CN112900742A

CN112900742A - 一种工形梁

Info

Publication number: CN112900742A
Application number: CN202110055417.8A
Authority: CN
Inventors: 郑凯锋; 冯霄暘; 王亚伟; 雷鸣; 胡博
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种工形梁，包括第一翼缘平板、第一翼缘肋板、第二翼缘平板和连接板，第一翼缘平板和第一翼缘肋板一体成型且呈T形结构，连接板的两端分别与第一翼缘肋板和第二翼缘平板连接。本发明通过热轧‑对接焊生产形成的工形梁，将现有工形梁中翼缘与腹板的T型焊接接头形式改变为第一翼缘肋板和第二翼缘肋板分别与腹板的对接焊接接头形式，减少了焊接缺陷的产生；改变了两向焊缝交叉的位置，降低了工形梁的焊接残余应力，大大提高工形梁的疲劳性、经济性和耐久性，解决了行业内一直难以突破的难题。

Description

一种工形梁

技术领域

本发明属于钢结构制造加工技术领域，具体涉及一种热轧-对接焊工形梁。

背景技术

工形梁作为房屋建筑与桥梁结构等钢结构中的主要受力构件，主要承担了传递弯矩与剪力的作用。在工形梁中，翼缘的主要作用是抵抗弯矩，而腹板则主要用来承担剪力，因此，腹板通常做得高而薄，从而提高抗剪刚度。同时为了提高工形梁的局部稳定性，工形梁腹板上通常设置竖向加劲肋，若腹板的高厚比较大，还设置纵向加劲肋，如此腹板就被纵向和竖向加劲肋分隔为许多矩形区格。一般来说，工形梁板件之间的连接采用T型焊接接头的形式，然而T型接头焊接空间小，操作不便，容易产生不易察觉的焊接缺陷。且各板件之间通过焊接连接为整体，因此高厚比越大的工形梁则会在纵横向加劲肋连接焊缝位置引入更多的大小不等，分布不均的焊接残余应力。

相关研究表明，工形梁的疲劳开裂主要出现于横梁与主梁、横肋与主梁连接处，且裂纹多萌生于横梁(横肋)与主梁腹板连接焊缝端部。此处为两向焊缝交汇处，构造细节复杂且残余应力数值较大，在车辆荷载作用下极易出现疲劳裂纹。

目前，国内工形梁其不足之处及缺陷明显：

1、热轧工字型钢整体性好，残余应力小，但国内外热轧工字型钢常用尺寸最大高度为700mm左右，很难满足实际工程需求；

2、板件焊接的工形梁，加工方法采用人工或半机械化生产、工序复杂、加工困难、效率低下，包括切割、铣边、整形、焊接等，质量控制难度大、加工精度差；

3、板件焊接的工形梁，由于竖向加劲肋与腹板焊缝、翼缘与腹板焊缝相交或接近，此处构造复杂，两向焊缝相交或相近，在车辆荷载作用下不仅应力分布复杂且焊接残余应力数值较大，容易在此处萌生疲劳裂纹；

4、目前工形梁翼缘宽度受限条件下，主要采用在翼缘外贴钢板的方式增加其截面惯性矩，外贴钢板一般采用角焊缝的形式进行连接。这一传统做法不仅会在翼缘处引入新的焊接残余应力，在荷载作用下下翼缘承受应力幅较大时，很容易出现疲劳开裂，而且外贴钢板增加制造工序，制造效率低。

因此，如何改善工形梁焊接接头的焊接质量与疲劳性能是行业内急需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种工形梁，解决了现有工形梁因为焊接残余应力引起的疲劳开裂问题。

本发明所采用的技术方案为：一种工形梁，包括第一翼缘平板、第一翼缘肋板、第二翼缘平板和连接板，所述第一翼缘平板和第一翼缘肋板一体成型且呈T形结构，所述连接板的两端分别与所述第一翼缘肋板和第二翼缘平板连接。

