CN110644346A - 钢管-钢板组合式钢腹板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管‑钢板组合式钢腹板，包括至少两个钢板和至少一个钢管，每个钢板相对的两侧中至少一侧连接一个钢管，每个钢管相对的两侧分别连接至少一个钢板，所有钢板相互平行设置，所有钢管的轴线相互平行设置、且位于同一平面内，钢板连接于钢管的侧壁。不同类型的薄壁钢管在垂直于管壁的外力作用下，会产生不同类型的屈曲变形，薄壁钢管‑钢板组合式钢腹板正是利用了薄壁钢管在纵向力作用下的屈曲变形来减小了整个腹板对组合箱梁桥顶底板的约束作用，降低顶底板混凝土部分的收缩和徐变的影响，提高纵向预应力的效率，同时在该类组合式腹板中的薄壁钢管还对平钢板起着加劲的作用，改善钢板的剪切屈曲性能。

Description

钢管-钢板组合式钢腹板

技术领域

本发明涉及一种钢腹板，特别涉及一种钢管-钢板组合式钢腹板。

背景技术

1975年法国Campenon Bernard公司提出了以波形钢腹板代替钢-混凝土组合桥中的平钢腹板的设想，并于1986年建造了世界上第一座波形钢腹板PC (Precast Concrete，混凝土预制件)组合梁桥——Cognac桥。这类桥梁利用波形钢腹板的褶皱效应，减小了顶底板混凝土收缩、徐变收到的钢板的纵向约束，大大提高了纵向预应力的效率，并利用钢腹板的折叠形状提高了腹板的抗剪屈曲强度，所以一经提出，便迅速获得了各国桥梁工程界的认可，形成了一种新型的、结构受力更合理、独具一格的钢-混凝土组合桥结构-波形钢腹板PC组合箱梁桥。

目前波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计及施工技术已发展相当成熟，尤其在日本进行了大量的工程建设实践，其已建和在建的此类桥梁已超过300座。而我国自1998年起开始波形钢腹板PC组合箱梁桥的研究工作，并于2005年1月设计建造了国内第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥-江苏淮安长征桥，在随后的十几年时间内又迅速建成了鄄城黄河公路大桥、桃花峪黄河大桥、深圳南山大桥等超过百余座极具代表性的波形钢腹板PC组合箱梁桥，其跨度也从最初的 30m扩大到了最大跨度188m(郑州朝阳沟大桥)，河南省和广东省于2010年、 2015年先后发布相关的设计及施工技术规程，进一步极大地推动了该类桥梁的应用发展。这类桥梁在我国的发展速度之快在桥梁工程建设领域实属罕见，究其原因在于这类桥梁具有结构轻盈、造型优美、受力合理、抗震性能好等突出的优点，才成为了我国近年来大力推广发展的新型桥梁结构形式。其现行的技术特点主要有：

1、利用模压或冲压成型的波形钢腹板代替厚重的混凝土腹板，减小了主梁的自重，提高了桥梁的跨越能力和抗震性能，降低了桥梁工程量；

2、利用波形钢腹板的褶皱效应提高了纵向预应力的效率，同时折叠型的钢腹板抗剪承载力更高；

3、在组合结构中，充分利用了混凝土结构的刚度和抗压能力以及波形钢腹板的抗剪能力，充分发挥了不同材料的性能，受力更合理；

4、波形钢腹板的采用解决了传统混凝土腹板开裂的问题，同时体外索的可调可换性，提高了桥梁的耐久性和使用寿命；

5、波形钢腹板PC组合箱梁桥造型美观，结构轻盈，具有较高的桥梁美学价值。

但是，波形钢腹板PC组合桥因其具有各种突出的优点，在国内外的桥梁设计应用中得到了大力地推广，然而因其自身特点也导致其存在以下一些技术缺点或难点：

1、波形钢腹板需要采用专用设备进行模压或冲压成型，制作成本高，是制约该类桥梁加工效率和经济性的主要因素；

2、波形钢腹板在横向形成折线后，增加了腹板接长以及腹板与翼缘板的焊接施工难度，同时大量的折角易积留杂物，增加了防腐和养护的难度；

3、大跨度变高梁的波形钢腹板下缘为空间曲线，腹板的裁剪、腹板与下翼缘的焊接作业更加复杂，因此在工程实践中，为减小此类难度，在跨度不大于 60m时，波形钢腹板PC组合桥通常做成等高梁，美观性和工程材料用量均有影响；

