CN113898123B - 一种复合构造的u形钢-固废混凝土组合梁及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复合构造的U形钢‑固废混凝土组合梁及施工方法，本发明通过在U形钢底面板上设置若干H型钢和纵向角钢以增强其抗拉能力，从而增大组合梁的抗弯承载力，通过在U形钢侧立板上设置抗剪桁架以增强其抗剪承载力；通过设置拉结框架、抗剪桁架、拉接螺栓以增强钢板和混凝土界面的黏结性能和抗掀起能力，同时也增强了钢板与内部混凝土的连接；拉结框架和拉结螺栓提升了钢板的约束效果使得内部混凝土处于约束状态，在混凝土受拉位置外侧布置钢板以提升其抗裂能力；对钢材交接处可能出现应力集中的不利部位进行了局部加强；采用固废混凝土缓解大体积混凝土的收缩变形问题，以推动固废混凝土的工程应用。

Description

一种复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁及施工方法

技术领域

本发明涉及一种复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁及施工方法，属于钢-混凝土组合结构技术领域。

背景技术

随着结构体系的复杂化对梁构件的跨度和承载力提出了更高的要求，如一些大型公共建筑、大跨度桥梁、大型核电站项目等，传统的钢筋混凝土梁由于截面过大已难以满足工程设计的需要，于是采用力学性能更好的钢-混凝土组合梁。作为一种新型的组合结构构件，外包U形钢-混凝土组合梁通过在开口箱梁内浇筑混凝土，并通过角钢等连接件进行连接而形成的一种T形组合梁，具有承载力高、刚度大、抗震性能好等特点，可满足工程设计中的大跨需求，同时也对截面尺寸较大的U形钢-混凝土组合梁的抗弯承载力、抗剪承载力、抗裂能力和连接程度等方面提出了更高的要求。

另一方面，对建筑固废和工业固废的资源化利用生产了大量再生骨料、钢渣、镍渣、镁渣等绿色材料，合理使用掺入固废资源化材料的固废混凝土，符合我国建议中“加快构建废旧物资循环利用体系”的发展目标。

发明内容

本发明为了解决如何增大U形钢-固废混凝土组合梁抗弯承载力和抗剪承载力、增强其抗裂能力和各部分的连接程度、减小内部大体积混凝土的收缩变形的技术问题，提出一种复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁及施工方法，通过在U形钢底面板上设置若干H型钢以增强底面抗拉能力，通过在U形钢侧立板上设置抗剪桁架以增强其抗剪能力，在两个侧立板之间设置拉结框架以增强其约束能力，在混凝土顶面设置顶面板以增强抗裂能力和负弯矩区受拉能力，并通过若干拉接螺栓与U型刚、混凝土建立可靠连接，以上构造措施均增强了组合梁的刚度及各部分协同工作性能，此外在U形钢内部采用掺入固废资源化材料的固废混凝土，利用再生骨料的“自养护”作用或钢渣、镍渣、镁渣等工业固废的微膨胀效应减少大体积混凝土的收缩变形，进一步提升组合梁的组合效果。

一种具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁的施工方法，具体包括以下步骤：

(1)预制工作：在翼缘板上开设螺栓孔，在顶面板上开设螺栓孔、浇筑孔和透气孔，将一块底面板、两块侧立板和两块翼缘板焊接成U形钢，在底面板和侧立板交接处内侧焊接纵向角钢，在侧立板与翼缘板交接处焊接若干L形加劲板，若干H型钢纵向焊接于底面板上侧，若干水平肋垂直于H型钢焊接于底面板上侧，若干竖向肋垂直于水平肋焊接于侧立板内侧，若干斜置角钢交叉焊接于侧立板内侧，若干拉结角钢两端分别与两个竖向肋焊接，若干纵向槽钢纵向焊接于侧立板内侧上部，拧紧拉接螺栓下部两个螺母将螺杆与翼缘板固定，以上工作在工厂预制；