作为可选方式，所述第一翼缘肋板靠近连接板的一端对称设有第一焊接坡口，所述连接板的靠近第一翼缘肋板的一端对称设有对接坡口。

作为可选方式，所述第一焊接坡口的角度为25°-65°，所述对接坡口的角度为25°-65°。

作为可选方式，所述连接板包括第二翼缘肋板和腹板，所述第二翼缘平板和第二翼缘肋板一体成型且呈T形结构，所述腹板的两端分别与第一翼缘肋板和第二翼缘肋板连接，且腹板的端部设有对接坡口。

作为可选方式，所述第二翼缘肋板靠近腹板的一端对称设有第二焊接坡口，所述第二焊接坡口的角度为25°-65°。

作为可选方式，所述第一翼缘平板和第一翼缘肋板通过热轧一体成型，且第一翼缘平板和第一翼缘肋板之间设有第一圆弧过渡面。

作为可选方式，所述第二翼缘平板和第二翼缘肋板通过热轧一体成型，且第二翼缘平板和第二翼缘肋板之间设有第二圆弧过渡面。

作为可选方式，所述第一翼缘平板和第二翼缘平板之间连接有竖向加劲肋。

作为可选方式，所述竖向加劲肋的两端分别与第一翼缘平板和第二翼缘平板焊接连接，所述竖向加劲肋设有与所述第一圆弧过渡面和第二圆弧过渡面适配的斜角。

作为可选方式，所述腹板上连接有纵向加劲肋。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过热轧-对接焊生产形成的工形梁，将现有工形梁中翼缘与腹板的T型焊接接头形式改变为第一翼缘肋板和第二翼缘肋板分别与腹板的对接焊接接头形式，减少了焊接缺陷的产生；改变了两向焊缝交叉的位置，降低了工形梁的焊接残余应力，大大提高工形梁的疲劳性、经济性和耐久性，解决了行业内一直难以突破的难题；

2、本发明的第一翼缘平板和第一翼缘肋板通过热轧一体成型，且第一翼缘平板和第一翼缘肋板之间设有第一圆弧过渡面，其能够增加工形梁的整体刚度和抗扭转性能，转移了第一翼缘平板与腹板潜在的焊接连接缺陷，避免了第一翼缘平板和第一翼缘肋板的应力集中现象；

3、本发明的连接板包括第二翼缘肋板和腹板，腹板的两端分别与第一翼缘肋板和第二翼缘肋板连接，其可以避免外贴钢板，提高材料利用率和制造效率，降低成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种工形梁的第一种结构示意图；

图2是本发明提供的一种工形梁中第一焊接坡口的结构示意图；

图3是本发明提供的一种工形梁的第二种结构示意图；

图4是本发明提供的一种工形梁的第三种结构示意图；

图5是本发明提供的一种工形梁的第四种结构示意图；

图中：1-第一翼缘平板；2-第一翼缘肋板；3-第二翼缘平板；4-第一焊接坡口；5-对接坡口；6-第二翼缘肋板；7-腹板；8-第一圆弧过渡面；9-第二圆弧过渡面；10-竖向加劲肋；11-斜角；12-纵向加劲肋；13-对接焊接接头。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供了一种工形梁，包括第一翼缘平板1、第一翼缘肋板2、第二翼缘平板3和连接板，所述第一翼缘平板1和第一翼缘肋板2通过热轧一体成型且呈T形结构，第一翼缘平板1和第一翼缘肋板2之间通过第一圆弧过渡面8进行过度，当第一翼缘平板1和第一翼缘肋板2受力不利时，也可采用其他过渡形式。所述连接板的两端分别与所述第一翼缘肋板2和第二翼缘平板3连接，第一翼缘肋板2与连接板通过焊接连接。由于第一翼缘平板1和第一翼缘肋板2一体成型，其能够有效的避免现有工形梁中翼缘和腹板7之间的焊接处萌生裂纹的问题，减少了焊接缺陷的产生，提高了工形梁的疲劳性能。

