CN1809672A - 一种改进的梁 - Google Patents

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Abstract

一种空心卷边槽形梁具有平面梁腹板，并且一对窄矩形横截面的卷边沿所述梁腹板的相反侧面延伸并且垂直于所述梁腹板的一个表面沿相同的方向延伸。当Wf＝(0.3)Db，Wf＝(3.0)Df和Wf＝(30)t时所述截面最优化。

Description

一种改进的梁
技术领域
尽管非排他性地，本发明尤其涉及一种空心卷边槽形梁(channel)，其中沿梁腹板(web)的相反侧面的空心卷边沿相同方向远离梁腹板延伸。
背景技术
纵观历史，工程师一直寻求开发出更便宜和/或更坚固的结构部件，例如用于包括建筑、桥梁、船结构、卡车车体底盘、飞机等在内的所有形式的结构的梁或桁架。
几千年来木材是用于建筑和桥梁中的结构梁的主要材料来源，尤其是最近几个世纪以来，从木材到铸铁到熟铁到软钢进而到复杂的钢合金，取得了翻天覆地的进步。随着结构梁材料的进步制造技术也得到了提高，而这又使工程学的明显进步成为可能。在结构工程学的变化和发展的整个这段时间，历史见证了唯一驱动力的出现，其对自然以及这些变化和发展的方向具有深刻影响。这些驱动力包括了劳动力成本、材料成本，以及更近年代的环境问题。
美国设计专利27394和28864分别图解说明了工字梁和C形槽形梁的早期形式，而美国专利426558图解说明了可能由铸造法制造的空心工字钢(flanged beam)的早期形式。
制造方法的进步于是导致了结构构件在保持结构性能的同时质量减小。美国专利1,377,251描述了一种空心卷边下承梁(flanged throughchannel)的冷轧成形法，而美国专利3,199,174描述了一种通过将分离的金属带焊接在一起来制造和增强工字梁的方法。美国专利4,468,946描述了一种通过弯曲金属带来制造具有Λ形横截面的梁，美国专利4,433,565描述了具有各种横截面形状的金属构件的冷或热成形的制造方法。美国专利3,860,781和俄国发明证书245935都描述了从分离的梁腹板和熔合在一起的卷边条自动制造工字梁。美国专利5,022,210描述了一种铣削木梁，其具有比沿着梁腹板的相反侧面延伸的实心卷边更窄的实心中央梁腹板部分。
如美国专利5,012,626中所描述的，由多个部件制造的组合梁或桁架结构公知地为重量比提供了良好的强度，该专利描述了一种工字梁结构，该工字梁结构具有连接到横向皱褶梁腹板的平面卷边。其它横向皱褶腹梁在美国专利3,362,056和6,415,577中被描述，这两个专利设想矩形横截面的空心卷边构件。带有空心矩形横截面空心卷边的其它横向皱褶腹梁在澳大利亚专利716272和澳大利亚专利申请AU1986-52906中被描述。带有皱褶梁腹板的空心工字钢工字梁的制造方法在美国专利4,750,663中被描述。
尽管现有技术中蕴涵了多种不同构造的结构构件和梁，但是大多数这样的结构部件或梁为构想中的最终特定用途而设计，虽然一些被设计成通用梁以代替传统的热轧工字梁。美国专利3,241,285描述了一种薄铬镍不锈钢的空心装配式梁，该为重量比提供了高强度并且维护成本比桥梁建筑应用中的热轧工字梁更低。被称为“Δ”桁架的另一种类型的装配式桥梁桁架在1964年10月的《AISC工程学杂志(AISCEngineering Jounal)》第132-136页中被描述。在该设计中，通过支撑在中性轴在翼板(flange plate)和梁腹板之间的两侧上延伸梁的全部长度的板，中性轴在翼板的一个或两个同时被加强。
美国专利5,692,353描述了一种组合梁，该组合梁包括被间隔的木块分离的冷轧三角形空心卷边，其被用作预制屋顶和地板。大不列颠联合王国专利GB 2093886描述了一种具有大致J形横截面的冷轧屋顶檩条，而英国专利GB 2102465描述了一种由单个金属条轧制而成的I或H形横截面的梁。国际公开WO 96/23939描述了一种用于支撑建筑物的屋顶的C形横截面檩条，美国专利3,256,670描述了一种带有空心卷边的具有双厚度梁腹板的金属板托梁，所述梁腹板和卷边被打孔以允许托梁结合到浇注混凝土底板结构中。
美国专利6,436,552描述了一种冷轧成形薄金属板结构构件，其具有被梁腹板构件分离的空心卷边。该构件用于充当屋顶桁架或地板托梁中的弦构件。
前述结构构件或梁的例子仅仅反映了持续努力以提供改进梁使之用于更多应用中的一小部分。然而具体而言本发明涉及空心工字钢，空心工字钢的一个例子之前在美国专利426558中被描述。使用工字钢来增加工字钢截面而不增加质量在本领域中是公知的。另一个空心工字钢的早先例子在美国专利991603中描述，在该专利中三角形横截面卷边的自由边缘折回到梁腹板而不会焊接到梁腹板。类似的未焊接空心工字钢在美国专利3,342,007和国际专利WO91/17328中被描述。
美国专利3,517,474和俄国发明证书827723中描述了空心卷边工字钢结构，该结构在卷边和梁腹板之间带有角焊连接。在瑞典专利公开号为444464中描述的挤压铝梁形成有肋式平面梁腹板，并且空心矩形卷边从一个梁腹板面伸出，所述空心卷边由卡在形成于梁腹板的一个面上的分隔接纳肋中的U形挤压件形成。
