CN114753233A - 一种转角变厚度强化加劲肋及其制造方法和一种桥面结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种转角变厚度强化加劲肋及其制造方法和一种桥面结构，解决了正交异性桥面结构中加劲肋与顶板连接疲劳抗力差的问题，其技术方案要点是包括腹板段、转角段、翼板段，三者由板厚为T的钢板加工而成，转角段包括增厚区和至少一个轧薄区，增厚区的厚度大于T，增厚区位于转角段的中部，所述轧薄区的厚度小于T，所述轧薄区位于转角段靠近腹板段或靠近翼板段一侧。通过创新构造的加劲肋构造，改变了传统拉应力、压应力和剪应力三类复杂应力作用于同一条转角焊缝的受力状态，形成了受力清晰，各司其职的良好构造，从而提高了加劲肋与顶板连接的抗疲劳性能，同时本申请提供了一种包含上述加劲肋的桥面结构。

Description

一种转角变厚度强化加劲肋及其制造方法和一种桥面结构

技术领域

本申请涉及桥梁工程领域，尤其是一种加劲肋纵肋及其制造方法，以及一种桥面结构。

背景技术

正交异性钢桥面板因其重量轻、承载力好等众多优点而广泛应用于桥梁工程，尤其是大跨径桥梁中。但其服役期间，不断的出现疲劳开裂、进一步导致铺装层开裂问题，自正交异性钢桥面板问世以来，一直是国际国内桥梁行业头痛不已的典型行业顽症，良好的受力性能与高疲劳病害风险之间的矛盾至今无法调和。研究开发高性能正交异性钢桥面板，即主要通过构造细节的优化和改进，提高构造细节的疲劳抗力，通过多个构造细节的系统优化，提高正交异性钢桥面板的综合疲劳性能，成为现今研究正交异性钢桥面板疲劳问题的重点发展方向。

正交异性钢桥面板的疲劳开裂主要出现在连接部位，如顶板与加劲肋的焊接连接处，纵向加劲肋与横向加劲肋的连接处。传统正交异性钢桥面板因其构造形式，具有大量焊缝，鉴于焊接初始缺陷存在的客观性，焊接细节疲劳开裂概率大，风险高。

通用的抵抗疲劳的方法是增加截面，增加截面包括增加加劲肋板厚或增加连接处的焊缝截面。有研究者从增加焊缝截面的角度出发，如近年来提出的纵肋与顶板的双面焊，或者通过纵肋腹板端部镦厚，来增加连接处局部的截面，从而来提高焊接强度，以解决疲劳问题。出于减少焊缝数量的角度出发来改善传统正交异性钢桥面板的疲劳性能，日本桥梁建设协会于1999年提出了一种将纵肋开口宽度由传统正交异性钢桥面板中常用的300mm增大至440～450mm，横隔板间距由原有的2.5m～3.5m增大至4～6m的大纵肋正交异性钢桥面板结构，引入该大纵肋后，尺寸变大，焊缝数量减少。

不论是大纵肋还是双面焊，亦或是端部镦厚的纵肋，正交异性钢桥面板受力性能、疲劳问题虽有一定的改善，但仍存在以下问题：

1、通过增大焊接截面会进一步增加热输入量，形成更大的热影响区、残余应力和变形。钢桥面板疲劳易损细节的局部受力特性并未发生实质改变，如纵肋与顶板焊接的构造细节，在轮载作用下，纵肋侧壁与顶板的开合角反复变化，加上该处长焊缝焊接初始缺陷存在的客观性，导致该区域转角区域焊缝应力幅较大的问题依然存在，疲劳问题并没有解决。

2、大尺寸纵肋由于高度，腹板抗屈曲的要求增大，为满足腹板高厚比的要求，腹板通常要增加厚度，增大纵肋间距，同时为了保证顶板的跨厚比，保证横向刚度，顶板的厚度也要相应增加，因此大纵肋虽然纵肋数量减少，但板厚增加，用钢量上并无优势，如何通过纵肋细节构造的创新，采用尽量小板厚的钢板制造尽量高的纵肋，也成为纵肋研究的一大方向。

