CN219654064U - 一种端部强化型管壳体和双钢板结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种端部强化型管壳体和双钢板结构，解决了现有双钢板连接件与外层钢板的连接部位抗疲劳性能差等问题，其技术方案要点为一种端部强化型管壳体，所述管壳体为中空管状，所述管壳体沿轴线方向包括位于中部的管体和位于两端的连接端；沿管壳体轴线方向从中间往端部，所述连接端包括近焊接段和焊接段；所述近焊接段的最大壁厚为t1，管体壁厚为t，t1＞t，所述焊接段的壁厚为t2，t2≤t1。通过焊接段壁厚不变或减小的设计，有效解决焊接端部虚焊凹坑的问题，提高焊接接头的强度。

Description

一种端部强化型管壳体和双钢板结构

技术领域

本申请涉及空腔板结构领域，尤其涉及双钢板结构及其连接件。

背景技术

金属空腔板是由双层金属板和设置在金属板夹层的连接件构成的一种结构，同时可在夹层内填充混凝土等填充材料形成组合结构。因其质量轻，构造简洁，力学性能优，且可模块化施工，有效节约设计和建造成本，此类结构作为结构板在桥梁、超高层建筑、核电站安全壳、海洋平台等得到广泛应用，甚至机翼、潜艇耐压壳等恶劣受力环境均可运用该构造。

双钢板结构即为一种典型的金属空腔板，由外部两侧钢板和连接件形成金属空腔板，其内部空腔填充混凝土形成组合结构。双钢板混凝土组合结构中，外部钢板主要承受拉力，并对内部混凝土有一定的约束作用，且能够抗渗、抗裂；内部混凝土主要承受压力，并对钢板起到很强的约束作用，防止钢板失稳，弥补了传统钢筋混凝土结构受拉侧混凝土易开裂，导致钢筋锈蚀，耐久性降低的缺点。

双钢板的破坏主要发生在连接件与外层钢板的连接部位，由于连接件数量庞大，存在大量的焊接工作，且人工占比较大、工业化程度低，焊接质量难以保证，大量焊接造成焊接残余应力集中，是造成双钢板后续服役时疲劳开裂的主要诱因；其次，连接件刚度过小，连接件的根部容易屈曲甚至断裂，连接件刚度过大，又容易造成外层钢板开裂，如何设计连接件，使其灵活可调节刚度，又具有高抗剪性能，同时轻量稳定、结构性能佳、造价低廉，是双钢板研究的难点。

实用新型内容

本申请的实用新型目的是为了解决现有双钢板连接件与外层钢板的连接部位抗疲劳性能差等问题，提供端部强化管壳体连接件以及通过摩擦焊与外层钢板连接的双钢板结构，通过焊接段壁厚不变或减小的设计，有效解决焊接端部虚焊凹坑的问题，提高焊接接头的强度，提高双钢板抗疲劳性能。

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，提供了一种端部强化型管壳体，所述管壳体为中空管状，所述管壳体沿轴线方向包括位于中部的管体和位于两端的连接端；沿管壳体轴线方向从中间往端部，所述连接端包括近焊接段和焊接段；所述近焊接段的最大壁厚为t1，管体壁厚为t，t1＞t，所述焊接段的壁厚为t2，t2≤t1。

作为优选，t1＞1.5t。

作为优选，所述管体为圆管，管体外径为d，管壳体高度为h，0.5≤d/h≤3。管壳体的高径比过大，管壳体过于细长，容易整体屈曲，管壳体的高径比过小。管径大，管高度小，管子过于短粗，造成空腔板的高度低，造成材料浪费。同时，管壳体尺寸还起到控制两侧外板跨厚比的作用，跨厚比越少，外板的刚度越大。

作为优选，所述管体侧壁的凹凸误差不超过1/400d。薄壁圆管轴向受压屈曲的形式包括整体屈曲和局部屈曲，局部屈曲为一种褶皱形的屈曲，其临界屈曲应力较大，但一旦在端部产生第一个屈曲半波，即“象足”效应，圆管会快速整体屈曲。圆管的临界屈曲应力对圆管几何缺陷极度敏感，提高圆管的精度能够有效延缓圆管在承载时第一个屈曲半波的形成，本申请管壳体通过精度控制，使得突变的致损点减少，尤其规避、减少了管壳体的缺陷量级，延后第一个屈曲半波的发生，从而增大了管壳体的承载力，从而减弱了管壳体突然屈曲的发生概率。

作为优选，所述管体侧壁上开设灌浆孔。当双钢板空腔内浇筑混凝土后，管壁的凸缘内填充混凝土，形成混凝土榫，增加混凝土与管壳体之间的结合力。

作为优选，所述灌浆孔边缘具有环形的凸缘。凸缘能够进一步增加混凝土与管壳体1之间的锚固力。

本申请第二方面，提供了一种双钢板结构，包括多个上述的端部加强型管壳体，还包括面层钢板和底层钢板，所述面层钢板和底层钢板之间具有夹层，所述管壳体位于面层钢板和底层钢板之间的夹层内，管壳体两端的连接端分别与面层钢板、底层钢板通过摩擦焊固定连接，相邻管壳体之间相互独立。