美国专利3,698,224公开了通过变形焊缝钢管以在间隔的空心卷边之间形成双厚度梁腹板而形成H和I形梁以及带有空心卷边的槽型材。
美国专利6,115,986和6,397,550以及韩国专利申请KR2001077017A描述了冷轧成形薄钢结构构件，所述构件具有空心卷边，并且从每个卷边延伸的缘通过点焊，铆接或夹紧而贴靠梁腹板的面被固定。美国专利6,115,986和6,397,550中描述的梁被用于墙柱，该墙柱允许覆层通过螺丝或钉固定到空心卷边。
英国专利GB 2261248描述了通过挤压或冷轧成形而形成的空心卷边抗扭梯子侧板。
美国专利6,591,576描述了一种空心卷边梁腹板成形结构构件，该构件带有通过压制成形的横截面弯曲的梁腹板，以产生用于机动车辆的纵向弧形缓冲杆增强构件。
尽管上述的多数空心卷边结构构件是在单独过程中通过焊接或类似方法用带有未固定自由边缘或另外公开的固定自由边缘的闭合卷边制造而成，美国专利5,163,225首次描述了一种冷轧方法，其中空心卷边的自由边缘在顺列双焊接过程中被固定到梁腹板的边缘。该梁被称为“Dogbone”(注册商标)梁并且具有大致三角形横截面的空心卷边。美国专利5,373,679描述了一种通过美国专利5,163,225的方法制造的双焊接空心卷边“Dogbone”梁。就是因为这些梁所提供的性价比，轻型更薄截面的热轧通用梁进入市场以反击对传统的I或H形横截面的通用梁的预感挑战。
在美国专利5,163,225中所描述的双焊接“Dogbone”方法的进一步发展在美国专利5,403,986中被描述，该专利涉及空心工字钢的制造，其中不同于美国专利5,163,225中的单个金属带，卷边(一个或多个)和梁腹板(一个或多个)由分离的多个金属带形成。形成空心工字钢的多板带方法的进一步发展在美国专利5,501,053中被描述，该专利教导了一种空心工字钢，该空心工字钢带有在至少一个卷边的纵向延伸的槽孔，以允许一个空心工字钢的卷边套接在相邻梁的空心卷边中，该空心工字钢用于打桩、筑墙、结构屏障等的结构应用。
双焊接“Dogbone”方法的再进一步发展在澳大利亚专利724555和美国设计专利Des 417290中被描述。一种空心工字钢形成为槽型材以用作桁架梁的上弦和下弦，并且装配式梁腹板结构固定在弦构件中的槽窝中。
尽管通常优于其它类似质量的空心工字钢，所述空心卷边“Dogbone”梁在制造和性能方面遇到了许多限制。在制造方面，从传统的管磨机获得的“Dogbone”梁的尺寸范围在下端受到内轧辊的接近限制，而另一方面在大端受到辊架的尺寸限制。与传统的“开式(未焊接)”空心工字钢或传统的角形截面、工字梁、H形梁和槽形梁相比，尽管“Dogbone”梁通常单位质量或单位成本具有增加的承受力，它们也具有令人惊奇的高扭转刚性，因此在更长的长度上抵抗弯曲(侧向)扭转屈曲。这些空心工字钢的失败是由于独特的侧向变形屈曲故障模式，而在其它类似的产品中没有发现所述故障。类似地，尽管在倾斜的内卷边面在一些结构应用中对鸟类和啮齿有害动物产生了良好的阻吓，但是由于卷边破碎，卷边抵抗局部承压损坏的承受力小于诸如工字梁这样的其它梁。另外，由于横截面形状而需要专门的连接接头。
传统上，通常由工程师在参考标准工程表以确定截面效率和承重能力之后在容易获得的“标准”梁的范围内选择用于一种结构的结构梁，所述“标准”梁例如为层叠木板，热轧H、L或I形梁和槽形梁，诸如C、Z、J形檩条的冷轧梁，等等。单位质量的弯曲承受力值越高，截面越有效。该值衡量单位成本的性能，因此允许通过考虑每个产品的单位质量的成本来比较各种梁的成本效率。
当对梁提出特殊性能要求时，成本或成本效率会受到其它因素的支配，并且这常常是设计用于特殊应用的专用梁的动力。另外，如同现有技术如此清晰地所表明的，一直并且继续存在着生产成本效率更高的通用梁的持续需求，与广泛使用的具有各种横截面形状的传统的通用层叠木板梁，热轧I、L和H形梁，热轧槽形梁和冷轧檩梁相比，这种通用梁具有更大的截面效率。大量现有技术“发展”中鲜有适合于广泛使用的例子的这一事实很可能是因为不能同时组合的总成本效率和总截面效率。
本发明的受让人是“Dogbone”双焊接空心工字钢发明的所有权继承者，并且着眼于设计一种空心卷边双焊接冷轧通用梁，对将“Dogbone”型梁结合到一个结构中的实际成本进行了详尽的调查，在制造、操作、运输和最终结合到一个结构中中间，所述通用梁比任何一个现有技术的传统的通用梁在整体上更具成本效率，所述传统技术的通用梁另外地克服了在“Dogbone”梁中认识的若干缺陷，即，连接性和局部负荷下卷边破碎的承受力。
联合分析方法学被提出以用于建筑者、工程师和建筑师评估各种梁剖面的个体产品品质效用。这些关键品质然后被赋值以产生效用等级，各种梁的客户价值分析能够从所述效用等级基于许多产品品质而不仅仅是成本/单位质量和截面效率进行直接比较。从该客户价值效用分析，在软钢和薄规格高强度钢范围的双焊接空心工字钢构造被设计作为诸如I和H形梁的热轧钢梁和热轧槽形梁以及层叠木板梁的潜在替代物。
在关于热轧钢梁考虑的许多品质中，连接性和起重机操作的成本是重要的方面。美国专利6,637,172描述了一种能够连接到热轧结构梁的卷边上的夹具，该专利指出了这种梁的连接性问题。至于涉及木材，可获量减少，长度可用性，白蚁，笔直度和气候恶化种种问题是重要因素，这些因素对客户价值分析产生负面影响。
