CN212349884U - 一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，该梯型肋截面根据荷载应力、应变有限元分析计算模型、结合荷载试验应力幅实际变化，考虑内外隔板焊接及拼接板位置进行截面厚薄优化设计，不仅能提高受力性能，减少用钢量，而且提高正交异性桥面板的抗疲劳性能。生产时根据变截面模型进行轧辊孔型优化设计，采用专用的超深、薄腹、变截面槽型连铸连轧热轧孔型设计、连轧工艺和专用设备。开坯初轧采用U型切分法，粗轧采用上辊大压下切分轧制工艺、形成最优金属延伸率；精轧腹板外侧孔型为平直斜线形不变，腹板内侧通过合理孔型斜度变化，通过R角渐变连续轧制形成土耳其头，底腹板采用双R角过渡，形成最佳曲率圆弧半径。

Description

一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋

技术领域

本实用新型涉及梯型肋设计技术领域，特别涉及一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋。

背景技术

目前，国内正交异性板的梯型肋全部采用平板冷弯成型，其不足之处及缺陷明显：

1、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，包括赶平、切割、铣边、折弯、整形、钻孔等，质量控制难度大、加工精度差、冷弯成型结构内应力大；

2、由于钢板等厚、而薄腹、超深梯型肋受力复杂、各部位应力应变不同、特别受板厚制约而端部焊接厚度不够、去掉钝边后焊厚只有板厚的70%~75%、且焊缝偏心受力，而该处应力幅最大、残余应力集中、很容易产生疲劳裂缝；

虽然部分现有专利中提出了局部加厚以减小应力的设计，但是市场上尚无成熟的产品，而且现有改进技术方案每延米所用的材料相比现有冷弯梯型肋均增加，不经济。因此，设计一种用钢量少、经济节约，最大变形、应力和耐久性等指标均等于或优于现有冷弯梯型肋的新型梯型肋是行业内要解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的第一个目的在于提供一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其优点是经济节约，内应力小，各项材料性能和技术指标优于原有产品。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：采用行业标准YB/T4624-2017中U-2等厚U形肋为为基础断面结构，通过热轧工艺成型的薄腹、超深变截面梯型肋的深度为280mm，底板厚度加厚为10mm，腹板上端部厚度加厚为10mm形成土耳其头，腹板平直段部的厚度减薄为7mm；腹板平直段部与腹板顶端的土耳其头的变截面处及底板与腹板的变截面处圆滑过渡。

通过上述技术方案，于梯型肋受力最大的腹板端部高应力幅线范围内进行了变厚设计，形成土耳其头，在腹板受力较小的低应力幅部位适当减薄了板厚，对受力较大的底板进行了加厚，通过上述截面优化，使得产品在提高材料性能和技术指标的基础上用钢量与现有冷轧梯型肋同比降低了约1-2%。同时，经过热轧加工而成的梯型肋减小了应力集中。根据产品各部位受力大小变化改变截面尺寸后的梯型肋使得应力分布更加均匀，特别是降低了梯型肋端头与桥面板焊缝处的应力，从而提高了梯型肋的抗疲劳能力和耐久性。同时由于腹板厚度的减小，大大节约了钢材，提高了经济性。