如图2所示，在一些实施方式中，所述第一翼缘肋板2靠近连接板的一端对称设有第一焊接坡口4，所述连接板的靠近第一翼缘肋板2的一端对称设有对接坡口5，使得第一翼缘肋板2及端部连接板的呈V形，第一翼缘肋板2和连接板的两侧进行对接焊。优选地，所述第一焊接坡口4的角度为25°-65°，所述对接坡口5的角度为25°-65°。进一步地，所述第一焊接坡口4和对接坡口5的角度均为45°，第一翼缘肋板2的第一焊接坡口4与连接板的对接坡口5进行对接焊，在焊接完成后，第一翼缘肋板2与连接板的连接强度较高，同时能够有效避免焊接缺陷，提高疲劳强度。

在一些实施方式中，所述连接板包括第二翼缘肋板6和腹板7，腹板7的长度可以根据实际需求进行设计，以满足不同需求。所述第二翼缘平板3和第二翼缘肋板6通过热轧一体成型且呈T形结构，第二翼缘平板3和第二翼缘肋板6之间设有第二圆弧过渡面9，所述腹板7的两端分别与第一翼缘肋板2和第二翼缘肋板6连接，且腹板7的端部设有对接坡口5。优选地，腹板7的两端均设有对接坡口5，所述第二翼缘肋板6靠近腹板7的一端对称设有第二焊接坡口，所述第二焊接坡口的角度为25°-65°。进一步地，所述第二焊接坡口的角度为45°，腹板7的顶端的对接坡口5与第一焊接坡口4进行对接焊，腹板7的底端的对接坡口5与第二焊接坡口进行对接焊，第一翼缘肋板2与腹板7之间形成一个对接焊接接头13，第二翼缘肋板6与腹板7之间形成另一个对接焊接接头13。其能够改善工形梁的受力状态，提高工形梁的疲劳性能。

本发明通过热轧-对接焊生产形成的工形梁，将现有工形梁中翼缘与腹板7的T型焊接接头形式改变为第一翼缘肋板2和第二翼缘肋板6分别与腹板7的对接焊接接头13形式，减少了焊接缺陷的产生；改变了两向焊缝交叉的位置，降低了工形梁的焊接残余应力，大大提高工形梁的疲劳性、经济性和耐久性，解决了行业内一直难以突破的难题。

如图3和图4所示，在一些实施方式中，所述第一翼缘平板1和第二翼缘平板3之间连接有竖向加劲肋10。当竖向加劲肋10的两端分别与第一翼缘平板1和第二翼缘平板3焊接连接时，所述竖向加劲肋10设有与所述第一圆弧过渡面8和第二圆弧过渡面9适配的斜角11，以满足加工精度要求以及保证工形梁的稳定性能。当加工精度满足装配精度要求时，竖向加劲肋10可以不用设置斜角11的方式。优选地，所述腹板7上连接有纵向加劲肋12，以加强工形梁的局部稳定性。

本发明在使用中，工形梁截面根据实际工程需求，在相应的荷载作用下，进行相应的验算。在有限元软件中建立分析计算模型，考虑第一翼缘肋板2和第二翼缘肋板6分别与腹板7的对接焊接接头13截面厚度，以及对竖向加劲肋10和纵向加劲肋12位置进行优化设计，并对第一圆弧过渡面8和第二圆弧过渡面9进行应力分析，如图5所示，第一翼缘平板1和第二翼缘平板3可以设计为等厚或变厚、等宽或变宽截面，腹板7采用常规钢板，设计尺寸更有利于工形梁的受力状态，减少用钢量，提高整个工形梁的疲劳性能。