因此，本发明的目标是克服或减轻现有技术的通用结构梁的至少一些缺点并且提供一种比现有技术的通用结构梁具有更大总客户效用的结构粱。
发明内容
根据本发明的一个方面提供了一种槽形结构梁，其包括：
平面延长梁腹板；和
空心平行卷边侧面卷边，其彼此平行地垂直地从所述梁腹板的一个平面沿其相反侧面延伸，所述空心卷边都沿相同的方向远离所述梁腹板的所述平面延伸，所述梁的特征在于沿垂直于所述梁腹板的所述平面的方向每个所述卷边在其相反端面之间的宽度与所述梁在所述卷边的相反外面之间的高度的比率在0.2-0.4的比值内。
优选地，每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在1.5-4.0的范围内。
合适地，所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在15-50的范围内。
如果需要，每个所述卷边的宽度与所述卷边的高度的比率在2.5-3.5的范围内。
优选地，每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在2.8-3.2的范围内。
每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.25-0.35的比值内。
优选地，每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.28-0.32的范围内。
如果需要，所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在25-35的范围内。
优选地，所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在28-32的范围内。
合适地，所述梁由钢制造。
优选地，所述梁由大于300MPa的高强度钢制造。
如果需要，所述梁可以由不锈钢制造。
所述梁可以由这样一种平面梁腹板构件制造，该平面梁腹板构件带有沿该梁腹板构件的相反侧面连续焊接的空心管状构件以形成空心卷边，每个所述空心卷边具有基本上位于与所述梁腹板构件的外面相同的平面内的端面。
优选地，所述梁由单层钢板制造。
如果需要，所述梁可以通过折叠过程制造。
作为另一选择，所述梁可以通过辊轧成形过程制造。
合适地，空心卷边的自由边缘连续地缝焊到相邻的梁腹板部分以形成闭合空心卷边。
所述空心卷边的所述自由边缘可以连续缝焊到在所述梁腹板的相反边缘中间的所述梁腹板的所述一个面。
作为另一选择，所述空心卷边的所述自由边缘可以沿所述梁腹板的各个侧面边界缝焊。
最优选地，所述结构梁在连续冷轧过程中制造。
合适地，所述空心卷边的所述自由边缘通过非自耗电焊过程连续缝焊。
作为另一选择，所述空心卷边的所述自由边缘通过自耗电极过程连续缝焊。
优选地，所述空心卷边的所述自由边缘通过高频电阻焊接或感应焊接过程连续缝焊。
如果需要，所述结构梁可以由具有防腐涂层的钢板制造。
作为另一选择，在焊接所述卷边的所述自由边缘之后所述结构梁可以涂上防腐涂层。
如果需要，所述卷边可以包括一个或多个加强肋。
合适地，所述梁腹板可以包括多个加强肋。
所述加强肋可以在所述梁腹板的纵向延伸。
作为另一选择，所述加强肋可以在所述梁腹板的横向延伸。
附图说明
为了本发明被更全面地理解并且产生实际效果，现在参考在附图中示出的本发明的优选实施例，其中：
图1显示了根据本发明的典型结构梁的一种典型构造；
图2示意性地显示了图1的空心工字钢的横截面图；
图3示意性地显示了成品梁的一个替代实施例；
图4显示了成品梁的又一实施例；
图5显示了根据本发明的冷轧成形梁的一个构造；
图6显示了根据本发明的冷轧成形梁的一个替代构造；
图7用图表显示了在有效梁长度＝0时本发明的HFC(空心卷边槽形梁)、UB(I形截面的热轧通用梁)、LUB(I形横截面的轻型热轧通用梁)、PFC(热轧槽形梁)、CFC(冷轧C形截面)和HFB(“Dogbone”结构的空心工字钢，即三角形截面卷边)的截面承受力的比较；
图8用图表显示了在长度＝6.0米时相同截面的瞬时承受力；
图9示意性地显示了辊轧成形机(roll forming mill)的构造；
图10示意性地显示了根据本发明的一个方面直接形成梁的流程顺序；
图11示意性地显示了根据本发明的另一个方面形成和成形梁的流程顺序；
图12示意性地显示了通过焊台12的缝辊区17的横截面；
图13示意性地显示了在卷边的闭合点通过焊台12的压辊区18的横截面图；
图14示意性地显示了成形台；
图15示意性地显示了驱动台；
图16示意性地显示了刨削成形台中成形辊的构造；
图17-21示出了根据本发明的梁的灵活性；
图22显示了带有加强卷边和加强梁腹板的空心工字钢；和
图23显示了图22的一个替代实施例。
在所有图中，为了清楚，相同的参考数字恰当地用于相同的特征。
具体实施方式
在图1中，梁1包括在具有矩形横截面的空心卷边3之间延伸的中央梁腹板2。每个卷边3的相对侧面4，5彼此平行并且沿垂直于梁腹板2的平面的相同方向远离梁腹板2延伸。卷边3的端面6，7彼此平行并且端面6位于与梁腹板2相同的平面内。