作为优选，所述焊接段嵌入面层钢板；焊接段嵌入底层钢板(3)。既能够增加焊接接头的强度，同时嵌入面层钢板或底层钢板能够通过机械嵌固作用提高管壳体的抗剪性能。

作为优选，所述多个管壳体呈规则布局，布局方式为三角形或矩形布局。由于管壳体与钢板垂直，且刚性连接，采用三角形布局形成有至少三条传力轴线的多向空腔板。当一个点受荷，能传递至全部管壳体及所有构件，形成向四周迅速发散的多向板传力构造。因而分散了局部的应力和应力幅，抗疲劳性能提高。

作为优选，所述面层钢板和底层钢板之间的夹层内灌注混凝土。用作建筑和桥梁等工程行业，双钢板的面层钢板和底层钢板之间的夹层往往需要灌注混凝土，充分发挥各构件的优势，使得外部钢板主要承担拉力，内部混凝土主要承担压力，防止钢板失稳，管壳体主要承担剪力。

与现有技术相比，上述技术方案具有如下有益效果：

有益效果：

1、本申请采用空心闭环的截面，近焊接段截面增大时，在焊接固定端的根部形成了转角增厚传力的刚接连接，有利于管壳体在抵抗屈曲时，增大向内或向外的抗变形能力，延后及阻滞管壳体屈曲时靠近内外板的第一个屈曲半波的产生，从而起到提高抗屈曲能力的效果，抗屈曲能力增强，则相应地抗剪承载能力也增强。

2、摩擦焊连接时，单纯的端部壁厚增厚，在摩擦焊的过程中端部磨损并逐渐嵌入面层钢板和底层钢板，由于端部磨损后的壁厚是缩小的，因此最终焊接时在基板上形成了初始直径和磨损厚直径差值的虚焊凹坑，尽管该凹坑会被摩擦焊熔出物填满，但由于其不是钢板基材金属，且熔出物中含有氧化物等杂质，使焊接质量受到影响。本申请创造性的反其道行之，将延伸的焊接段壁厚不变或减小，有效解决焊接端部虚焊凹坑的问题，提高焊接接头的强度。

3、进一步，本申请连接端的变壁厚构造，增大了管壳体嵌入板材的压应力，不但使得有杂质概率的摩擦熔融物最大程度地挤出，其压应力还持续与焊接后降温的拉应力抵消，形成低拉应力、零应力甚至压应力焊缝，对提高抗疲劳性能是非常有益。再次，该构造使得管壳体嵌入外层的钢板变的更为容易和有效，管壳体与内外板在形成焊接结合力的同时，也形成了机械嵌固力，上述合力对承受水平向的抗剪尤其有益。

附图说明

图1为本申请实施例双钢板结构的立体结构示意图；

图2为本申请实施例双钢板结构的平面结构示意图

图3为本申请实施例管壳体的立体结构示意图；

图4为本申请实施例管壳体的平面结构示意图

图5为图4的局部放大图；

图6为本申请实施例管壳体之间采用矩形布局的示意图；

图7为本申请实施例管壳体之间采用三角形布局的示意图；

图8为本申请实施例管壳体侧壁开设灌浆孔的示意图；

图9为本申请实施例双钢板夹层内灌注混凝土的示意图。

附图标记：

1、管壳体；11、管体；111、灌浆孔；112、凸缘；12、连接端；121、近焊接段；122、焊接段；2、面层钢板；3、底层钢板。

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：

如图1、2所示，一种双钢板结构，可用于桥面、剪力墙、钢平台等，包括面层钢板2、底层钢板3和多个端部加强型管壳体1，面层钢板2和底层钢板3之间具有夹层。

如图3、4所示，管壳体1为中空管状，管壳体1沿轴线方向包括位于中部的管体11和位于两端的连接端12；管体11为圆管，管体外径为d，管壳体高度为h，0.5≤d/h≤3。管壳体1的高径比过大，管壳体1过于细长，容易整体屈曲，管壳体1的高径比过小，管径大，管高度小，管子过于短粗，造成空腔板的高度低，造成材料浪费。管壳体1尺寸还起到控制两侧外板跨厚比的作用，跨厚比越少，外板的刚度越大。

薄壁圆管轴向受压屈曲的形式包括整体屈曲和局部屈曲，局部屈曲为一种褶皱形的屈曲，其临界屈曲应力较大，但一旦在端部产生第一个屈曲半波，即“象足”效应，圆管会快速整体屈曲。圆管的临界屈曲应力对圆管几何缺陷极度敏感，提高圆管的精度能够有效延缓圆管在承载时第一个屈曲半波的形成，本申请管壳体通过精度控制管体11侧壁的凹凸误差不超过1/400d，使得突变的致损点减少，尤其规避、减少了管壳体1的缺陷量级，延后第一个屈曲半波的发生，从而增大了管壳体1的承载力，从而减弱了管壳体1突然屈曲的发生概率。

