4.88 630.2 26.71
229.2 1.44 400.7 2.32 600.5 5.635 500.1 27.445
240.6 1.495 414.3 2.41 610.3 6.545 297 25.98
由表3和图14可见，矩形空管抗剪试验梁的在弹性阶段，试验梁各截面均处于弹性阶段，表现出整体工作性能，剪力和跨中挠度呈直线线性关系。在弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，试验梁的刚度显著下降，挠度发展明显加快，试验梁的荷载-跨中挠度曲线呈现非线性特征。下降段，试验梁的承载力达到最大值后，腹板发生了整体剪切屈曲破坏，试验梁的承载力缓慢下降。
(3)剪力作用下试验梁剪应变沿梁高方向的分布
试验时在试验梁距离支点1/2梁高处断面沿梁高方向布置应变花，测试各级剪力作用下剪切应变沿梁高方向的分布规律，试验过程同试验一，剪力与剪应变沿梁高方向的变化规律的关系见表4和图15，表4中剪力值为力传感器测试值的1/2，计算方法见式(1)。
Q＝F/2 (1)
式中，Q剪力值，F为传感器的测试值。
剪应变由应变花测试得到的结果按照式(2)计算得到。
γ＝2ε45°-(ε0°+ε90°) (2)
式中：γ为剪应变，ε0°、ε45°、ε90°分别为应变花纵向、与纵向成45°方向的实测应变值。图15绘制了各级剪力作用下应变花测试的剪应变结果沿梁高的变化规律。
表4 剪力作用下试验梁剪应变沿梁高方向的分布
由表4和图15可见，在各个荷载阶段，试验梁腹板5的剪切应变在靠近下翼缘7处剪应变较小，腹板5其他部分剪应变较大，各个测点剪应变在弹性范围内随外荷载的增加而线性增加。矩形空管上翼缘3的剪切应变比腹板5上所有测点的剪切应变都小，矩形空管上翼缘3的剪切应变也随着荷载的增加而增加。腹板5没有屈服时，矩形空管上翼缘3的剪切应变与腹板5平均剪切应变的比值一般在0.5左右，说明矩形空管上翼缘3可承担部分剪力。
(4)相对滑移测试
相对滑移测试方法与测试位置同实施例1试验梁的抗弯性能试验，测试结果表明：矩形形空管上翼缘3的矩形空管与混凝土顶板1之间在固定铰支座端的相对滑移最大值为1mm，活动铰支座端相对滑移最大值为1.8mm。
4.试验结论
试验梁的抗剪承载力有腹板5的剪切屈曲控制，内加劲肋4提高了矩形空管上翼缘3的局部稳定性。试验梁在腹板5剪切屈曲破坏后，承载力不是突然急剧下降，而是缓慢下降，证明腹板5具有一定的剪切后强度，由于矩形形空管上翼缘3的存在使得腹板5的剪切后强度得到较为充分的发挥，且矩形空管上翼缘3承担了截面的部分剪力。
三、实施例13 试验梁的抗弯性能试验
1、试验梁设计参数
抗弯试验梁钢材采用Q235钢，结构与实施例13相同，试验梁的高度为500mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。
2、试验装置及加载步骤
试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用1000kN油压千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS－602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验过程与上述试验一的过程相同。
3、试验结果及分析
(1)破坏过程及破坏形态
从加载开始到试验梁的下翼缘7屈服前，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小。当荷载达到424.8kN时，试验梁下翼缘7开始屈服，跨中挠度值为9.38mm；整个试验过程中试验梁没有发生明显的侧向变形，圆形空管上翼缘和腹板均未出现屈曲现象。抗弯试验梁破坏时，跨中截面混凝土压碎，裂缝贯穿整个混凝土顶板1，混凝土顶板1底面的裂缝清晰可见，加载至260kN时，听见上翼缘3部位有声响，表明试验梁的混凝土顶板和圆形空管翼缘钢主梁交界面的自然粘结出现破坏，但交界面未见明显滑移开裂现象。加载至480kN时，混凝土顶板的承托处出现竖向和斜向裂缝，试验梁出现较大声响，裂缝随荷载的进一步增加开始不断扩展。外荷载增加到625.3kN时，试验梁达到最大承载能力试验停止。
(2)试验梁荷载与竖向挠度关系
试验时在抗弯试验梁跨中下翼缘7底面布置位移计测试荷载作用下的试验梁竖向挠度，位移计编号为DF1。荷载与竖向挠度关系见表5和图16，表5中荷载由力传感器测试得到，竖向挠度由位移计DF1测试得到。图16绘制了位移计DF1测试结果随荷载的变化规律。
由表5和图16可见，试验梁的受力过程可分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。试验梁在加载初期，下翼缘底面的竖向位移随荷载呈线性变化，混凝土顶板与空管翼缘钢主梁表现出良好的整体工作性能，试验梁处于弹性工作阶段。当荷载达到424.8kN时，试验梁跨中截面下翼缘底面钢材开始屈服，试验梁进入弹塑性工作阶段，截面应力出现重分布，塑性区域逐渐从下翼缘沿横截面梁高方向扩展，纵向由跨中沿梁长方向向两边扩展，试验梁刚度有所下降，竖向位移的增长随荷载的增加逐渐加快，呈现出明显的非线性变化，试验梁处于弹塑性工作阶段。随着荷载增至539.9kN时，试验梁跨中截面的塑性区域进一步扩展，跨中截面荷载-挠度曲线呈上升趋势，竖向挠度的增长速度进一步加快，试验梁进入塑性阶段，当荷载达到625.3kN时，混凝土顶板压溃，试验停止。
表5 荷载与挠度关系
荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm) 荷载(kN) 挠度(mm)
0 0 302.2 6.16 505.3 12.47 569.5 20.87