图2显示图1的梁的横截面图以说明卷边3的宽度Wf，卷边的高度Df，梁的高度Db和制造梁的钢的厚度t之间的关系。
在设计本发明的空心卷边槽形梁的形状中，考虑承受力的优势，使用比典型地用于当前的热轧梁的250-300MPa等级强度更大(350-500MPa)的钢。从一开始这就允许使用更轻规格的钢来产生较轻质量的梁。于是面临的问题是轻规格冷轧梁更多地倾向于承受各种弯曲故障模式并且该范围的弯曲故障模式又引起冲突解决方案的选择，这是因为尽管一个结构建议减小了一个故障模式，它经常引入另一个故障模式。例如，通过将卷边的主体移离所述梁的中性轴，将引入不同的弯曲故障模式。考虑到存在这些冲突，图1和2中所示的空心卷边槽型材的截面被设计成一种精选的折衷并且确定当满足
Wf＝(0.3)Db
Wf＝(3)Df，和
Wf＝(30)t
时获得最佳截面效率。
尽管最佳截面效率是理想的，应当认识到由于辊轧机限制、最终用户尺寸要求等等而需要一些变化的情况。在该文中，卷边宽度比率在下面的范围时可以保持非常好的截面效率
Wf＝(0.15-0.4)Db
Wf＝(0.15-4.0)Df，和
Wf＝(15-50)t。
图3示意性地显示了根据本发明的一种结构梁，其中梁1分别由分离的梁腹板和卷边2，3制造。梁腹板2沿其相反边缘连续缝焊到侧面5和端面6之间的汇合部的半径拐角3a。
可以通过高频电阻或感应焊接在连续操作中形成焊缝8。作为另一选择，可以在MIG，TIG，SMAW，SAW GMAW，FCAW焊接过程，激光或等离子焊接等过程中利用自耗焊接电极(consumable weldingelectrode)在半连续操作中形成焊缝8。在利用半连续自耗焊接电极过程的情况下，考虑到需要焊接后辊轧或矫直过程来消除热引起的变形。连续焊缝8是一种完全焊透焊缝，其产生在卷边3的外侧面4之间延伸的整体成形的平面梁腹板构件2。
尽管与连续冷轧过程相比半连续制造效率很低，但是对于特定尺寸的非标准梁的短期运转来说它具有成本效率。另外，由分离预制的梁腹板和卷边构件制造梁允许使用不同厚度和/或强度的构件。例如，这样一种梁可以包括厚的高强度钢的卷边和较薄的较低等级钢的梁腹板。
图4显示了通过在弯板机或类似装置(未示出)中折叠而由单个金属带成形空心工字钢来制造不连续梁长度的一个替代方法。
典型地，通过相对于端面7逐渐折叠侧面5，然后相对于侧面4折叠端面7，最后相对于梁腹板2折叠侧面4直到自由边缘5a接触如此形成的槽形梁的内表面2a，从而可以形成闭合卷边。完全焊透焊缝8然后形成于自由边缘5a和梁腹板2之间以形成整体结构，并且具有在卷边3的外侧面4之间延伸的连续平面梁腹板构件2。
图5显示了当由连续冷轧过程制造时本发明的梁的一个构造，由于其高成本效率和能够保持小尺寸公差以产生一致质量的梁，因此所述过程是优选的。
在该实施例中，空心卷边3的端面7形成为半径弯曲。尽管可能存在用于该横截面构造的应用，但是该构造的截面效率低于矩形横截面卷边。
作为另一选择，端面7可以被进一步成形以形成具有半径弯曲的平坦端面。
完全焊透焊缝8通过大体在美国专利5,163,225中描述的高频电阻或感应焊接过程形成于侧面5的自由边缘5a和梁腹板2的内表面2a之间。产生的梁是整体成形构件，其依赖于通过在其间延伸的连续梁腹板构件2传递外卷边侧面4之间的负荷的能力。
图6示出了用于形成本发明的冷轧梁的一个替代技术。
在该实施例中，空心卷边3的端面6的自由端6a通过高频电阻或感应焊接焊接到梁腹板2和侧面5之间的半径汇合部10以形成完全焊透焊缝8，这有效地产生了包括端面6和梁腹板2的承重构件的基本连续的平坦外表面2b，由此该承重构件在外卷边侧面4之间延伸。
图7和8分别显示了在L＝6.0米时的截面承受力和瞬时弯曲承受力。几乎热轧槽型材的曲线中平滑度的缺少是由于各种梁腹板高度和卷边宽度的选择，这表明对于基于增加质量的轴上的每个截面具有重叠值。
基于简单的承受力对质量的基础，可以容易地看到热轧通用梁(UB)，轻型通用梁(LUB)和热轧槽形梁(PFC)明显低于诸如带有三角形卷边的“Dogbone”梁这样的冷轧C形檩条截面(CFC)和空心卷边(HFB)梁以及根据本发明的空心卷边槽形梁(HFC)。
选择用于比较的尺寸范围在表1中显示。
表1
  截面  梁腹板(min)  梁腹板(max)
  HFC  125mm  300mm
  UB/LUB  100mm  200mm
  PFC  75mm  250mm
  CFC  100mm  350mm
  HFB  200mm  450mm
所述图表清楚显示了HFC空心卷边槽形梁优于所有其它对比梁的优良截面承受力并且在更长的长度上具有优良的瞬时承受力。
当联合分析分级被应用于被评估的截面时，空心卷边槽形梁优于对比的标准截面的品质产生了惊人地高于UB和LUB热轧I形梁和HFB三角形空心卷边“Dogbone”梁的效用等级。
例如，在表2中用于UB热轧I形梁和本发明的HFC冷轧槽形梁的品质价值的比较中，在价格比UB热轧梁高出60％时HFC梁的累计效用得分大约是UB热轧I形梁的2.5倍。
表2
  品质分类   品质
  选项   价格预涂层
  修整   焊接外观梁卷边长度可用性