4、大跨度波形钢腹板PC组合桥梁高较高时，波形钢腹板的剪切屈曲稳定性问题突出，需要设置内衬混凝土，连接复杂、抗剪分配机理尚不明确。

在认识到以上一些问题后，因而需要一种新的钢腹板。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种钢管-钢板组合式钢腹板。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种钢管-钢板组合式钢腹板，包括至少两个钢板和至少一个钢管，每个所述钢板相对的两侧中至少一侧连接一个所述钢管，每个所述钢管相对的两侧分别连接至少一个所述钢板，所有所述钢板相互平行设置，所有所述钢管的轴线相互平行设置、且位于同一平面内，所述钢板连接于所述钢管的侧壁。

不同类型的薄壁钢管在垂直于管壁的外力作用下，会产生不同类型的屈曲变形，薄壁钢管-钢板组合式钢腹板正是利用了薄壁钢管在纵向力作用下的屈曲变形来减小了整个腹板对组合箱梁桥顶底板的约束作用，降低顶底板混凝土部分的收缩徐变影响，提高纵向预应力的效率，同时在该类组合式腹板中的薄壁钢管还对平钢板起着加劲的作用，改善钢板的剪切屈曲性能。

这里的薄壁应当理解为相对于整个钢腹板结构，所述钢板和所述钢管的壁厚较小，即首先所述钢板和所述钢管的壁厚相对于钢腹板高度来说足够小，其次是由钢管组成的串联刚度相对于混凝土顶底板纵向压缩刚度而言应足够小。

优选地，所述钢板与所述钢管平直对接焊接成型。

优选地，每个所述钢管相对的两侧分别连接一个所述钢板，所有所述钢板位于同一平面内，所述钢管的轴线位于所述钢板所在平面内。

优选地，相邻两个所述钢管之间设有若干个所述钢板。

优选地，所述钢管的截面呈圆形，所述钢板沿所述钢管截面的径向设置。

优选地，所述钢管的截面呈椭圆形，所述钢板沿所述钢管截面的长轴方向或者短轴方向设置。

优选地，所述钢管的截面呈菱形，所述钢板连接于所述钢管的角边、并沿截面的对角线方向设置。

优选地，所述钢管的截面呈正方形。

优选地，所有所述钢管等间距设置。

优选地，所述钢管为轧制钢管或者焊接钢管。

优选地，所述钢管的两端分别设有顶板和底板，所述顶板和所述底板均连接于所有所述钢板和所有所述钢管，所述钢管垂直于所述顶板和所述底板。

优选地，所述顶板和所述底板背离所述钢管的一侧设有若干个剪力键。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

运用本发明所述的一种钢管-钢板组合式钢腹板，采用所述钢板与所述钢管平直对接焊接成型，并利用所述钢管的屈曲变形减小对钢腹板PC组合桥纵向预应力及顶底板混凝土收缩徐变的阻碍作用，既具有波形钢腹板抗剪承载力高、纵向刚度小、纵向预应力效率高的特点，同时具有以下效果：(1)平钢板与薄壁钢管以及与翼缘板之间的焊接均为一维线型焊缝，降低了钢腹板的焊接施工作业和剪裁难度，可有效保障焊接接长的工艺质量，特别是解决了大跨度波形钢腹板PC组合箱梁在梁高曲线变高时，腹板与下翼缘形成的空间曲线焊缝焊接困难的重大难题；(2)免去了波形钢腹板冷压成型的工序，降低了制造成本，提高了加工制作效率；(3)间隔设置的薄壁钢管自身也可作为钢板的横向加劲肋，在大跨度桥梁梁高较高时，可改善平钢板的剪切屈曲稳定性。