本实用新型进一步设置为：梯型肋腹板端部土耳其头的增厚部位于腹板内侧，腹板外侧壁为平面。

通过上述技术方案，不影响腹板外侧壁与横隔板的焊接，提高焊接质量。

本实用新型进一步设置为：梯型肋端部通过热切形成圆弧状焊缝坡口。

通过上述技术方案，减少了焊缝金属熔敷量，提高了焊接质量。

本实用新型进一步设置为：梯型肋内部间隔设置多道肋内隔板，肋内隔板两侧边与梯型肋内壁焊接。

通过上述技术方案，增加梯型肋的整体刚度及抗扭转性能、消除梯型肋与横向隔板弧形切口的焊缝开裂。

本实用新型进一步设置为：肋内隔板与正交异性板的横隔板位置对应。

通过上述技术方案，能够消除梯型肋与横隔板弧形切口的焊缝开裂。

本实用新型进一步设置为：底板与腹板过渡段的内圆角半径R1为38mm，外圆角半径R2为46mm。

通过上述技术方案，能得到圆滑过渡的圆角，使得内外圆角光滑、美观，而且该半径圆角更容易脱料。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、通过截面优化，以及热轧生产形成的变截面薄腹、超深梯型肋不仅内应力小，焊厚尺寸大，各项材料性能和技术指标均优于现有冷轧梯型肋，而且用钢量同比减少1-2%，大大提高正交异性板的经济性和耐久性，解决了行业内一直想突破的难题；

2、通过肋内隔板的设置，增加梯型肋的整体刚度和抗扭转性能、消除梯型肋与横向隔板弧形切口的焊缝开裂。

附图说明

图1为热轧薄腹、超深梯型肋变截面设计断面图；

图2为热轧变截面薄腹、超深梯型肋与桥面板（或桥底板）、横隔板、肋内隔板焊接及纵向接长连接示意图；

图3为图1中土耳其头处的局部放大图；

图4为行业标准中U-2型号梯型助受力模型示意图；

图5为变截面设计的热轧变截面梯型肋受力模型示意图；

图6为U-2型号梯型助最大变形示意图；

图7为热轧变截面梯型肋最大变形示意图；

图8为U-2型号梯型助应力分布图（重点突出焊缝处应力分布）；

图9为热轧变截面梯型肋应力分布图（重点突出焊缝处应力分布）；

图10为U-2型号梯型肋应力分布图（重点突出腹板上的应力分布）；

图11为热轧变截面梯型肋应力分布图（重点突出腹板上的应力分布）；

图12、13为初轧M、K孔孔型图；

图14、15、16为二次粗轧J、I、H 孔孔型图；

图17-22为精轧1-6（即G-B孔）孔型图；

图23为精轧6（即B孔）土耳其头处放大示意图；

图24为精轧7（即A孔）孔型图。

附图标记：1、腹板；11、土耳其头；12、腹板平直段部；2、焊缝坡口；3、桥面板；4、底板；5、拼接板；6、横隔板；7、肋内隔板；H、梯型肋深度（或腿高）；B1、开口宽度；B2、底板宽度；R1、内圆角半径；R2、外圆角半径。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，薄腹、超深梯型肋截面根据荷载应力、应变有限元分析计算模型、考虑内外隔板焊接及拼接板5位置进行截面厚薄优化设计，使得设计尺寸更有利于薄腹、超深梯型肋的受力状态，减少用钢量，提高正交异性桥面板的抗疲劳性能。

具体地，可以是采用行业标准《桥梁钢结构用梯型肋冷弯型钢》（YB/T4624-2017）中任一型号的等厚U形肋为基本外形尺寸，并根据梯型肋技术要求、截面特性参数、荷载应力、应变工况采用有限元分析计算模型进行受力分析和荷载疲劳试验，并综合考虑与内外隔板焊接及拼接板5位置进行截面厚薄优化设计。如图1所示，以行业标准中的型号U-2的梯型肋为例进行介绍，该梯型肋的深度H（即肢高或腿高）为280mm，开口宽度B1为300mm，底板4宽度B2为170mm，厚度为8mm。以该型号梯型肋为基本外形尺寸，将其底板4厚度增加2mm；腹板1上端部厚度增加2mm，形成土耳其头11；腹板平直段部12的厚度减小1mm；底板4与腹板1以及腹板平直段部12与腹板1顶端的变截面处均圆滑过渡。最终形成的热轧梯型肋的深度为280mm，底板4厚度t1为10mm，腹板1上端部土耳其头11厚度t3为10mm，高度可以是24mm；腹板平直段部12的厚度t2为7mm。底板4与腹板1过渡段的内圆角半径R1为38mm、外圆角半径R2为46mm。结合图2，土耳其头11与腹板平直段部12厚度采用双R角过渡，过渡高度为30-50mm。