  固有的   通过梁的服务对固定件和配件的连接性对钢的连接性对木材的连接性掌握的资源
表3表示与层叠木板梁的效用值比较，其中根据本发明的HFC空心卷边槽形梁的累计效用值大约是层叠木板梁的2.5倍。
表3
  品质分类   品质
  选项修整   价格长度可用性梁轮廓
  固有的   白蚁构件笔直度气候恶化
图9示意性地显示了可以用于制造在图5和6中简化例示的本发明的空心工字钢的辊轧成形机的一种典型构造，所述辊轧成形机包括成形台11，焊接台12和刨削台13。
形成台11包括交替驱动台14和成形辊架15。驱动台14连接到传统的轧机动力传动系统(drivetrain)(未示出)但是替代地利用成形轧辊来帮助成形过程，平圆柱形轧辊被用于在对应于成品梁的梁腹板部分的中心区域中的夹紧钢带16。成形辊架15被形成为分离的一对15a，15b，15a，15b的每个都配备有一组成形轧辊，当通过成形台时所述成形轧辊适于在金属带16的相反侧面上形成空心卷边部分。当成形辊架15a，15b不需要如传统的冷轧成形轧机中那样连接到动力传动系统时，成形辊架15a，15b能够容易地在所述轧机的纵轴的横向被调整以适应各种宽度的空心工字钢。
当形成期望的横截面构造时，成形带16进入焊接台12，其中在有高频电阻或感应焊接(ERW)装置的情况下，引导各个卷边的自由边缘以预定角度接触梁腹板。为了帮助卷边边缘相对于期望焊接线的定位，成形带通过缝导向辊架17被引导到示意性地在17a显示的ERW装置的区域。当梁腹板上的卷边边缘和焊接缝线被加热至熔化温度之后，所述带通过挤压辊架18以推动被加热的部分一起熔合成闭合卷边。被焊接的空心卷边截面然后继续前进并连续通过驱动辊架19和刨削辊架20以形成所述梁的期望横截面形状，并且最终通过用于最终校准的传统的turk’s头辊架21，从而产生根据本发明的双焊接空心工字钢22。由于自由边缘和所述梁腹板最近部分之间的邻近效应，高频ERW过程将电流引入所述带的自由边缘和所述梁腹板的各个相邻区域。由于与卷边的自由边缘相比梁腹板部分中的热能能够在双向消散，因此需要附加的能量来将足够的热量引入梁腹板区域以能够熔合所述自由边缘。
迄今为止已发现通过使用传统的辊轧成形技术和ERW过程，将梁腹板部分加热至熔化温度所需的能量大小导致卷边的自由边缘熔化并且被牵拉到期望的焊接缝线之外。结果该带边缘损失，卷边的横截面面积明显减小并且控制带边缘进入焊点变得更困难。
现在已发现，通过其被加热时使卷边的自由边缘与预期焊接线对准，然后在对应于焊缝附近的梁腹板部分和卷边边缘的区域之间的期望的冲角的方向沿笔直路径推动所述带的自由边缘与被加热的梁腹板区域接触，可以克服前述的困难。该技术所具有的附加优点在于在随后的刨削过程中，当与之相邻的梁腹板部分和卷边边缘的区域之间的冲角被选择成对应于最终横截面梁腹板形状时，焊缝不被刨削所挤压。通过沿该预定轨道引导卷边边缘的自由边缘，当自由边缘扫掠到与期望的焊接线对准时，在焊接台的挤压辊中卷边的旋转所导致的“扫掠”效应避免了将热量引入到远离期望的焊接线的不必要宽路径中的问题。
对高频ERW过程的大大增强控制导致了本发明的双焊接空心工字钢的生产效率的提高和制造公差的提高。
图10和11分别显示了用于成形、焊接和刨削图5和6中所示的空心工字钢的典型的流程形态。导致图6中所示的构造的流程形态在实践中是优选的，这是因为在焊接台的区域中在空心卷边截面之间的槽中积累轧机冷却剂流体的趋势更小。而且，在图6的构造中，对于轧制工焊接的可见度被提高。轧机冷却剂在卷边焊接区域中的积累引起的问题可以通过提供吸嘴和/或机械帘或气帘刮片而被克服，以在焊接台的引入区中保持焊缝没有冷却剂。
另一个选择是颠倒截面轮廓并且在梁腹板外表面之下形成焊缝。
又一个选择是梁的梁腹板朝向垂直或竖直位置操作轧机。
图10示意性地显示了冷轧成形操作中空心卷边的形成，该成形操作被称为通过平钢带30进入轧机的入口点和发生边缘焊接的末级10的直接成形过程。尽管可以在连续冷轧成形过程中焊接，但是焊接稳定性和截面形状的维护非常困难。在辊轧成形过程期间或随后利用自动或半自动过程和/或廉价劳力期间可以通过自耗电极过程焊接直接成形的该类型的空心工字钢。使用自耗电焊过程，很可能需要焊接后矫直过程来消除因较大的热输入而引起的翘曲和局部变形。不管使用自动、半自动或手动焊接过程中的哪一个，为了保持如此形成的梁的最大结构完整性，重要的是利用连续的焊缝来闭合空心卷边结构。
在所示的实施例中，焊接在所示的末级实现并且随后通过轧机的刨削截面的操作仅仅实现了任何翘曲或变形的矫直。
图11a显示了代表在刚好进入轧机的挤压辊之前平面钢带30通过冷轧成形轧机的成形截面在进入点至焊接台中的边缘缝线之间前进的流程，在所述挤压辊处卷边的自由边缘沿着梁腹板2的各自侧面边界接触。
图11b显示了从焊接台中的挤压辊架通过刨削台到达turk’s头最终矫直的前进流程。当所述轮廓通过刨削台时在开始闭合卷边3的刨削期间，需要小心地避免焊缝8附近的塑料铰链的变形，以避免在焊缝自身上施加应力以至于损害梁的结构完整性。
图12示意性地显示了一种焊缝辊架17，其包括支承框架35，一对独立安装的成形支承辊36，36a，成形支承辊36，36a的每个被安装成围绕对准的旋转轴37，37a旋转，和可旋转地安装在各自的倾斜轴39，39a上的缝导向辊38，38a。当刨削后的带16接近焊接台的挤压辊区域时，缝导向辊38，38a用于将带16的自由边缘16a，16b导向成与期望的焊接缝线纵向对准。