19.9 0.41 319.5 6.62 510.2 12.85 570.2 21.1
38.8 0.8 340.7 7.1 515.4 13.14 575.1 21.67
58.7 1.16 360.2 7.56 520.3 13.28 579.6 22.98
79.5 1.58 379.1 8.08 525.5 13.55 584.5 24.43
100.1 1.93 399.7 8.67 531.1 13.94 590.1 26.52
120.6 2.32 410.1 8.94 534.6 14.36 594.6 27.71
140.2 2.7 424.8 9.38 538.9 15.11 599.8 29.7
159.4 3.09 429.7 9.64 539.5 15.21 601.1 30.28
169.5 3.33 440.1 9.97 539.9 15.28 604.7 31.88
181.9 3.59 450.2 10.29 544.1 15.89 609.6 34.43
200.8 3.96 460 10.57 549.6 16.29 614.8 36.65
219.7 4.36 469.8 10.98 550.6 16.49 619.4 40
240.3 4.79 479.9 11.29 554.2 17.29 620.4 40.61
261.8 5.31 489.7 11.83 559.7 18.33 624 44.26
278.4 5.67 500.1 12.2 565 19.29 625.3 45.28
(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律
试验时在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的变化规律。试验过程与上述相同，不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律见表6和图17，表6中荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到(其中正值为拉应变，负值为压应变)。图17绘制了各级荷载作用下应变片测试结果沿梁高的变化规律。
由表6和图17可见，在加载初期，试验梁的钢梁部分和混凝土上翼板各测点测试值保持在同一条直线上，说明在跨中截面混凝土顶板1和钢梁的弯曲曲率基本一致，截面应变符合平截面假定。在弹性阶段，混凝土顶板和空管翼缘钢主梁的整体工作性能良好，各级荷载作用下曲线基本呈线性分布，且均交于一点，试验梁中性轴高度为335mm，即试验梁的弹性中性轴未发生变化，很好地验证了试验梁的平截面假定，表明具有较好的弹性工作性能。
表6 不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布
(4)相对滑移测试
试验过程中，在试验梁上翼缘3与混凝土顶板1之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘3的圆形空管与混凝土顶板1之间是否发生相对滑移，测试结果表明在靠近固定铰支座端产生相对滑移，最大值为0.012mm，活动铰支座端无相对滑移。
4、试验结论
抗弯试验梁达到极限承载力625.3kN时，发生塑性弯曲破坏。试验梁圆形空管上翼缘3和混凝土顶板1之间连接可靠，能够整体工作。

Claims (7)

1.一种内-外加劲的空管翼缘组合梁，在上翼缘(3)与下翼缘(7)之间设置有腹板(5)，形成工字型梁，在腹板(5)上垂直设置有外加劲肋(6)，在上翼缘(3)的顶部设置有顶板(1)，其特征在于：所述上翼缘(3)为空管结构或者是上翼缘(3)和下翼缘(7)均为空管结构，在其空管内设置有内加劲肋(4)或填充发泡钢(8)，内加劲肋(4)与外加劲肋(6)在同一个横截面上，上翼缘(3)与顶板(1)之间通过抗剪连接件(2)连接。
2.根据权利要求1所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述外加劲肋(6)的上段与下段通过圆弧段过渡连接，圆弧段的最高点与上翼缘(3)的最低点之间的纵向距离为腹板(5)高度的1/15～1/20，圆弧段的圆弧半径为上翼缘(3)的相邻侧边长度的1/2～2/3，圆心角为60°～90°。
3.根据权利要求1所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述上翼缘(3)为空管结构，其横截面为圆形。
4.根据权利要求1所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述上翼缘(3)设为空管结构，其横截面为矩形或者倒置等腰三角形或者倒置等腰梯形，外加劲肋(6)的顶部横向宽度是上翼缘(3)的相邻侧边长度的1/3～1/2，等腰三角形或等腰梯形的底角为30°～60°。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述下翼缘(7)为空管结构，其横截面为矩形或者等腰三角形或者等腰梯形，等腰三角形或等腰梯形的底角为30°～60°。
6.根据权利要求5所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述内加劲肋(4)的截面上加工有通孔或角点处加工为倒角结构，倒角为等腰三角形，腰长为上翼缘(3)或者下翼缘(7)侧边长度的1/5～1/4。
7.根据权利要求5所述的内-外加劲的空管翼缘组合梁，其特征在于：所述填发泡钢(8)填充在上翼缘(3)或者下翼缘(7)的支点处或受力集中处，填充面积为上翼缘(3)或者下翼缘(7)的空管截面的1/8～1。
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