附图说明

图1为实施例1中圆形钢管-钢板组合式钢腹板的结构示意图；

图1a为图1的俯视图；

图1b为图1a中A的放大图；

图1c为图1的受力计算示意图；

图1d为圆形钢管整体的集中力计算示意图；

图1e为圆形钢管1/4结构的集中力计算示意图；

图1f为圆形钢管基本体系的集中力计算示意图；

图1g为圆形钢管

图；

图1h为圆形钢管M_p图；

图1i为圆形钢管弯矩图；

图1j为实施例2中圆形钢管-钢板组合式钢腹板的结构示意图；

图2a为实施例3中正方形钢管-钢板组合式钢腹板的结构示意图；

图2b为图2a的俯视图；

图2c为图2b中B的放大图；

图2d为图2a的受力计算示意图；

图2e为正方形钢管弯矩图；

图2f为实施例4中正方形钢管-钢板组合式钢腹板的结构示意图；

图3为对比例1中平钢腹板的结构示意图；

图4a为对比例2中波形钢腹板的结构示意图；

图4b为图4a中波形单元受力图；

图4c为图4a中波形单元弯矩图。

图中标记：1-钢板，2-钢管，3-顶板，4-底板，5-剪力键，6-平钢腹板，7- 波形钢腹板。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-1i所示，本发明所述的一种钢管-钢板组合式钢腹板，包括若干个钢板1和若干个截面呈圆形的钢管2。

如图1和1a所示，所有所述钢管2等间距间隔设置，所有所述钢管2的轴线相互平行设置、且位于同一平面内，每个所述钢管2相对的两侧分别连接一个所述钢板1，所述钢板1连接于所述钢管2的侧壁，所有所述钢板1位于同一平面内，所述钢管2的轴线位于所述钢板1所在平面内；具体地，所述钢管2 为轧制钢管或者焊接钢管，所述钢板1与所述钢管2平直对接焊接成型，相邻两个所述钢管2的间距可以根据桥梁不同位置的需求进行灵活调整，使施工的便捷性和经济性更佳。

如图1a和1b所示，所述钢管2在垂直于管壁的外力作用下产生屈曲变形，所述钢管2的截面由圆形趋于椭圆形。

如图1所示，所述钢管2的两端分别设有顶板3和底板4，所述顶板3和所述底板4均连接于所有所述钢板1和所有所述钢管2，所述钢管2垂直于所述顶板3和所述底板4，所述顶板3和所述底板4背离所述钢管2的一侧设有若干个剪力键5，所述剪力键5用于嵌固于混凝土构件中。

如图1c-1i所示，长度为L、高度为H的一段圆形钢管-钢板组合式钢腹板，钢材弹性模量为E，所述钢管-钢板组合式钢腹板长度方向两端分别受轴向外力 P作用，设所述钢管-钢板组合式钢腹板厚度为t，所述钢管2壁厚为δ，所述钢管2直径为d，在长度L范围设置n个所述钢管2。

由于所述钢管-钢板组合式钢腹板由平的所述钢板1和圆的所述钢管2串联而成，变形分为两部分，第一部分为所述钢板1的纵向变形，第二部分为所述钢管2的纵向变形。

其中n+1个串联所述钢板1的变形为：

单个圆形的所述钢管2在对称集中荷载作用下轴力偏离理想拱轴线，引起弯曲变形、轴向变形和剪切变形，由对称性，可知所述钢管2圆环的取1/4的计算图式如图1d-1h所示，其中在对称面的反对称剪力应为0。

由P/2引起所述钢管2圆环的弯矩为：

由对称性可知，在对称点转角为0，即：δ₁₁X₁+Δ_1p＝0；

其中：

求得超静定未知力：

如图1i所示，最后弯矩为：

由集中力P对挤压所述钢管2圆环引起的挤压总变形为：

所述钢管2的圆形横截面可视为矩形，

钢材的弹性模量为E和剪切模量G之比约为2.6，而对于薄壁钢管I是A的高阶小量，变形以弯曲变形为主，为了简化，忽略轴向和剪切变形，不影响计算变形量级，则：

所述钢管-钢板组合式钢腹板总变形为：

所述钢管-钢板组合式钢腹板纵向刚度为：

实施例2

如图1j所示，本发明所述的一种钢管-钢板组合式钢腹板，与实施例1的不同之处在于，本实施例中，相邻两个所述钢管2之间设有两个所述钢板1，两个所述钢板1关于所有所述钢管2轴线所在平面对称设置。