图13示意性地显示了挤压辊架18，其包括圆柱形上辊40和带有成形边缘41a的圆柱形下辊41，辊40，41的每一个可旋转地围绕各自的旋转轴42，43被安装。围绕各自的倾斜轴45a，45b可旋转的挤压辊44a，44b适于沿梁腹板2的相反边界将空心卷边3的被加热的自由边缘16a，16b推动到各自的被加热的焊接线区域，以在它们之间实现熔合，从而产生连续的焊缝。
自由边缘16a，16b以垂直于挤压辊44a，44b的各自旋转轴45a，45b的线性方式朝着各自的焊接线被推动而没有横向“扫掠”动作，由此在各自的自由边缘16a，16b与梁腹板2的相反边缘之间在焊缝的期望位置上或位置处保持了稳定的引入“阴影”或路径。
图13a示意性地在模拟中显示了当带16的自由边缘16a，16b被引导到与梁腹板2的边界熔合时挤压辊44a，44b与上和下支承辊40，41的放大透视图。在所示的实施例中，下支承辊41被显示成分离安装的辊构件，每个构件具有成形外边缘41a。
图14示意性地显示了刨削辊架50，其包括可滑动地安装在轧机床52上的独立刨削辊架51。每个辊架51支承一对互补的刨削辊53，54以逐渐为钢带16的外边缘区域赋予形状，所述外边缘区域通常由图11a中所示的成形流程图形显示。
如图所示，刨削辊53，54是不受驱动的空转辊。
图15示意性地显示了驱动辊架60，其可以与图9中所示的成形台11或刨削台13一起使用。
驱动辊架包括安装在轧机床61a上的间隔的侧框架61，侧框架61可旋转地支承上和下从动轴62，63，圆柱形驱动辊64，65分别安装在所述从动轴上，当空心卷边构件被引导通过大致在图9中所示的冷轧机的成形和刨削区域时，以啮合空心卷边构件的梁腹板部分2的上和下表面。通用接头66，67连接从动轴62，63和传统的轧机动力传动系统(未示出)的输出轴68，69。
如果需要，辊架60可以配备带边辊70，71以保持通过轧机的带16对准。所述边辊可以是平圆柱辊或者它们可以具有如图所示的形状。辊70，71可调整地安装到辊架61上以适应各种宽度的空心工字钢。
图16示意性地显示了刨削轧机机座中的刨削辊的构造。
卷边3的刨削受到位于梁腹板2的每个侧面上的各自刨削轧辊75影响。如图所示，卷边3受到来自于辊76和辊77以及辊78的刨削压力，所述辊76被安装成用于在水平轴81上旋转，所述辊77被安装正用于在垂直轴82上旋转，所述辊78被安装成用于在倾斜轴83上旋转。
图17示出了根据本发明的梁的一个应用。
在不能容纳更大宽度的梁的位置需要更大承重能力的情况下，一对梁90可以背对背地通过任何合适的固定件固定，所述固定件例如为间隔的螺母和螺钉组合91，自冲夹紧固定件或类似固定件92或通过梁腹板90a的自钻自攻螺钉93。当安装后，用于公用管道95的托架94可以用螺丝97固定到卷边96。类似地，可以通过用螺丝100或类似物将金属槽型材98固定到卷边99而形成用于缆线的管路，从而形成空心腔101以封入电缆或通信缆102。
图18显示了用作地板托梁的空心卷边槽形梁103。地板托梁103支承在另一个用作支承座的空心卷边槽形梁104上。木地板105通过钉子107或类似物固定到上卷边106，类似地，空心卷边槽形梁的各个卷边106，108的交叉通过由螺丝110锚固的角撑架109固定到各自相邻的卷边106，108。
图19显示了空心卷边槽形梁111和通过螺丝113或类似物固定于那里的角型材112形式的复合结构115。复合结构115因此可以用作横楣形结构以支持在空心砖结构中打开的门或窗，由此砖120可以靠在角型材112上但是另外地通过砖带116固定到槽形梁111的梁腹板114，所述砖带具有锚固在灰浆层117中的波纹部分116a和通过螺丝118锚固到梁腹板114安装接片116b。
图20显示了本发明的空心卷边槽形梁之间的十字接头的形成。
在一个实施例中，空心卷边槽形梁120可以通过角撑架123垂直于类似尺寸的槽形梁122的外面121被固定，所述角撑架通过铆钉、螺丝或任何其它合适的固定件固定到各个梁腹板124，125。
在另一个实施例中，更小的空心卷边槽形梁127套合在槽形梁122的卷边128之间并且通过角撑架129固定在其中，所述角撑架通过螺丝或其它合适的固定件131分别连接到槽形梁122，127的梁腹板125，130。
作为另一选择，槽形梁122，127的相邻卷边128，132可以分别通过由螺丝134固定的角撑架133连接。
在又一个实施例中，相邻卷边128，132可以通过在卷边128和132之间延伸的螺纹固定件135固定。
如果需要，所述卷边的空心内部128a可以用于输送电缆138或类似物。
图21显示了又一组合梁140，其中木梁141通过蘑菇头螺钉148和螺母144固定到梁腹板142的外面以增加截面承受力和/或提供装饰性修整。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，与其它结构梁相比，根据本发明的空心卷边槽形梁不仅提供优良的每米瞬时承受力/质量比率，而且它们提供了连接的方便性，操作的方便性和应用的灵活性，这极大地增强了“可用性”。考虑有助于原位安装价值或成本的所有因素，空心卷边槽形梁提供了高达传统热轧梁和层叠木板梁2.5倍的明显效用，并且所具有的瞬时承受力在更长的长度上允许超过类似尺寸冷轧开式卷边檩的优越性能。