用钢量计算如下：

行业标准中的型号U-2的梯型肋腹板1斜向长度为286mm，由于底板4宽度B2包括了圆角弧形段，所以实际底板4加厚宽度小于170mm，可取值为160mm。

底板4增加厚度2mm×宽160mm=320mm²，

两个土耳其头11增加厚2mm×（高20~30mm）×2个=80~120mm²

合计增加400~440mm²。

腹板1减薄厚1mm×（长210~250mm）*2个=420~500mm²

最终每延米梯型肋减少20~60mm³。

进一步的，结合图1与图2，为了方便梯型肋与横隔板6的焊接，热轧梯型肋腹板1上部土耳其头11的加厚部位于腹板1内侧，腹板1外侧壁为平面斜线形。腹板平直段部12长度远大于梯型肋纵向接长所用拼接板5的宽度，方便了连接。为了减少焊缝金属熔敷量并提高焊接质量，减小梯型肋端头与桥面板3焊缝处的应力集中，梯型肋端部通过热切形成下凹的圆弧状焊缝坡口2（见图3）。为了增加梯型肋的抗扭转性能、消除梯型肋与横向隔板弧形切口的焊缝开裂，在梯型肋内部间隔设置多道肋内隔板7，肋内隔板7的两个侧边与梯型肋内壁焊接。梯型肋为正交异性板的一部分，正交异性板包括横隔板6，肋内隔板7与正交异性板的横隔板6位置对应。

以下将本实施例中尺寸的新型热轧梯型肋与现有冷轧梯型肋对比，并对关键指标作分析。如图4与图5所示，在现有等厚冷轧梯型肋（厚度为8mm）与超深变截面梯型肋的模型上施工同样的受力，采用ABAQUS有限元分析软件分析后得出如下结果：

对比图6与图7，超深变截面梯型肋相比等厚冷轧梯型肋，最大变形量相同，均为2.3。对比图7与图8，等厚冷轧梯型肋最大应力从104.9，超深变截面梯型肋104.4，超深变截面梯型肋减少了0.5。对比图8与图9以及图10与图11，从图中的热影响区可以看出，超深变截面梯型肋应力分布更加均匀，在焊缝处超深变截面梯型肋浅白色区长度更长，范围更大，说明焊缝处应力更小，最大应力也更小、更均匀，从而减小了疲劳应力幅，增长了疲劳寿命。钢结构的强度破坏和疲劳破坏都是从最薄弱的部位开始的，截面优化后，不仅节约了材料，而且在各技术指标上反而取到了更好的效果，提高了梯型肋的抗疲劳性，这是本领域技术人员根据现有技术无法想像到的。同时，经过热轧加工而成的梯型肋减小了应力集中。因此，该产品解决了行业内一直想解决但未解决的问题，填补了国内空白。

实施例2：一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋的热连轧生产工艺，以实施例一中型号一的梯型肋为例进行介绍，包括以下加工步骤：

生产加工工艺分为开坯初轧，二次粗轧和精轧三个主要步骤，开坯初轧采用两个孔型：M孔和K孔，共5个道次；二次粗轧采用三个孔型：J、I、H孔，共三个道次；精轧采用7个孔型：G、F、E、D、C、B、A孔（对应精轧1-7），共7个道次进行连轧。

开坯粗轧采用二辊可逆式BD1轧机，二次粗轧采用BDU轧机（采用带防轧卡装置，可自动换辊的二辊可逆式孔型BD2轧机轧制），精轧采用万能轧机。

梯型肋在热轧前，采用ABAQUS有限元分析软件建立弹塑性有限元分析模型、对变截面薄腹、超深梯型肋热轧工艺孔型系统进行弹塑性热力耦合模拟，计算热轧过程、综合分析模拟得到的轧件填充情况与轧制力情况、分析典型道次的应力、应变分布及加热温度、金属流动规律，优化孔型系统和轧制参数；采用专用的超深、薄腹、变截面槽型连铸连轧热轧孔型设计、连轧工艺和专用设备。

