CN117107989A - 冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁及施工方法 - Google Patents
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Abstract
冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁及施工方法，适用于大跨度钢框架结构体系，包括位于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管、中间段波纹腹板和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管。冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，包括位于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）、中间段波纹腹板（2）和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3），上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（2）之间设置波纹腹板（3）；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管内部穿有预应力钢索（4）；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3）的两端各设有两个锚具（4）。本发明具有高承载力和高刚度等优良的受力性能，尤其是大跨度钢结构体系，具有自重轻,承载力高和跨度大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构技术，钢结构建筑领域。具体适用于大跨度钢框架结构体系的梁、板截面形式，应用于建筑支撑结构技术领域。
背景技术
钢结构框架体系常常被应用在跨度为18米以上的大跨度建筑结构中，对于跨度较大的结构或者有大空间需求的结构，必须加大框架梁的梁高和梁宽，普通的实腹式H形截面钢梁的自重往往都会成为结构的主要荷载来源。为了承受如此大截面尺寸的框架梁传递过来的力，就要加大柱子的截面尺寸。该做法会导致严重的材料浪费，而且不利于结构受力。
波纹腹板钢结构是由冷轧成型的波纹钢板与边缘构件共同组成的一类型钢结构。波纹腹板H型钢与平腹板H型钢相比，突破了传统腹板高厚比的限制，高而薄的波纹腹板与翼缘板焊接形成的工形构件，能有效地提高截面的抗弯承载效率，其波纹腹板的抗剪屈曲荷载也往往高出同厚度平腹板几倍到几十倍，增加了腹板的局部稳定性。
波纹腹板H型钢梁在梁的两端支座处腹板剪力最大,对于跨度较大的结构或有大空间需求的结构中，中间段波纹腹板有可能通不过剪力验算;而且由于中间段波纹腹板不能提供平面内的惯性矩,使梁的刚度相比平腹板较弱,跨中挠度则会偏大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁,以解决中间段波纹腹板刚度弱跨中挠度偏大的问题，进一步提高梁刚度，降低钢结构建筑的造价。
本发明是冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁及施工方法，冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，包括位于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管1、中间段波纹腹板2和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管3，上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管1和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管2之间设置波纹腹板3；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管内部穿有预应力钢索4；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管3的两端各设有两个锚具4。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁的施工方法，下段翼缘矩形钢管3为空心钢管，在钢管内穿入预应力钢绞线4通过后张法进行张拉，其步骤为：
第一步，在底部放置垫块，将所述的预应力波纹腹板组合梁放置在垫块上方，下段翼缘矩形钢管3的底部接触垫块。在下段翼缘矩形钢管3内穿入预应力筋4，预留灌浆孔洞6，并支临时模板。
第二步，向下段翼缘矩形钢管3内浇筑普通混凝土或轻质混凝土，待混凝土达到设计强度的75%以上时，方可对预应力筋4进行张拉。
第三步，在下段翼缘矩形钢管3两端安装锚具5，利用张拉工具对预应力筋4进行张拉，张拉结束后切除多余钢绞线。
第四步，通过孔洞6，对下段翼缘板矩形钢管内部的空隙部位浇灌普通混凝土或轻质混凝土，使预应力筋4与和混凝土构件成为形成整体。灌浆结束后封锚保护。
与传统装配式钢结构体系中的装配式钢梁相比,本发明具有以下几个优点：本发明采用下段翼缘矩形钢管3内施加预应力钢索结构，可以在保证装配式组合梁承载能力的前提下,有效地减轻装配式组合梁的自重增加装配式组合梁的跨度,使本发明更适用于大跨度和多高层装配式钢结构体系之中。
本发明的下段翼缘3采用冷弯薄壁矩形钢管内填充混凝土，在减少用钢量的同时来限制矩形钢管由于薄壁而容易在受压状态下发生的局部屈曲。下段翼缘矩形钢管3对混凝土的约束作用可以更好的发挥混凝土的抗压能力，从而提高钢材的利用率。
本发明采用下段翼缘矩形钢管3内施加预应力钢索结构，可以明显提高波纹腹板组合钢梁的抗剪强度。当建筑物所施加荷载较大时，本发明下段翼缘矩形钢管3内施加预应力钢索结构，并在下段矩形钢管3内填充混凝土可以承担大部分的弯矩，中间段波纹腹板2可以承担大部分的剪切应力，使得结构更加安全，更大程度提高结构的承载力。
本发明采用下段翼缘矩形钢管3内施加预应力钢索结构和中间段为波纹腹板的形式,进一步减少了钢材的用量，增强了结构的安全性和实用性，同时，更加适合跨度较大的结构或者有大空间需求的结构。