图22显示了根据本发明的空心工字钢的一个替代实施例。
如图所示，所述梁形成有纵向延伸交替肋部150和凹部151以对梁腹板2中的纵向弯曲提供更大的阻力。
如果需要，卷边3也可以在其中形成纵向延伸加强肋152。
图23显示了根据本发明的增强梁腹板空心工字钢的又一实施例。
在该实施例中，横向延伸间隔肋153对梁腹板2中的横向弯曲提供了更大的阻力。
在该说明书和后附的权利要求中，除非文中另外要求，属于“包括”及其变型应当被理解成表示包含叙述的整体或者整体或步骤的组，而不是排除任何其它整体或整体组。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种槽形结构梁，其包括：
平面延长梁腹板；和
空心平行卷边侧面卷边，其彼此平行地垂直地从所述梁腹板的一个平面沿其相反侧面延伸，所述空心卷边都沿相同的方向远离所述梁腹板的一个表面延伸，所述梁的特征在于沿垂直于所述梁腹板的所述平面的方向每个所述卷边在其相反端面之间的宽度与所述梁在所述卷边的相反外面之间的高度的比率在0.2-0.4的比值内。
2.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在1.5-4.0的范围内。
3.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在15-50的范围内。
4.根据权利要求2所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述卷边的高度的比率在2.5-3.5的范围内。
5.根据权利要求4所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在2.8-3.2的范围内。
6.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.25-0.35的比值内。
7.根据权利要求6所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.28-0.32的范围内。
8.根据权利要求3所述的梁，其中所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在25-35的范围内。
9.根据权利要求8所述的梁，其中所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在28-32的范围内。
10.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁由钢制造。
11.根据权利要求10所述的梁，其中所述梁由大于300MPa的高强度钢制造。
12.根据权利要求10所述的梁，其中所述梁由不锈钢制造。
13.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以由这样一种平面梁腹板构件制造，该平面梁腹板构件带有沿该梁腹板构件的相反侧面连续焊接的空心管状构件，每个所述空心卷边具有基本上位于与所述梁腹板构件的外面相同的平面内的端面。
14.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁由单层钢板制造。
15.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以通过折叠过程制造。
16.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以通过辊轧成形过程制造。
17.根据权利要求16所述的梁，其中空心卷边的自由边缘连续地缝焊到相邻的梁腹板部分以形成闭合空心卷边。
18.根据权利要求17所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘连续缝焊到在所述梁腹板的相反边缘中间的所述梁腹板的所述一个面。
19.根据权利要求17所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘沿所述梁腹板的各个侧面边界缝焊。
20.根据权利要求1所述的梁，其中所述结构梁在连续冷轧过程中制造。
21.根据权利要求20所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过非自耗电焊过程连续缝焊。
22.根据权利要求14所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过自耗电极过程连续缝焊。
23.根据权利要求21所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过电阻或感应焊接过程连续缝焊。
24.根据权利要求1所述的梁，其中所述结构梁由具有防腐涂层的钢板制造。