发明内容

本申请的发明目的是为了解决正交异性桥面结构中加劲肋与顶板连接疲劳抗力差的问题，提供一种转角变厚度强化加劲肋及其制造方法，通过加劲肋腹板段上部设置转角段和翼板段，并在转角段侧边形成轧薄区域的创新构造，改变了传统拉应力、压应力和剪应力三类复杂应力作用于同一条转角焊缝的受力状态，形成了受力清晰，各司其职的良好构造，从而提高了加劲肋与顶板连接的抗疲劳性能，同时本申请提供了一种包含上述加劲肋的桥面结构。

为了实现上述发明目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请第一方面提供了一种转角变厚度强化加劲肋，包括腹板段、转角段和翼板段，所述腹板段与翼板段由转角段相连，所述腹板段与翼板段夹角为Φ，所述腹板段、转角段、翼板段由板厚为T的钢板加工而成，所述转角段至少包括一个轧薄区，所述轧薄区的厚度小于T，所述轧薄区位于转角段靠近腹板段或靠近翼板段一侧。

作为优选，所述轧薄区不等厚，轧薄区的最小厚度为t2，t2≤0.9T。既能够满足轧薄区的变形需要，同时轧薄区厚度渐变，能够防止其与相邻的腹板段或翼板段的截面突变而成为疲劳开裂的诱因。

作为优选，所述转角段还包括增厚区，所述增厚区的厚度大于T，增厚区位于转角段的中部。在受载时，位于转角段中部的增厚区，主要承担压应力，增大该处厚度有利于增大加劲肋腹板段沿中心线方向到顶板底面的投影面积，即承托面积，有效增强该区域的承压性能，避免腹板段受压时屈曲或失稳。

作为优选，所述增厚区不等厚，增厚区的最大厚度为t1，t1≥1.1T。增厚区的最大厚度t1≥1.1T能够满足承托需要。

作为优选，所述增厚区内外轮廓均为圆弧形，外轮廓半径为R，内轮廓半径为r，R-r＜T。在普通的转角折弯成型中，内轮廓转角半径与外轮廓转角半径通常差值为1倍板厚T，当R采用小半径时，转角内轮廓半径r将成为硬死角，不利于材料和构造的连续性，转角段会发生纤维状裂纹的成型缺陷。本申请R-r＜T，突破了传统转角的1个板厚T的常规做法，既能起到该转角的顺畅过渡，更能强化此转角，增强了加劲肋受压的稳定性。

作为优选，所述加劲肋为闭口肋，且95°≤Φ≤120°。闭口肋截面惯性矩大，抗弯扭的性能好，通用设计主要因顶板与加劲肋焊缝敏感原因，限制了加劲肋效能的发挥，当转角段强化后，大幅提高了加劲肋的抗疲劳性能，降低了纵肋转动的敏感性，加劲肋高厚比能够突破传统40:1的限制，正交异性钢桥面板采用薄壁、高、大的肋成为现实。

作为优选，所述加劲肋为开口肋，且85°≤Φ≤95°。开口肋相对于闭口肋，与顶板的连接更加便捷。

本申请第二方面，提供了一种上述加劲肋的制造方法，包括以下工艺：

a、钢板下料：将板厚为T的钢板按加劲肋展开宽度尺寸切割下料；

b、折弯成型：通过多道压辊将钢板按照加劲肋的断面进行折弯成型，加劲肋包括腹板段、转角段和翼板段；

c、轧制轧薄区：采用变厚度轧制工艺轧制转角段，使转角段一侧或两侧形成板厚小于T的轧薄区；

d、切割出指定长度的加劲肋。

作为优选，所述变厚度轧制工艺为通过两端直径不相等的轧辊进行轧制，且轧辊的小端靠近转角段中部，轧辊的大端靠近转角段外侧，轧辊的轴心线垂直于加劲肋行进方向，在轧制轧薄区的同时母材向转角段中部挤压，转角段中部形成板厚大于T的增厚区。直径大的一端外侧的线速度大，直径小的一端在内侧，因为线速度小，有迟滞效应，把两侧的材料往转角中心挤压，同时形成了轧薄区和增厚区。