实施例3

如图2a-2e所示，本发明所述的一种钢管-钢板组合式钢腹板，包括若干个钢板1和若干个截面呈正方形的钢管2。

如图2a和2b所示，所有所述钢管2等间距间隔设置，所有所述钢管2的轴线相互平行设置、且位于同一平面内，每个所述钢管2相对的两侧分别连接一个所述钢板1，所述钢板1连接于所述钢管2的角边、并沿所述钢管2截面的对角线方向设置，所有所述钢板1位于同一平面内；具体地，所述钢管2为轧制钢管或者焊接钢管，所述钢板1与所述钢管2平直对接焊接成型，相邻两个所述钢管2的间距可以根据桥梁不同位置的需求进行灵活调整，使施工的便捷性和经济性更佳。

如图2b和2c所示，所述钢管2在垂直于管壁的外力作用下产生屈曲变形，所述钢管2的截面由圆形趋于菱形。

如图2a所示，所述钢管2的两端分别设有顶板3和底板4，所述顶板3和所述底板4均连接于所有所述钢板1和所有所述钢管2，所述钢管2垂直于所述顶板3和所述底板4，所述顶板3和所述底板4背离所述钢管2的一侧设有若干个剪力键5，所述剪力键5用于嵌固于混凝土构件中。

如图2d和2e所示，长度为L、高度为H的一段正方形钢管-钢板组合式钢腹板，其与实施例1中钢管-钢板组合式钢腹板采用相同的钢材，弹性模量为E，所述钢管-钢板组合式钢腹板长度方向两端分别受轴向外力P作用，设所述钢管 -钢板组合式钢腹板厚度为t，所述钢管2壁厚为δ，所述钢管2截面对角线长度为d，在长度L范围设置n个所述钢管2。

采用类似于实施例1中圆管的计算方法，由对称性计算出正方形管的弯矩图如图2e所示。

n个串联正方形管在对称集中荷载P作用下的纵向相对变形为：

所述钢管-钢板组合式钢腹板的变形为：

所述钢管-钢板组合式钢腹板的纵向刚度：

实施例4

如图2f所示，本发明所述的一种钢管-钢板组合式钢腹板，与实施例3的不同之处在于，本实施例中，相邻两个所述钢管2之间设有三个所述钢板1，其中一个所述钢板1连接于所述钢管2的角边、并沿所述钢管2截面的对角线方向设置，另外两个所述钢板1关于所有所述钢管2轴线所在平面对称设置。

对比例1

如图3所示，长度为L、高度为H的一段平钢腹板，其与实施例1中钢管- 钢板组合式钢腹板采用相同的钢材，弹性模量为E，所述平钢腹板长度方向两端分别受轴向外力P作用，设所述平钢腹板厚度为t。

在轴向力P作用下所述平钢腹板的变形为：

所述平钢腹板纵向受压的刚度为：

对比例2

如图4a-4c所示，长度为L、高度为H的一段波形钢腹板，其与实施例1中钢管-钢板组合式钢腹板采用相同的钢材，弹性模量为E，所述波形钢腹板长度方向两端分别受轴向外力P作用，设所述波形钢腹板厚度为t，在长度L范围设置n个波形单元。

如图4b所示，长度L内近似具有的波形单元数量为：

n个波形单元串联后的总纵向变形为：

长度L的波形钢腹板纵向受压的刚度为：

性能测试

对上述实施例1、实施例3、对比例1和对比例2中的钢腹板进行性能测试。

实施例1中圆形钢管-钢板组合式钢腹板相对对比例1中平钢腹板的刚度比为：

实施例3中正方形钢管-钢板组合式钢腹板相对对比例1中平钢腹板的刚度比为：

对比例2中波形钢腹板相对对比例1中平钢腹板的刚度比为：

取长度L＝15m的钢腹板进行对比，钢板厚度t＝16mm，波形钢腹板分别采用JT/T748规范中的1200型和1600型两种类型；这里对比时，钢管-钢板组合式钢腹板中的所述钢管2采用符合国家标准的轧制钢管，如：在L＝15m范围内设置n＝8个，直径d＝560mm，壁厚δ＝9mm的圆形钢管(间隔L_i≈1.17m)，或 n＝8个，400mm×400mm×8mm的正方形钢管(间隔L_i≈1.16m)，计算得到不同类型钢腹板与相同长度平钢腹板的纵向刚度之比如表1所示。