(2)现场施工：将组合梁定位在正确位置，完成支撑工程和相邻混凝土板的模板工程，按照设计固定钢筋并绑扎形成钢筋网，拧紧拉接螺栓上部两个螺母将顶面板与拉接螺栓固定，最后通过浇筑孔密实浇筑固废混凝土并养护至设计强度。

一种所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，包括由底面板、两块侧立板和两块翼缘板组成的U形钢，若干H型钢，若干由纵向角钢、若干斜置角钢和纵向槽钢组成的抗剪桁架，若干由水平肋、两个竖向肋和若干拉结角钢组成的拉结框架，若干由L形板和加劲板组成的L形加劲板，顶面板，若干由四个螺母和一根螺杆组成的拉接螺栓，若干钢筋和固废混凝土，

若干H型钢纵向设置于底面板上侧，若干抗剪桁架位于侧立板内侧，若干拉结框架垂直焊接于底面板和侧立板上，若干L形加劲板分别焊接于侧立板和翼缘板外侧，顶面板通过若干拉接螺栓与翼缘板连接，内部放置若干钢筋并密实填充固废混凝土。

优选地，所述底面板、侧立板、翼缘板、H型钢、纵向角钢、斜置角钢、纵向槽钢、水平肋、竖向肋、拉结角钢、L形板、加劲板、顶面板、螺母、螺杆所用钢材强度不低于Q355。

优选地，所述底面板宽度不低于0.8m，所述侧立板高度不低于1.6m，所述翼缘板宽度不低于0.5m。

优选地，所述纵向角钢与水平肋交接处页保持纵向角钢连续，所述H型钢与水平肋交接处保持H型钢连续，将水平肋断开成若干段。

优选地，所述斜置角钢与纵向角钢夹角为35°～55°。

优选地，所述斜置纵向槽钢的高度不低于其腹板厚度的4倍，所述水平肋高度不低于其厚度的的4倍，所述竖向肋高度不低于其厚度的的4倍。

优选地，所述拉结角钢自上而下间距逐渐增加，最小间距不超过250mm。

优选地，所述L形加劲板与拉结框架处于同一平面，所述L形板厚度不低于侧立板的厚度的0.5倍，所述加劲板的厚度不低于L形板厚度的1.5倍。

优选地，所述拉接螺栓的螺杆直径不少于10mm，每侧的拉接螺栓分布不少于2列。

本发明通过在传统U形钢-混凝土组合梁中设置复合构造以增大组合梁的刚度和承载力，加强U形钢和混凝土的连接程度以加强组合梁的整体性和共同工作性能，增强U形钢的约束效果使混凝土处于约束状态以提升其受力性能，采用掺入固废资源化材料的固废混凝土，在不显著降低力学性能的情况下，减小混凝土的收缩变形。综合来看，该组合梁具有以下优势：

(1)大幅增大组合梁的刚度和承载力。在U形钢底面板上设置若干H型钢和纵向角钢以增强其抗拉能力，T形截面也使得上部区域具有较大的抗压能力，增大了组合梁的抗弯承载力，在U形钢侧立板上设置抗剪桁架以增强其抗剪承载力，各构造措施局部加强了钢板的刚度，也提升了组合梁的整体刚度。

(2)有效增强各部分的连接程度和整体性。在U形钢底面板上设置水平肋、侧立板上设置竖向肋和抗剪桁架、翼缘板上设置拉接螺栓以增强钢板和混凝土界面的黏结-滑移性能，U形钢底面板上的H型钢、侧立板上的斜置角钢和纵向槽钢、翼缘板上的拉接螺栓和内部的拉结角钢均起到抗掀起的作用，拉结框架和拉接螺栓在将各钢板紧密拉结的同时，也增强了钢板与内部混凝土的连接，大大提升了组合梁的整体性。

(3)充分发挥组合作用。拉结角钢自下而上逐渐加密，使得拉结框架将两个侧立板紧密拉结，拉结螺栓将翼缘板和顶面板紧密拉结，提升了钢板的约束效果使得内部混凝土处于三相受压状态，充分发挥混凝土的抗压性能，且在混凝土受拉位置布置钢板以提升其抗裂能力。