本申请第三方面，提供了一种桥面结构，包括顶板和上述的加劲肋，且所述翼板段与顶板的下表面贴合并固定连接。

作为优选，腹板段厚度的中心线与顶板下表面的交点为A，A位于顶板与加劲肋相贴合的区域内。不仅能够避免A点悬空带来的腹板段所受压力的受力方向偏离腹板段中心线，造成附加弯矩，而引起腹板段在受压时屈曲或失稳，同时，增大了加劲肋腹板段沿中心线方向到顶板底面的投影面积，即增大了腹板段的承托面积，有利于提高构件的承压性能。

作为优选，所述翼板段通过螺栓连接与顶板固定连接。螺栓连接适合钢混组合结构的桥面，螺栓上端固结在混凝土层内，既可以加强混凝土层与刚顶板的结合力，进一步能够防止螺栓在反复轮载下松动。同时，螺栓连接各个连接点之间相互独立，相邻螺栓沿加劲肋长度方向可以采用不同的间距，满足加劲肋在正常段、支座段、横肋段不同复杂应力的匹配。

与现有技术相比，上述技术方案具有如下有益效果：

1、加劲肋与顶板焊接的位置为应力敏感区域，加劲肋受力扭转、面外变形等造成加劲肋与顶板的夹角不断开合变化，容易在转角处萌生裂纹，传统加劲肋或纵肋在该处进行焊接，焊缝极易开裂。本申请设置翼板段，通过翼板段与顶板连接，将连接位置远离转角所在的应力敏感区，独辟蹊径地用母材成型转角承担在服役过程中的主应力及开合角的转动应力，母材抗拉、压、剪时的抗疲劳性能远大于焊缝，降低了转角开裂风险。

2、进一步地，本申请创造性地将转角段一侧或两侧轧薄，将转动中心向轧薄区偏移，使轧薄区自动成为拉应力和应变的响应区，从而减少了翼板段上的连接点处的拉应力和应变，使该连接点几乎成为一个纯受剪力的结点，不论该连接点是焊缝连接还是螺栓连接，均提高了疲劳强度。位于转角段中部的区域作为腹板的延长线主要用来承担压应力。总之，通过上述创新构造，本申请将传统加劲肋转角工作环境中拉应力、压应力和剪应力三类复杂应力作用于一个节点(通用设计中均由一条转角焊缝承担)的工作情况，转变为压应力由加劲肋腹板段的承托面承担，加劲肋转动所引起的拉应力由轧薄区承担，剪应力由翼板段上的连接点承担的受力结构，形成了受力清晰，各司其职的良好构造。

附图说明

图1为本申请实施例1桥面结构的立体结构示意图；

图2为本申请实施例1桥面结构的局部结构示意图；

图3为本申请实施例1桥面结构的局部结构示意图；

图4为本申请实施例1作为对比结构的转角段构造的示意图；

图5为本申请实施例1桥面结构翼板段与顶板连接点位于翼板段中部的结构示意图；

图6为本申请实施例1中加劲肋的结构示意图；

图7为图6的局部放大图；

图8为本申请实施例2的加劲肋为开口肋的结构示意图；

图9为本申请实施例3转角段变厚度工艺的示意图；

图10为本申请实施例4中桥面结构的示意图。

附图标记：1、腹板段；2、转角段；21、增厚区；22、轧薄区；3、翼板段；31、连接孔；4、顶板；5、轧辊；6、螺栓组件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步描述。需要说明的是，在本申请的描述中，术语“横向”，“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，并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申请的限制。