上述的技术方案中，所述的工形梁并不一定是工字形截面钢梁，应根据工程实际需要制作相应的热轧带肋翼缘截面形式，通过焊接制造相应的截面形式，如π型。第一翼缘平板1和第二翼缘平板3可根据实际需要，轧制为平板或变截面，在纵向也可根据实际需要热轧为变宽截面。本发明中以工形梁代为论述，以行业内常见工形梁尺寸进行介绍，第一翼缘肋板2和第二翼缘肋板6厚40mm，在第一翼缘肋板2和第二翼缘肋板6的端部两侧开45°坡口，腹板7端部两侧开45°坡口，然后进行对接焊。在焊接完成后，应在对接焊接接头13处将焊缝余高打磨平整，以便竖向加劲板的拼装。一般来说应先拼装竖向加劲板，当竖向加劲肋10与纵向加劲肋12相交时，竖向加劲肋10宜连续通过，竖向加劲肋10与纵向加劲肋12相交处，宜焊接或栓接。

如图3所示，竖向加劲肋10分别与第一翼缘平板1和第二翼缘平板3焊接时，可以将竖向加劲肋10切除适当尺寸的斜角11，当加工精度满足装配精度要求时，宜采用图4中竖向加劲肋10没有斜角11的形式，此时竖向加劲肋10与腹板7在圆弧过渡处应连续施焊。

本发明将现有T型焊接接头改变为对接焊接接头13，不仅减小了焊接缺陷的产生，而且避免了现有工形梁中翼缘与腹板7的连接焊缝和竖向加劲肋10与腹板7连接焊缝的相交。根据《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015，常规板件焊接工形梁翼缘与腹板7焊接后，其疲劳强度等级为100MPa，采用本发明具有两个对接焊接接头13的工形梁，其疲劳强度等级达到了160MPa，其疲劳强度远超过现有的工形梁，具有良好的结构性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种工形梁，其特征在于，包括第一翼缘平板(1)、第一翼缘肋板(2)、第二翼缘平板(3)和连接板，所述第一翼缘平板(1)和第一翼缘肋板(2)一体成型且呈T形结构，所述连接板的两端分别与所述第一翼缘肋板(2)和第二翼缘平板(3)连接。

2.根据权利要求1所述的工形梁，其特征在于，所述第一翼缘肋板(2)靠近连接板的一端对称设有第一焊接坡口(4)，所述连接板的靠近第一翼缘肋板(2)的一端对称设有对接坡口(5)。

3.根据权利要求2所述的工形梁，其特征在于，所述第一焊接坡口(4)的角度为25°-65°，所述对接坡口(5)的角度为25°-65°。

4.根据权利要求2所述的工形梁，其特征在于，所述连接板包括第二翼缘肋板(6)和腹板(7)，所述第二翼缘平板(3)和第二翼缘肋板(6)一体成型且呈T形结构，所述腹板(7)的两端分别与第一翼缘肋板(2)和第二翼缘肋板(6)连接，且腹板(7)的端部设有对接坡口(5)。

5.根据权利要求4所述的工形梁，其特征在于，所述第二翼缘肋板(6)靠近腹板(7)的一端对称设有第二焊接坡口，所述第二焊接坡口的角度为25°-65°。

6.根据权利要求4所述的工形梁，其特征在于，所述第一翼缘平板(1)和第一翼缘肋板(2)通过热轧一体成型，且第一翼缘平板(1)和第一翼缘肋板(2)之间设有第一圆弧过渡面(8)。

7.根据权利要求6所述的工形梁，其特征在于，所述第二翼缘平板(3)和第二翼缘肋板(6)通过热轧一体成型，且第二翼缘平板(3)和第二翼缘肋板(6)之间设有第二圆弧过渡面(9)。

8.根据权利要求7所述的工形梁，其特征在于，所述第一翼缘平板(1)和第二翼缘平板(3)之间连接有竖向加劲肋(10)。

9.根据权利要求8所述的工形梁，其特征在于，所述竖向加劲肋(10)的两端分别与第一翼缘平板(1)和第二翼缘平板(3)焊接连接，所述竖向加劲肋(10)设有与所述第一圆弧过渡面(8)和第二圆弧过渡面(9)适配的斜角(11)。

10.根据权利要求9所述的工形梁，其特征在于，所述腹板(7)上连接有纵向加劲肋(12)。