开坯初轧：在BD1时将F2坯料（高度230*宽度350）或F3坯料（高度320*宽度410）利用机前推床将坯料翻转90°，这样就充分保证坯料的原始高度大于需求高度（280mm)的1.2-1.5倍；如图12所示，M孔型上下表面均采用U型微切分法，上轧辊的“楔子”较尖，下轧辊的“楔子”较钝。

如图13所示，K孔型下轧辊采用平面方式轧制，配合上轧辊采用U型大切分法、加大下压力继续增加腹板1金属量并将坯料底部轧平。通过对底板4处先U型微切分后轧平的措施，使得底板4部位获得充足的金属量，同时去除表面氧化铁皮，保证表面质量；通过对坯料上表面的大压力切分，使得腹板1部分获得充足金属量。

由于连铸坯宽度尺寸较大，在孔型设计时候，采用箱型孔M孔、K孔进行高件立轧开坯，使轧件尺寸达到要求的宽度。箱型孔M孔、K孔上下左右对称 ，配置在BDl开坯轧机上。经过孔型M、K轧制后，坯料的内圆角半径R1为108-112mm、底部外圆角半径R2为53-57mm，坯料底部的宽度为220mm。

二次粗轧：经过开坯初轧，外底表面初步成型的坯料进入BDU轧机。如图14所示，J孔型继续采用上轧辊大压力切分，J孔型采用轧边闭口孔型。J孔型上轧辊闭口孔外侧圆弧半径的大小为120mm，最内侧圆弧半径为100mm，此处设置圆角是为了方便脱料，上轧辊采用合理压下量控制。下轧辊内侧面角度与最终梯型肋腹板1角度接近相同，本实施例中为下轧辊内侧面角度107度，比最终梯型肋腹板1角度102度大5度。下内倒角圆弧过渡，半径为350mm；轧件高度为220mm。由于J孔型变形量大，变型不均匀，且对坯料的外侧面的轧制要达到基本定型，所以非常关键。通过该道次后坯料外底表面基本成型，达到轧制工件表面光洁，金属量基本固定且金属内部残余应力小。

如图15所示，I孔型为开口孔型，上轧辊继续大压下切分；下内倒角圆弧过渡，半径为380mm；轧件高度（即腹板1高度或腿高）增长到270mm。

如图16所示，H孔型为轧边闭口孔型，上轧辊继续大压下切分，且上轧辊闭口孔最外侧斜向下压，再次使金属量变化，保证端头平齐。轧件高度减小为206.6mm；

孔型J、I、H上轧辊继续采用深圆弧切分方式、下轧辊采用平面方式轧制内圆角半径R1为48-52mm、外圆角半径R2为35-40mm。

经过开坯初轧和二次粗轧，将加热炉出来的矩型坯料加工成万能轧机所需要的型状，使轧件横断面各部位厚度基本达到成品尺寸要求，初步成型。

BDU三个孔型按次序分别是闭口孔—开口孔—闭口孔，能够保证腹板1顶端有充足的金属量。

精轧：精轧的1/3/4/5/7为开口孔型，2/6为闭口轧边孔型，精轧采用连轧工艺，通过合理的配置既能实现轧制的顺畅进行又得到精准的尺寸和表面质量，实现变截面超深薄腹、超深梯型肋的轧制；

如图17所示，精轧第一架通过压下轧辊辊缝9.6mm，使得底部厚度由50mm降至41.4mm，同时腿高从206.6mm长到270mm；在精轧第一架继续通过孔型的压缩，将内圆角半径R1变为36-40mm、外圆角半径R2变为43-47mm；即将圆滑过渡的内外圆角轧制成初型。下轧辊内侧面角度与最终梯型肋腹板1角度相同，本实施例中为102度。通过第一架将轧件的内圆角半径R1变小，外圆角半径R2变大，以及下轧辊内侧面角度变小，使得腹板1截面成型为倒梯形结构，为梯型肋最终土耳其头11的成型提供有利条件。