表1、不同类型钢腹板向刚度比

钢腹板类型	刚度比n
		平钢腹板	1
1200型波形钢腹板	1/345
		1600型波形钢腹板	1/406
圆管-钢板组合式钢腹板	1/459
		正方形管-钢板组式合钢腹板	1/534

可见采用薄壁钢管-钢板组式合钢腹板同样可以减小腹板的纵向刚度，达到减小钢腹板对组合桥中混凝土顶底板的纵向约束、提高纵向预应力效率的目的，与此同时又降低了钢腹板剪裁和连接接长的施工难度，另外由于避免采用专业设备进行钢板的冲压制作，其加工成本也将显著降低。

与波形钢腹板相比，在相同刚度指标条件下，单位高度每延米所用钢材量对比如表2所示。

表2、不同类型钢腹板用钢量

可见，在达到相同刚度指标的条件下，钢管-钢板组合式钢腹板的用钢量指标与波形钢腹板相当，同时加工难度和成本却会显著降低。

其中，薄壁钢管中的薄壁应当理解为相对于整个钢腹板结构，所述钢板1 和所述钢管2的壁厚较小，即首先所述钢板1和所述钢管2的壁厚相对于钢腹板高度来说足够小，其次是由钢管2组成的串联刚度相对于混凝土顶底板纵向压缩刚度而言应足够小。

以15m长的箱梁，梁高1.8m，顶底板厚度均为0.2m为例，腹板高度1.4m，翼缘板有效宽度取1.2m计，钢材与混凝土的弹性模量比E_s/E_c＝6，15m长度内两侧腹板中仅串联的方管的刚度为

混凝土顶板或底板纵向刚度以K_c/K_s≥100为尺度，钢腹板对混凝土顶底板的约束较弱，可以得到钢管壁厚范围大概为δ≤16mm，但平钢腹板6要达到相同效果时，其钢板厚度约为0.3mm，基本不现实。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢管-钢板组合式钢腹板，其特征在于，包括至少两个钢板(1)和至少一个钢管(2)，每个所述钢板(1)相对的两侧中至少一侧连接一个所述钢管(2)，每个所述钢管(2)相对的两侧分别连接至少一个所述钢板(1)，所有所述钢板(1)相互平行设置，所有所述钢管(2)的轴线相互平行设置、且位于同一平面内，所述钢板(1)连接于所述钢管(2)的侧壁。

2.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，每个所述钢管(2)相对的两侧分别连接一个所述钢板(1)，所有所述钢板(1)位于同一平面内，所述钢管(2)的轴线位于所述钢板(1)所在平面内。

3.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，相邻两个所述钢管(2)之间设有若干个所述钢板(1)。

4.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述钢管(2)的截面呈圆形，所述钢板(1)沿所述钢管(2)截面的径向设置。

5.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述钢管(2)的截面呈椭圆形，所述钢板(1)沿所述钢管(2)截面的长轴方向或者短轴方向设置。

6.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述钢管(2)的截面呈菱形，所述钢板(1)连接于所述钢管(2)的角边、并沿截面的对角线方向设置。

7.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，所有所述钢管(2)等间距设置。

8.根据权利要求1所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述钢管(2)为轧制钢管或者焊接钢管。

9.根据权利要求1-8任一项所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述钢管(2)的两端分别设有顶板(3)和底板(4)，所述顶板(3)和所述底板(4)均连接于所有所述钢板(1)和所有所述钢管(2)，所述钢管(2)垂直于所述顶板(3)和所述底板(4)。

10.根据权利要求9所述的组合式钢腹板，其特征在于，所述顶板(3)和所述底板(4)背离所述钢管(2)的一侧设有若干个剪力键(5)。

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