(4)局部加强可能出现应力集中的部位。在底面板和侧立板交接处内侧焊接纵向角钢，在侧立板与翼缘板交接处焊接L形加劲板，在L形加劲板平面布置拉结框架，在拉结角钢两端设置竖向肋，在斜置角钢和竖向肋的上下端分别设置纵向槽钢和纵向角钢，对钢材交接处可能出现应力集中的不利部位进行了局部加强。

(5)缓解大体积混凝土的收缩变形问题。混凝土处于三面密闭状态，内部水分的散失较困难，基本只发生自生收缩，且采用掺入再生骨料、钢渣、镍渣、镁渣等固废材料的固废混凝土，对于再生骨料而言，在混凝土水化过程中先吸收水后释放水，起到“缓释”自由水的作用，可缓解大体积混凝土的收缩问题，而对于掺入工业固废而言，其吸水后的微膨胀作用也可缓解大体积混凝土收缩带来的不利影响。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁的立体局部示意图；

图2为所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁的平面示意图；

图3为所述抗剪桁架的两种可能布置形式，其中，(a)为抗剪桁架的其中一种布置形式，(b)为抗剪桁架的另一种布置形式；

图4为所述拉结框架的三种可能布置形式，(a)为拉结框架的其中一种布置形式，(b)为拉结框架的另一种布置形式；(c)为拉结框架的第三种布置形式；

图5为所述顶面板的两种可能布置形式，其中，(a)为顶面板的其中一种布置形式，(b)为顶面板的另一种布置形式；

附图代号说明：1-底面板；2-侧立板；3-翼缘板；4-H型钢；5-纵向角钢；6-斜置角钢；7-纵向槽钢；8-水平肋；9-竖向肋；10-拉结角钢；11-L形板；12-加劲板；13-顶面板；14-螺母；15-螺杆；16-钢筋；17-固废混凝土。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。本实施方式所述的复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，包括由底面板1、两块侧立板2和两块翼缘板3组成的U形钢，若干H型钢4，若干由纵向角钢5、若干斜置角钢6和纵向槽钢7组成的抗剪桁架，若干由水平肋8、两个竖向肋9和若干拉结角钢10组成的拉结框架，若干由L形板11和加劲板12组成的L形加劲板，顶面板13，若干由四个螺母14和一根螺杆15组成的拉接螺栓，若干钢筋16和固废混凝土17，

若干H型钢4纵向设置于底面板1上侧，若干抗剪桁架位于侧立板2内侧，拉结框架垂直焊接于底面板1和侧立板2上，若干L形加劲板分别焊接于侧立板2和翼缘板3外侧，顶面板13通过若干拉接螺栓与翼缘板3连接，内部放置若干钢筋16并密实填充固废混凝土17。

所述抗剪桁架包括纵向角钢5、若干斜置角钢6和纵向槽钢7，纵向角钢5和纵向槽钢7相互平行，其间设置有若干斜置角钢6。

所述拉结框架包括水平肋8、两个竖向肋9和若干拉结角钢10，水平肋8和若干拉结角钢10相互平行，与两个竖向肋9垂直连接成长方形框架。

所述底面板1、侧立板2、翼缘板3、H型钢4、纵向角钢5、斜置角钢6、纵向槽钢7、水平肋8、竖向肋9、拉结角钢10、L形板11、加劲板12、顶面板13、螺母14、螺杆15所用钢材强度不低于Q355。

所述底面板1宽度不低于0.8m，所述侧立板2高度不低于1.6m，所述翼缘板3宽度不低于0.5m。这些尺寸设置是考虑到内部构造施工的可行性，内部空间不宜过小。

所述纵向角钢5与水平肋8交接处页保持纵向角钢5连续，所述H型钢4与水平肋8交接处保持H型钢4连续，将水平肋8断开成若干段，最大程度保持底部钢材的抗拉能力。

所述斜置角钢6与纵向角钢5夹角为35°～55°。此夹角参数设置是为了保证抗剪效果，应在45度左右，过大过小均不能良好受剪。

所述斜置纵向槽钢7的高度不低于其腹板厚度的4倍，所述水平肋8高度不低于其厚度的的4倍，所述竖向肋9高度不低于其厚度的的4倍。4倍参数的设置是为了界面抗剪设置的，满足现行规范对抗剪连接件的构造要求。