通过后面第二至第七机架次为能够使轧件内部的轧制热应力随着多次辊压加工过程而释放，既起到了减重和美观的完美过度，同时降低了轧制过程造成的内应力。

如图18所示，第二架压下轧辊辊缝8.6mm，使得底部厚度由41.4mm降至32.8mm，同时通过减少轧辊槽深，将腹板1高度（即腿高）减小7%-20%，具体地，可以是将腿高从270mm降到239.8mm。此过程为强制延伸过程，目的为减少腹板1部分的金属量以进一步获得最终合理金属量，主要起到轧边作用；

如图19所示，第三架压下轧辊辊缝7.5mm，使得底部厚度由32.8mm降至25.3mm，同时腿高从239.8mm长到282.8mm，此过程为延伸和长腿共同进行过程，主要目的是将此薄腹、超深梯型肋的腿高长至最终高度，得到最终的高度尺寸。

如图20与21所示，精轧第四架和第五架继续压下轧辊辊缝，使得底板4厚度继续变薄；第五架的孔型设计使得腹板1成为倒梯形截面（楔形截面）。

结合图22与23，精轧第五架采用自然充满后，在精轧的第六架采用轧边闭口孔型设计，结合第五架倒梯形截面设计，保证了腹板1上端有充足的金属量，便于轧件土耳其头11的精准成型、提高端部的成型精度。同时，通过轧边对轧件的端部进行热切，形成最终圆弧状焊缝坡口2。精轧第六架孔型实现了腹板1端头加厚，腹板平直段部12（薄壁）厚度固定，腹板平直段部12内侧与加厚段双R角圆滑过渡；如图23所示，通过闭口孔下压，热切形成焊接坡口。其节点通过上轧辊闭口孔最内侧圆弧半径的大小及轧制工艺的合理压下量控制，从而实现土耳其头11焊接坡口的节点的精准控制。本实施例中，圆角半径为15-20mm，轧制工艺通过给定2-3mm的压下量，开轧温度800-880℃，单道次热切一次成型。第六架轧完后的梯型肋高度为261.1mm，将内圆角半径R1变为38.4mm、外圆角半径R2变为48.5mm。

如图24所示，第七架对热轧梯型肋进行修正，主要将梯型肋高度增加至280mm，并对腹板1外表面轧制齐平，将内圆角半径R1变为38mm、外圆角半径R2变为46mm。

热轧工艺流程设计为12个环节，十五个轧制道次，分别是BDl五个道次，BD2三个道次，万能轧机七个道次，道次分配是3+2—3—6+1。

热轧变截面薄腹、超深梯型肋成品尺寸的底板4及土耳其头11的厚度均为10mm、而与二者相连的腹板1厚度为7mm，因此只有轧制过程中通过内外圆角半径的匹配渐变，这样才能得到圆滑过渡的圆角，使得内外圆角光滑、美观。

本申请中，热轧工艺中温度控制等参数都是本领域公知的技术，不是本申请的改进方向，具体可参考热轧拉森钢板桩的生产工艺，此处不再赘述。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：采用行业标准YB/T4624-2017中U-2等厚U形肋为基础断面结构，通过热轧工艺成型的薄腹、超深变截面梯型肋的深度为280mm，底板(4)厚度加厚为10mm，腹板(1)上端部厚度加厚为10mm形成土耳其头(11)，腹板平直段部(12)的厚度减薄为7mm；腹板平直段部(12)与腹板(1)顶端的土耳其头(11)的变截面处及底板(4)与腹板(1)的变截面处圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：梯型肋腹板(1)端部的土耳其头(11)的增厚部位于腹板(1)内侧，腹板(1)外侧壁为平面。

3.根据权利要求1所述的一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：梯型肋端部通过热切形成圆弧状焊缝坡口(2)。

4.根据权利要求1所述的一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：梯型肋内部间隔设置多道肋内隔板(7)，肋内隔板(7)的两个侧边与梯型肋内壁焊接。

5.根据权利要求1所述的一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：肋内隔板(7)与正交异性板的横隔板（6）位置对应。

6.根据权利要求1所述的一种热轧薄腹、超深变截面梯型肋，其特征是：底板（4）与腹板（1）过渡段的内圆角半径R1为38mm，外圆角半径R2为46mm。

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