本发明适用范围广，可以在广泛用在建筑和桥梁上，本发明可以实现大规模工业化生产和现场快速装配能力。
附图说明
图1是本发明钢管预应力波纹腹板组合梁的结构示意图，图2是本发明钢管预应力波纹腹板组合梁的主视示意图，图3是本发明钢管预应力波纹腹板组合梁的左立面视示意图，图4为本发明钢管预应力波纹腹板组合梁局部放大示意图，图5是图1的纵向剖面示意图，图6为本发明钢管预应力波纹腹板组合梁波纹腹板波形示意图，其中,1-上段上翼缘矩形钢管、2-中间段波纹腹板、3-下段下翼缘矩形钢管、4-预应力钢索及锚具、5-封板。
实施方式
本发明是冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁及施工方法，冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，包括位于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管1、中间段波纹腹板2和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管3，上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管1和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管2之间设置波纹腹板3；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管内部穿有预应力钢索4。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，上段翼缘板1和下段翼缘板3均采用冷弯薄壁矩形钢管；中间段腹板2为冷轧成型的波纹钢板，中间段波纹腹板2水平焊接在上段翼缘薄壁矩形钢管1和下段翼缘薄壁矩形钢管3之间。
以上所述的一种冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，中间段波纹腹板2与上段翼缘薄壁矩形钢管1和下段翼缘薄壁矩形钢管3的长度相同；中间段波纹腹板3的厚度一般在1～3mm之间。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，所述预应力钢索,或者为预应力筋4，是一根或者多根。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，下段翼缘矩形钢管3内穿入预应力钢绞线4进行张拉张拉锚固，下段翼缘矩形钢管3内预应力筋的长度大于24米时建议采用两端张拉计算公式进行计算：
，
不足24米时建议采用一端张拉公式进行计算：
，
式中，ΔLp为预应力筋张拉伸长计算值单位为：mm ,σpt 为张拉控制应力扣除锚口摩擦损失后的应力值单位为MPa，e为常数，取值2.71828，μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数，θ为预应力筋曲线两段切线夹角，单位为rad，k为孔道每米长度局部偏差产生的摩擦系数，L为预应力筋张拉端至固定端的长度，可近似取预应力筋在纵轴上的投影长度， Ep为预应力筋弹性模量，单位为MPa。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管1和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管3的截面面积分别通过下式计算：
，
，
式中，A1为上翼缘冷弯薄壁矩形钢管1的截面面积，A2为下翼缘冷弯薄壁矩形钢管3的截面面积；b1，h1，t1分别为上翼缘冷弯薄壁矩形钢管1的宽度、高度和冷弯薄壁矩形钢管厚度；b2，h2，t2分别为下翼缘冷弯薄壁矩形钢管的宽度、高度和冷弯薄壁矩形钢管厚度。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，中间段波纹腹板2的弯曲承载力应满足下列要求：
在绕强轴的弯矩作用下，构件截面强度应按下式计算：，
对于双向受弯构件，其强度计算公式为：
，
Mx，My为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，γx，γy为截面绕强轴和弱轴的塑性发展系数，对H型截面分别取为1.0、1.2；Wnx，Wny分别为对x轴和y轴的净截面模量；f为钢材抗弯强度设计值。
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁的施工方法，下段翼缘矩形钢管3为空心钢管，在钢管内穿入预应力钢绞线4通过先张法进行张拉，其步骤为：
第一步，在底部放置垫块，将所述的预应力波纹腹板组合梁放置在垫块上方，下段翼缘矩形钢管3的底部接触垫块。在下段翼缘矩形钢管3内穿入预应力筋4，预留灌浆孔洞6，并支临时模板；
第二步，向下段翼缘矩形钢管3内浇筑普通混凝土或轻质混凝土，待混凝土达到设计强度的75%以上时，方可对预应力筋4进行张拉；
第三步，在下段翼缘矩形钢管3两端安装锚具5，利用张拉工具对预应力筋4进行张拉，张拉结束后切除多余钢绞线；
第四步，通过孔洞6，对下段翼缘板矩形钢管内部的空隙部位浇灌普通混凝土或轻质混凝土，使预应力筋4与和混凝土构件成为形成整体。灌浆结束后封锚保护。
下面通过实施例，并结合附图对本发明作进一步说明。如图1至图6所示，本发明由冷轧成型的波纹钢板、冷弯薄壁矩形钢管与边缘构件共同组成的一类新型钢结构构件。
本发明的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，包括位于上段上翼缘矩形钢管1、中间段波纹腹板2和下段下翼缘矩形钢管3。所述上段上翼缘板1和所述下段下翼缘矩形钢管2之间设置所述中间段波纹腹板3。其中,所述上段上翼缘1为冷弯薄壁矩形钢管,下段下翼缘3为冷弯薄壁矩形钢管。上翼缘板和下翼缘板平行，波纹腹板2沿高度方向与上翼缘矩形钢管1和下翼缘矩形钢管3纵平面垂直，且波纹腹板钢梁2的顶部与底部分别与由冷弯薄壁矩形钢管焊接连接，具体根据波纹腹板的厚度和焊接工艺决定。中间段波纹腹板2与上段翼缘矩形钢管1和下段翼缘矩形钢管3的长度相同。下段翼缘矩形钢管3内部预穿有预应力钢索4。其中，中段波纹腹板2的截面形式有多种，包括正弦形、梯形、三角形等。其中，波纹钢腹板2通过自身的“折扇”效应，抗剪切屈服程度较高，能以较小的厚度产生较大的支撑刚度，腹板的高厚比可以达到600。