25.根据权利要求21所述的梁，其中在焊接所述卷边的所述自由边缘之后所述结构梁涂上防腐涂层。
26.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁腹板可以包括多个加强肋。
27.根据权利要求26所述的梁，其中所述加强肋在所述梁腹板的纵向延伸。
28.根据权利要求26所述的梁，其中所述加强肋在所述梁腹板的横向延伸。
29.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边包括一个或多个纵向延伸的加强肋。

Claims (29)

1.一种槽形结构梁，其包括：
平面延长梁腹板；和
空心平行卷边侧面卷边，其彼此平行地垂直地从所述梁腹板的一个平面沿其相反侧面延伸，所述空心卷边都沿相同的方向远离所述梁腹板的一个表面延伸，所述梁的特征在于沿垂直于所述梁腹板的所述平面的方向每个所述卷边在其相反端面之间的宽度与所述梁在所述卷边的相反外面之间的高度的比率在0.2-0.4的比值内。
2.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在1.5-4.0的范围内。
3.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在15-50的范围内。
4.根据权利要求2所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述卷边的高度的比率在2.5-3.5的范围内。
5.根据权利要求4所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与每个所述卷边的高度的比率在2.8-3.2的范围内。
6.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.25-0.35的比值内。
7.根据权利要求6所述的梁，其中每个所述卷边的宽度与所述梁的高度的比率在0.28-0.32的范围内。
8.根据权利要求3所述的梁，其中所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在25-35的范围内。
9.根据权利要求8所述的梁，其中所述卷边的宽度与所述梁腹板的厚度的比率在28-32的范围内。
10.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁由钢制造。
11.根据权利要求10所述的梁，其中所述梁由大于300MPa的高强度钢制造。
12.根据权利要求10所述的梁，其中所述梁由不锈钢制造。
13.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以由这样一种平面梁腹板构件制造，该平面梁腹板构件带有沿该梁腹板构件的相反侧面连续焊接的空心管状构件，每个所述空心卷边具有基本上位于与所述梁腹板构件的外面相同的平面内的端面。
14.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁由单层钢板制造。
15.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以通过折叠过程制造。
16.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁可以通过辊轧成形过程制造。
17.根据权利要求16所述的梁，其中空心卷边的自由边缘连续地缝焊到相邻的梁腹板部分以形成闭合空心卷边。
18.根据权利要求17所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘连续缝焊到在所述梁腹板的相反边缘中间的所述梁腹板的所述一个面。
19.根据权利要求17所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘沿所述梁腹板的各个侧面边界缝焊。
20.根据权利要求1所述的梁，其中所述结构梁在连续冷轧过程中制造。
21.根据权利要求20所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过非自耗电焊过程连续缝焊。
22.根据权利要求14所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过自耗电极过程连续缝焊。
23.根据权利要求21所述的梁，其中所述空心卷边的所述自由边缘通过电阻或感应焊接过程连续缝焊。
24.根据权利要求1所述的梁，其中所述结构梁由具有防腐涂层的钢板制造。
25.根据权利要求21所述的梁，其中在焊接所述卷边的所述自由边缘之后所述结构梁涂上防腐涂层。
26.根据权利要求1所述的梁，其中所述梁腹板可以包括多个加强肋。
27.根据权利要求26所述的梁，其中所述加强肋在所述梁腹板的纵向延伸。
28.根据权利要求26所述的梁，其中所述加强肋在所述梁腹板的横向延伸。
29.根据权利要求1所述的梁，其中每个所述卷边包括一个或多个纵向延伸的加强肋。
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