实施例1：

如图1所示，实施例1提供了一种钢桥面结构，包括转角变厚度强化加劲肋和顶板4。翼板段3与顶板4的下表面贴合并固定连接。

如图1和图6所示，加劲肋为闭口肋，加劲肋包括腹板段1、转角段2、翼板段3，腹板段1与翼板段3由转角段2相连。腹板段1与翼板段3夹角为Φ，且95°≤Φ≤120°。腹板段1、转角段2、翼板段3由一块板厚为T等厚钢板加工而成，腹板段1和翼板段3均为等厚平板，其板厚为钢板板厚T。

如图2、3和图7所示，转角段2包括至少一个轧薄区22，轧薄区22的厚度小于加劲肋腹板段1或翼缘段3的板厚T，转角段2还包括增厚区21，增厚区21的厚度大于T，增厚区21位于转角段2的中部，，轧薄区22位于转角段2靠近腹板段1或靠近翼板段3一侧。

如图2、3，增厚区21不等厚，增厚区21内外轮廓均为圆弧形，外轮廓半径为R，内轮廓半径为r，R-r＜T，在普通的转角折弯成型中，内轮廓转角半径与外轮廓转角半径通常差值为1倍板厚T，此时，当R采用小半径时，转角内轮廓半径r将成为硬死角，不利于材料和构造的连续性，转角段会发生纤维状裂纹的成型缺陷。本申请实施例中R-r＜T，既能起到该转角的顺畅过渡，更能强化此转角。本结构中，增厚区21主要承受压应力，为了进一步满足承托需要，增厚区21的最大厚度t1≥1.1T。

同时，为了同时满足轧薄区22的变形需要以及轧薄区22与相邻的腹板段1或翼板段的平顺过度，轧薄区22的板厚为不等厚，且最小厚度t2≤0.9T。

如图3所示，腹板段1厚度的中心线与顶板4下表面的交点为A，A位于顶板4与加劲肋相贴合的区域内。如图4所示为另一种转角构造，作为与本申请的一种对比，图4中交点A不在加劲肋与顶板的贴合区域内，即腹板段1的中心线延伸至顶板4底部悬空，受压时该处将产生附加弯距，容易发生局部的屈曲，最终导致整个加劲肋失稳。

在本申请实施例中，加劲肋顶端设置翼板段3，用翼板段3与顶板4连接，如图1和图5为两种焊接方式，图1中焊接位于翼板段3的外缘，图5则连接点位于翼板段3的中部，通过摩擦焊盘进行摩擦焊，焊接强度更高，以上两种两种方式常结合使用，图1在边缘贴脚焊更适合作为辅助焊接。传统设计中，加劲肋端部直接与顶板焊接，焊接的位置位于加劲肋腹板和顶板两个平面相交的转角区域为应力敏感区域，加劲肋受力扭转、面外变形等造成加劲肋与顶板的夹角不断开合变化，容易萌生裂纹。本实施例独辟蹊径地用加劲肋母材的成型转角承担在服役过程中的主应力及开合角的应力，增强和提高抗疲劳致损力的最佳构造是让母材来代替焊缝承担变幅应力，即“没有焊接才是最佳焊接构造”。当然，由成型转角承担压应力及开合角的转动应力，其核心和关键点是要科学合理地控制转角段4处的构造。

本申请中翼板段3是连接加劲肋和顶板4的关键部位，翼板段3保持一定的宽度，其目的就是要让应力和应变离开转角部位，但由于加劲肋有厚度，自然有刚度，其应力和应变仍然会作用于翼板段3上的连接点(不论是焊接还是螺栓连接)处。因而，本申请采用以柔克刚的思路，将转角段2的一侧或两侧轧薄，自动形成了应力和应变的响应区，使转角变形大部分在轧薄区21发生，从而减少了翼板段3上的连接点处的拉应力和应变，众所周知，拉应力是引起疲劳的主要因素，减少了连接点拉应力的工作环境，使该连接点几乎成为一个纯受剪力的结点，不论该连接点是焊缝连接还是螺栓连接，均提高了疲劳强度。