所述拉结角钢10自上而下间距逐渐增加，最小间距不超过250mm。U形钢上部更需要拉结，故上部的拉结角钢10应该更密集，限制最小间距以保证U形钢上部的可靠拉结。对拉结要求更高时，可采用钢板加强拉结角钢，如图4所示。

所述L形加劲板与拉结框架处于同一平面，加劲板12的两直角边垂直焊接于L形板11内侧，L形板11分别焊接于侧立板2和翼缘板3交接处外表面。所述L形板11厚度不低于侧立板2的厚度的0.5倍，所述加劲板12的厚度不低于L形板11厚度的1.5倍。L型板11厚度主要考虑到焊接施工的可行性，加劲板12起到平面外支撑作用不宜过薄。

所述拉接螺栓的螺杆15直径不少于10mm，每侧的拉接螺栓分布不少于2列。拉接螺栓直径不能过小以保证拉结效果，每侧分布不少于2列保证传力可靠。

可见上述参数的设计都是为了解决如何增大U形钢-固废混凝土组合梁抗弯承载力和抗剪承载力、增强其抗裂能力和各部分的连接程度、减小内部大体积混凝土的收缩变形的技术问题的，并不是常规技术手段。

所述顶面板13上开设浇筑孔和透气孔，可连续布置也可仅布置在支座附近的负弯矩段。

所述固废混凝土17为再生混凝土、钢渣混凝土、镍渣混凝土、镁渣混凝土或其它高性能混凝土，强度等级不低于C60。

本发明通过在U形钢底面板上设置若干H型钢和纵向角钢以增强其抗拉能力，从而增大了组合梁的抗弯承载力，通过在U形钢侧立板上设置抗剪桁架以增强其抗剪承载力；通过设置水平肋、竖向肋、抗剪桁架、拉接螺栓以增强钢板和混凝土界面的黏结性能，通过设置H型钢、斜置角钢、纵向槽钢、拉接螺栓和拉结角钢增强抗掀起能力，同时也增强了钢板与内部混凝土的连接；拉结框架和拉结螺栓提升了钢板的约束效果使得内部混凝土处于三相受压状态，并在混凝土受拉位置布置钢板以提升其抗裂能力；对钢材交接处可能出现应力集中的不利部位进行了局部加强；并缓解大体积混凝土的收缩变形问题。

所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁的施工方法如下：

(1)预制工作：在翼缘板3上开设螺栓孔，在顶面板13上开设螺栓孔、浇筑孔和透气孔，将一块底面板1、两块侧立板2和两块翼缘板3焊接成U形钢，在底面板1和侧立板2交接处内侧焊接纵向角钢5，在侧立板2与翼缘板3交接处焊接若干L形加劲板，若干H型钢4纵向焊接于底面板1上侧，若干水平肋8垂直于H型钢焊接于底面板1上侧，若干竖向肋9垂直于水平肋8焊接于侧立板2内侧，若干斜置角钢6交叉焊接于侧立板2内侧，若干拉结角钢10两端分别与两个竖向肋9焊接，若干纵向槽钢7纵向焊接于侧立板2内侧上部，拧紧拉接螺栓下部两个螺母14将螺杆15与翼缘板3固定，以上工作在工厂预制；

(2)现场施工：将组合梁定位在正确位置，完成支撑工程和相邻混凝土板的模板工程，按照设计固定钢筋16并绑扎形成钢筋网，拧紧拉接螺栓上部两个螺母14将顶面板13与拉接螺栓固定，最后通过浇筑孔密实浇筑固废混凝土17并养护至设计强度。