在实际工程中波纹腹板厚度一般为1-3mm范围内。其中，上段翼缘钢管1和下段翼缘钢管3也可分为矩形钢管、方钢管和圆钢管三种，波纹腹板2和上段翼缘钢管1和下段翼缘钢管2的弧形弯曲度可根据实际情况合理设计。其中，中段波纹腹板2与上段翼缘矩形钢管1和下段翼缘矩形钢管3通过普通焊缝连接，在实际工程中可采用双面角焊缝焊接，对坡口双面焊缝等焊接。其中，本发明中冷弯薄壁型钢管为空心矩形内壁，由于空翼缘管的管壁较薄，在跨度增大刚度不足的情况下，在空翼缘内布置预应力钢绞线的方式减轻钢梁自重，提高刚度。预应力钢绞线的张拉控制应力值大小的确定与预应力的钢种有关。由于预应力混凝土采用的都为高强度钢筋，其塑性较差，故控制应力不能取得太高。下段翼缘钢管3内布置的预应力的钢绞线根据《混凝土结构设计规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力 σcon=0.75。
本发明具有高承载力和高刚度等优良的受力性能,同时，钢管对混凝土的约束作用可以更好地发挥混凝土的抗压能力，从而提高钢材的利用率。
Claims (8)
1.冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，包括位于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）、中间段波纹腹板（2）和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3），其特征在于上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（2）之间设置波纹腹板（3）；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管内部穿有预应力钢索（4）；下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3）的两端各设有两个锚具（4）。
2.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：上段翼缘板（1）和下段翼缘板（3）均采用冷弯薄壁矩形钢管；中间段腹板（2）为冷轧成型的波纹钢板，中间段波纹腹板（2）水平焊接在上段翼缘薄壁矩形钢管（1）和下段翼缘薄壁矩形钢管（3）之间。
3.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：中间段波纹腹板（2）与上段翼缘薄壁矩形钢管（1）和下段翼缘薄壁矩形钢管（3）的长度相同；中间段波纹腹板（3）的厚度一般在1～3mm之间。
4.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：所述预应力钢索,或者为预应力筋（4），是一根或者多根。
5.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：下段翼缘矩形钢管（3）内穿入预应力钢绞线（4）进行张拉锚固；下段翼缘矩形钢管（3）内预应力筋的长度大于24米时建议采用两端张拉计算公式进行计算：
，
不足24米时建议采用一端张拉公式进行计算：
，
式中，ΔLp 为预应力筋张拉伸长计算值单位为：mm , σpt为张拉控制应力扣除锚口摩擦损失后的应力值单位为MPa，e为常数，取值2.71828， μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数，θ为预应力筋曲线两段切线夹角，单位为rad，k为孔道每米长度局部偏差产生的摩擦系数，L为预应力筋张拉端至固定端的长度，可近似取预应力筋在纵轴上的投影长度，Ep为预应力筋弹性模量，单位为MPa。
6.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：
以上所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，上段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）和下段翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3）的截面面积分别通过下式计算：，
，
，，
式中，A1为上翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）的截面面积，A2为下翼缘冷弯薄壁矩形钢管（3）的截面面积；b1，h1，t1分别为上翼缘冷弯薄壁矩形钢管（1）的宽度、高度和冷弯薄壁矩形钢管厚度；b2，h2，t2分别为下翼缘冷弯薄壁矩形钢管的宽度、高度和冷弯薄壁矩形钢管厚度。
7.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁，其特征在于：中间段波纹腹板（2）的弯曲承载力应满足下列要求：
在绕强轴的弯矩作用下，构件截面强度应按下式计算：，
对于双向受弯构件，其强度计算公式为：，
Mx，My为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，γx，γy为截面绕强轴和弱轴的塑性发展系数，对H型截面分别取为1.0、1.2；Wnx，Wny分别为对x轴和y轴的净截面模量；f为钢材抗弯强度设计值。
8.根据权利要求1所述的冷弯薄壁矩形钢管预应力波纹腹板组合梁的施工方法，其特征在于：下段翼缘矩形钢管（3）为空心钢管，在钢管内穿入预应力钢绞线（4）通过后张法进行张拉，其步骤为：
第一步，在底部放置垫块，将所述的预应力波纹腹板组合梁放置在垫块上方，下段翼缘矩形钢管（3）的底部接触垫块；
在下段翼缘矩形钢管（3）内穿入预应力筋（4），预留灌浆孔洞（6），并支临时模板；
第二步，向下段翼缘矩形钢管（3）内浇筑普通混凝土或轻质混凝土，待混凝土达到设计强度的75%以上时，方可对预应力筋（4）进行张拉；
第三步，在下段翼缘矩形钢管（3）两端安装锚具（5），利用张拉工具对预应力筋（4）进行张拉，张拉结束后切除多余钢绞线；
第四步，通过孔洞（6），对下段翼缘板矩形钢管内部的空隙部位浇灌普通混凝土或轻质混凝土，使预应力筋（4）与和混凝土构件成为形成整体；
灌浆结束后封锚保护。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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