如图4、5所示，沿管壳体1轴线方向从中间往端部，管壳体1的连接端12包括近焊接段121和焊接段122；近焊接段121的最大壁厚为t1，管体11壁厚为t，t1＞t，优选t1＞1.5t。焊接段122的壁厚t2≤t1。管壳体1位于面层钢板2和底层钢板3之间的夹层内，管壳体1两端的连接端12通过摩擦焊与面层钢板2和底层钢板3焊接固定。

传统焊接时，对焊接段增大壁厚或截面，以增大焊接截面以及焊接强度，成为较通用的设计。但在管壳体通过摩擦焊连接时，单纯的端部壁厚增厚，在摩擦焊的过程中端部磨损并逐渐嵌入面层钢板和底层钢板，由于端部磨损后的壁厚是缩小的，因此最终焊接时在基板上形成了初始直径和磨损厚直径差值的虚焊凹坑，尽管该凹坑会被摩擦焊熔出物填满，但由于其不是钢板基材金属，且熔出物中含有氧化物等杂质，使焊接质量受到影响。

本申请管壳体焊接端面为空心闭环的截面，近焊接段121截面增大时，在焊接固定端的根部形成了转角增厚传力的刚接连接，有利于管壳体在抵抗屈曲时，增大向内或向外的抗变形能力，延后及阻滞管壳体屈曲时靠近内外板的第一个屈曲半波的产生，从而起到提高抗屈曲能力的效果，抗屈曲能力增强，则相应地抗剪承载能力也增强。

如图5所示，同时，进一步延伸的焊接段122不变或缩小时，能有效解决虚焊凹坑的问题，且进一步增大了管壳体嵌入板材的压应力，不但使得有杂质概率的摩擦熔融物最大程度地挤出，其压应力还持续与焊接后降温的拉应力抵消，形成低拉应力、零应力甚至压应力焊缝，对提高抗疲劳性能是非常有益，再次，本构造使得管壳体嵌入内外板变的更为容易和有效，管壳体与内外板在形成焊接结合力的同时，也形成了机械嵌固力，上述合力对承受水平向的抗剪尤其有益。

如图6、7所示，相邻管壳体1之间相互独立，多个管壳体1呈规则的平面布局，布局方式为三角形或矩形布局。由于管壳体1与钢板垂直，且刚性连接，采用三角形布局形成有至少三条传力轴线的多向空腔板。当一个点受荷，能传递至全部管壳体1及所有构件，形成向四周迅速发散的多向板传力构造。因而分散了局部的应力和应力幅，抗疲劳性能提高。

如图9所示，用作建筑和桥梁等工程行业，双钢板的面层钢板2和底层钢板3之间的夹层往往需要灌注混凝土，形成组合结构，如双钢板组合结构桥面等，管壳体1的内部空腔也可以灌注混凝土。如图8所示，管体11侧壁上开设灌浆孔111，灌浆孔111边缘设置环形的凸缘112，当双钢板空腔内浇筑混凝土后，管壁的凸缘内填充混凝土，形成混凝土榫，增加混凝土与管壳体之间的结合力。凸缘112能够进一步增加混凝土与管壳体1之间的锚固力。

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 (10)

1.一种端部强化型管壳体，其特征在于：

所述管壳体(1)为中空管状，所述管壳体(1)沿轴线方向包括位于中部的管体(11)和位于两端的连接端(12)；

沿管壳体(1)轴线方向从中间往端部，所述连接端(12)包括近焊接段(121)和焊接段(122)；

所述近焊接段(121)的最大壁厚为t1，管体(11)壁厚为t，t1＞t，所述焊接段(122)的壁厚为t2，t2≤t1。

2.根据权利要求1所述的端部强化型管壳体，其特征在于：t1＞1.5t。

3.根据权利要求1所述的端部强化型管壳体，其特征在于：所述管体(11)为圆管，管体外径为d，管壳体高度为h，0.5≤d/h≤3。

4.根据权利要求1所述的端部强化型管壳体，其特征在于：所述管体(11)侧壁的凹凸误差不超过1/400d。

5.根据权利要求1所述的端部强化型管壳体，其特征在于：所述管体(11)侧壁上开设灌浆孔(111)。

6.根据权利要求5所述的端部强化型管壳体，其特征在于：所述灌浆孔(111)边缘具有环形的凸缘(112)。

7.一种双钢板结构，包括权利要求1-6任一项所述的端部加强型管壳体，还包括面层钢板(2)和底层钢板(3)，所述面层钢板(2)和底层钢板(3)之间具有夹层，其特征在于：

所述管壳体(1)位于面层钢板(2)和底层钢板(3)之间的夹层内，管壳体(1)两端的连接端(12)分别与面层钢板(2)、底层钢板(3)通过摩擦焊固定连接，相邻管壳体(1)之间相互独立。

8.根据权利要求7所述的双钢板结构，其特征在于：所述焊接段(122)嵌入面层钢板(2)；焊接段(122)嵌入底层钢板(3)。

9.根据权利要求7所述的双钢板结构，其特征在于：所述多个管壳体(1)呈规则布局，布局方式为三角形或矩形布局。

10.根据权利要求7所述的双钢板结构，其特征在于：所述面层钢板(2)和底层钢板(3)之间的夹层内灌注混凝土。