另外，将轧薄区22的材料往转角段2的中部挤，形成增厚区21，其厚度大于原始板厚T，形成了转角内外轮廓半径的差值小于T通常内外半径差值为T的构造，以保证腹板段1的中心线与上部顶板4有实体交点，增大了加劲肋腹板段沿中心线方向到顶板4底面的投影面积，即增大了腹板段1的承托面积，避免腹板段1在承载过程中的面外变形及附加弯矩，而导致腹板段1在受压时屈曲或失稳。还起到了增强转角顺畅过渡作用，增强转动过程中的吸能效果，使之有利于提高构件在转角处的抗疲劳性能。

总之，本申请将传统加劲肋转角工作环境中拉应力、压应力和剪应力三类复杂应力作用于一个节点通用设计中均由一条转角焊缝承担，通过上述创新构造，压应力由加劲肋腹板段的承托面承担，加劲肋转动所引起的拉应力由轧薄区22承担，加劲肋腹板与顶板存在偏角，所引起的分力为剪应力，由翼板段3上的连接点承担，形成了受力清晰，各司其职的良好构造。对于提高加劲肋运营寿命产生了积极效果。

实施例2：

如图8，实施例2提供了一种转角变厚度强化的开口肋构造，腹板段1和翼板段3的夹角φ，85°≤Φ≤95°。

实施例3：

实施例3提供了上述实施例中转角变厚度强化加劲肋的制造方法，包括以下工艺：

a、钢板下料：将板厚为T的钢板按加劲肋展开宽度尺寸切割下料。

b、折弯成型，沿钢板行进方向布置多对压辊，按加劲肋的横断面形状将钢板逐步折弯成型，加劲肋包括腹板段1、转角段2和翼板段3。

c、采用变厚度轧制工艺轧制转角段2，如图9所示，通过两端直径不相等的轧辊5进行轧制，轧辊5的小端靠近转角段2中部，大端靠近转角段2外侧，轧辊5的轴心线垂直于加劲肋行进方向。由于轧辊5近转角处直径减少，远转角处直径加大，钢板上下的锟道作相反运动，带动加劲肋向前运动，利用轧辊5不等径的轧制线速度差，在轧制轧薄区22的同时，形成向转角中心区内捏笼，使转角段2中部形成板厚大于T的增厚区21，转角段2一侧或两侧形成板厚小于T的轧薄区22。

d、按指定长度切断得到所需的加劲肋。

本申请中，加劲肋由压辊连续辊压折弯成型，相对于钢坯热轧成型，虽然热轧加工各种断面的钢结构均有可能，但该制造方法设备投入大，成本高昂，需要有量的支撑，只适合用于一些标准型材的加工，类似于H型钢，槽钢等类似量大的标准件。加劲肋通常是定制产品，即使现在普遍采用U肋或梯形肋等闭口纵肋，其结构尺寸也常根据实际情况变化进行调整。因此，实际生产中，采用等厚钢板折弯形成肋型更符合实际。

本申请实施例在转角段2折弯的同时，变厚度地轧制转角段2，将转角段2两侧或一侧轧薄，通过锥台状的轧辊5将材料向中间挤压，形成增厚区21，通过厚度变化，将转角转动的拉应力和压应力的受力点分离，增厚区主21要承担压应力，轧薄区22承担拉应力，强化了转角段2的性能结构。通用设计主要因顶板与加劲肋焊缝敏感原因，限制了加劲肋效能的发挥，实际上6mm厚的加劲肋腹板，在下部支撑稳定的条件下，其加劲肋失稳的极限荷载可达900KN以上。当加劲肋与顶板4焊缝敏感问题解决之后，加劲肋能够突破传统结构高厚比不超过40:1的限制，正交异性钢桥面板采用薄壁、高大肋成为可能。