本发明提出了一种具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，通过在传统U形钢-混凝土组合梁中设置复合构造以增大组合梁的刚度和承载力，加强U形钢和混凝土的连接程度以加强组合梁的整体性和共同工作性能，增强U形钢的约束效果使混凝土处于约束状态以提升其受力性能，采用掺入固废资源化材料的固废混凝土，在不显著降低力学性能的情况下，减小混凝土的收缩变形，对固废混凝土的推广使用起到示范性作用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁的施工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)预制工作：在翼缘板(3)上开设螺栓孔，在顶面板(13)上开设螺栓孔、浇筑孔和透气孔，将底面板(1)、两块侧立板(2)和两块翼缘板(3)焊接成U形钢，在底面板(1)和侧立板(2)交接处内侧焊接纵向角钢(5)，在侧立板(2)与翼缘板(3)交接处焊接若干L形加劲板，若干H型钢(4)纵向焊接于底面板(1)上侧，若干水平肋(8)垂直于H型钢焊接于底面板(1)上侧，若干竖向肋(9)垂直于水平肋(8)焊接于侧立板(2)内侧，若干斜置角钢(6)交叉焊接于侧立板(2)内侧，若干拉结角钢(10)两端分别与两个竖向肋(9)焊接，若干纵向槽钢(7)纵向焊接于侧立板(2)内侧上部，拧紧拉接螺栓下部两个螺母(14)将螺杆(15)与翼缘板(3)固定，以上工作在工厂预制；

(2)现场施工：将组合梁定位在正确位置，完成支撑工程和相邻混凝土板的模板工程，按照设计固定钢筋(16)并绑扎形成钢筋网，拧紧拉接螺栓上部两个螺母(14)将顶面板(13)与拉接螺栓固定，最后通过浇筑孔密实浇筑固废混凝土(17)并养护至设计强度。

2.一种具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，包括由底面板(1)、两块侧立板(2)和两块翼缘板(3)组成的U形钢，若干H型钢(4)，若干由纵向角钢(5)、若干斜置角钢(6)和纵向槽钢(7)组成的抗剪桁架，若干由水平肋(8)、两个竖向肋(9)和若干拉结角钢(10)组成的拉结框架，若干由L形板(11)和加劲板(12)组成的L形加劲板，顶面板(13)，若干由螺母(14)和螺杆(15)组成的拉接螺栓，若干钢筋(16)和固废混凝土(17)，

若干H型钢(4)纵向设置于底面板(1)上侧，若干抗剪桁架位于侧立板(2)内侧，若干拉结框架垂直焊接于底面板(1)和侧立板(2)上，若干L形加劲板分别焊接于侧立板(2)和翼缘板(3)外侧，顶面板(13)通过若干拉接螺栓与翼缘板(3)连接，内部放置若干钢筋(16)并密实填充固废混凝土(17)；

所述纵向角钢(5)与水平肋(8)交接处保持纵向角钢(5)连续，所述H型钢(4)与水平肋(8)交接处保持H型钢(4)连续，将水平肋(8)断开成若干段。

3.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述底面板(1)、侧立板(2)、翼缘板(3)、H型钢(4)、纵向角钢(5)、斜置角钢(6)、纵向槽钢(7)、水平肋(8)、竖向肋(9)、拉结角钢(10)、L形板(11)、加劲板(12)、顶面板(13)、螺母(14)、螺杆(15)所用钢材强度不低于Q355。

4.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述底面板(1)宽度不低于0.8m，所述侧立板(2)高度不低于1.6m，所述翼缘板(3)宽度不低于0.5m。

5.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述斜置角钢(6)与纵向角钢(5)夹角为35°～55°。

6.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述纵向槽钢(7)的高度不低于其腹板厚度的4倍，所述水平肋(8)高度不低于其厚度的4倍，所述竖向肋(9)高度不低于其厚度的4倍。

7.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述拉结角钢(10)自上而下间距逐渐增加，最小间距不超过250mm。

8.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述L形加劲板与拉结框架处于同一平面，所述L形板(11)厚度不低于侧立板(2)的厚度的0.5倍，所述加劲板(12)的厚度不低于L形板(11)厚度的1.5倍。

9.根据权利要求2所述的具有复合构造的U形钢-固废混凝土组合梁，其特征在于，所述拉接螺栓的螺杆(15)直径不少于10mm，每侧的拉接螺栓分布不少于2列。

Images