实施例4：

如图10所示，实施例4与实施例1的区别在于，实施例4中翼板段3通过螺栓连接与顶板4固定连接。翼板段3内开设连接孔31，顶板4也相应开孔，通过穿设螺栓组件6，将加劲肋与顶板4连接。螺栓连接适合钢混组合结构的桥面，由于顶板上方要铺设混凝土层，螺栓上端固结在混凝土层内，既可以加强混凝土层与刚顶板4的结合力，同时进一步能够防止螺栓在反复轮载下松动。同时螺栓连接各个连接点之间相互独立，相邻螺栓沿加劲肋长度方向可以采用不同的间距，满足加劲肋在正常段、支座段、横肋段不同复杂应力的匹配。

钢结构和组合结构领域不比其它行业，鲜有很炫酷的黑科技，本专利虽采用材料普通，但也正是因通用材料，通过要素优化组合、工艺突破等等创新，达到在平凡中构建巧妙和效率的成果，在实际生产经营中易采购，成本低，创新价值反而更高。

以上所述是本申请的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种转角变厚度强化加劲肋，包括腹板段(1)、转角段(2)和翼板段(3)，所述腹板段(1)与翼板段(3)由转角段(2)相连，所述腹板段(1)与翼板段(3)夹角为Φ，所述腹板段(1)、转角段(2)、翼板段(3)由板厚为T的钢板加工而成，其特征在于：

所述转角段(2)至少包括一个轧薄区(22)，所述轧薄区(22)的厚度小于T，所述轧薄区(22)位于转角段(2)靠近腹板段(1)或靠近翼板段(3)一侧。

2.根据权利要求1所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述轧薄区(22)不等厚，轧薄区(22)的最小厚度为t2，t2≤0.9T。

3.根据权利要求1所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述转角段(2)还包括增厚区(21)，所述增厚区(21)的厚度大于T，增厚区(21)位于转角段(2)的中部。

4.根据权利要求3所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述增厚区(21)不等厚，增厚区(21)的最大厚度为t1，t1≥1.1T。

5.根据权利要求3所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述增厚区(21)内外轮廓均为圆弧形，外轮廓半径为R，内轮廓半径为r，R-r＜T。

6.根据权利要求1所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述加劲肋为闭口肋，且95°≤Φ≤120°。

7.根据权利要求1所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：所述加劲肋为开口肋，且85°≤Φ≤95°。

8.一种权利要求1所述的转角变厚度强化加劲肋的制造方法，其特征在于，包括以下工艺：

a、钢板下料：将板厚为T的钢板按加劲肋展开宽度尺寸切割下料；

b、折弯成型：通过多道压辊将钢板按照加劲肋的断面进行折弯成型，加劲肋包括腹板段(1)、转角段(2)和翼板段(3)；

c、轧制轧薄区(22)：采用变厚度轧制工艺轧制转角段(2)，使转角段(2)一侧或两侧形成板厚小于T的轧薄区(22)；

d、切割出指定长度的加劲肋。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述变厚度轧制工艺为通过两端直径不相等的轧辊(5)进行轧制，且轧辊(5)的小端靠近转角段(2)中部，轧辊(5)的大端靠近转角段(2)外侧，轧辊(5)的轴心线垂直于加劲肋行进方向，在轧制轧薄区(22)的同时母材向转角段(2)中部挤压，转角段(2)中部形成板厚大于T的增厚区(21)。

10.一种桥面结构，包括顶板(4)和权利要求1-7任一项所述的转角变厚度强化加劲肋，其特征在于：且所述翼板段(3)与顶板(4)的下表面贴合并固定连接。

11.根据权利要求10所述的桥面结构，其特征在于：腹板段(1)厚度的中心线与顶板(4)下表面的交点为A，A位于顶板(4)与加劲肋相贴合的区域内。

12.根据权利要求10所述的桥面结构，其特征在于：所述翼板段(3)通过螺栓连接与顶板(4)固定连接。

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