CN108331040A - 一种可以快速组装的叠合钢梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以快速组装的叠合钢梁；主要由箱梁、下梁连接件和上梁连接件组成，其中箱梁包括顶板、底板、加劲板和腹板；顶板和底板的两侧设有腹板，顶板和底板之间间隔设有多个加劲板；箱梁分为两个，分别是上箱梁和下箱梁，上箱梁底板上间隔焊接下梁连接件，下箱梁顶板上间隔焊接下梁连接件；下梁连接件和上梁连接件上下交替错开，组装后下梁连接件和上梁连接件刚好两两嵌合，相互之间没有空隙；从而保证两个箱梁在施加荷载时可共同作用。本发明具有结构简单、安装方便、受力合理、灵活组合可重复使用、节省钢材、造价低等特点。

Description

一种可以快速组装的叠合钢梁

技术领域

本发明涉及一种钢梁，特别是涉及一种可以快速组装的叠合钢梁，该钢梁用于桩基静载实验中的压重反力平台装置。

背景技术

桩基工程的质量取决于桩身质量和桩的承载力，而静载试验是检测桩承载力最直接、可靠的方法，压重平台反力装置是单桩竖向抗压承载力试验中最为常用的加载反力装置，压重平台反力装置的堆载吨位直接决定了试验最大加荷值的大小。

目前堆载法常用的压重平台反力装置主要由支承墩、主梁、次梁、配重块等构成；以桩中心点为平台中心，在基桩的正上方搭设压重平台，配重块的质量荷载通过次梁传递给主梁，由千斤顶将荷载从主梁分级施加在试验桩上，从而达到试验目的。压重平台反力装置的主梁常用型式为箱梁，箱梁内含有横向加劲板，用于提高箱梁腹板的局部稳定。桩基静载试验分为两个过程，第一个过程为堆叠压重试块，即可视为施加均布荷载，此时千斤顶并未作用，装置可认为是在均布荷载作用下的简支梁受力模型。第二个过程为千斤顶分级施加荷载，此时装置可认为是在均布荷载作用下以主梁中部为固定支座的两端悬臂梁受力模型。

随着高层、超高层建筑，大型桥梁在我国的大量兴建，大直径、大吨位灌注桩逐年增多，桩的设计承载力也不断增加，目前常用的压重平台反力装置存在的主要问题是可实现的堆载吨位有限，如需提高平台的堆载吨位，主梁的长度和刚度需要大幅提高，自重也会成倍增加，吊装和运输的难度大，平台的稳定性和安全性也难以保证。

提高压重平台的堆载吨位的重要因素在保证主梁强度的同时提高主梁的刚度，使主梁的应力及变形满足相关要求。根据材料力学进行分析，以箱型梁为例，当叠合梁为两个相同梁的竖向组合时，根据箱梁板厚不同，叠合梁刚度一般可达到单根梁刚度的6～8倍，当叠合梁为两个相同梁的横向组合时，叠合梁刚度为单根梁刚度的2倍。可知主梁的面积增大一倍时，两种组合方式的刚度均有增加，竖向组合的梁刚度是横向组合的3～4倍；竖向组合的叠合钢梁可以承受更大的堆载，从而可以测试更大的桩基承载力。因此设计一种可快速组合的活动式叠合钢梁，通过在梁表面焊接抗剪连接件并做相关处理，保证组合梁在受到荷载时能够共同作用，从而大大提高了主梁的刚度，满足试验平台的堆载要求。同时，作为独立使用的单根钢梁时又能灵活胜任小吨位桩承载能力的加载试验的任务。

常见的叠合梁是通过高强度螺栓或者焊接将钢梁组合在一起，通过限制叠合板连接处的水平方向和竖直方向的滑移，使得叠合梁基本满足平截面假定，在堆载作用下两条梁共同工作。这类叠合梁安装较为繁琐，高强螺栓连接对接触面要求很高，反复拆装也需要较多时间；而如果采用焊接的连接形式，由于焊接后两条梁形成一条整体梁，不能进行拆分，所以对于不同吨位的静载试验又需要制作不同尺寸的主梁，成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种安装方便、受力合理、可重复使用、节省钢材、造价低的可活动式的快速组装的叠合钢梁，该叠合钢梁既可用小吨位的桩承载力试验，成对组合后也可以用于测量大吨位的灌注桩的承载力。

可快速组装的叠合钢梁主体包括了钢箱梁和抗剪连接件。由于桩基静载试验两个加载过程中的跨中弯矩最大，基于经济性以及受力合理性的要求，箱梁的翼缘和腹板等可以设计成变化的厚度，越靠近中部，腹板以及翼缘厚度越大。同时为了提高腹板的局部稳定性，在箱梁内均匀焊接横向加劲板，加劲板厚度也可随相应梁段的腹板厚度变化。同时在梁顶部焊接特殊设计的抗剪连接件。在进行大吨位静载试验时，两个或多个箱梁可以通过抗剪连接件两两“咬合”的方式组合起来，通过连接件限制连接处的相对滑移，使得上下箱梁共同工作。由于设计的特殊抗剪连接件，叠合梁的安装、拆卸非常简便且可重复使用，而且可以根据静载试验要求的载荷量进行自由组合，成为满足相应强度和刚度的叠合梁。

本发明目的通过下述技术方案实现：

一种可以快速组装的叠合钢梁，主要由箱梁、下梁连接件和上梁连接件组成，其中箱梁包括顶板、底板、加劲板和腹板；顶板和底板的两侧设有腹板，顶板和底板之间间隔设有多个加劲板；箱梁分为两个，分别是上箱梁和下箱梁，上箱梁底板上间隔焊接下梁连接件，下箱梁顶板上间隔焊接下梁连接件；下梁连接件和上梁连接件上下交替错开，组装后下梁连接件和上梁连接件刚好两两嵌合，相互之间没有空隙；下梁连接件和上梁连接件为形状大小相同的钢板；在下梁连接件和上梁连接件开挖多道孔槽，在孔槽处通过焊缝分别将下箱梁和上箱梁焊接；下梁连接件或上梁连接件的焊缝总长度其中，

V为单个抗剪连接件所承受的剪切力，单位N；

E为抗剪连接件钢材的弹性模量，单位N/mm²；

δ为简化系数，单位N^-1；

h₁为单个箱梁的梁高，单位mm；

l为箱梁从支座最外侧到梁自由端的长度，单位mm；

q为等效作用在箱梁上的线性均布荷载，单位N/mm；

I为箱梁绕自身主轴的惯性矩，单位mm⁴；

A为单个箱梁截面面积，单位mm²；

n为单个下梁连接件或上梁连接件上孔槽的个数；

为焊缝的强度设计值，单位N/mm²；

b为下梁连接件或上梁连接件的宽度，单位mm。

为进一步实现本发明目的，优选地，单个箱梁分为板厚不同的多个梁段，不同梁段直接焊接为一条整体梁。

优选地，所述顶板、底板、加劲板和腹板、下梁连接件和上梁连接件的材质选用Q345、Q345GJ或Q390牌号钢材。

优选地，所述下梁连接件和上梁连接件分别与下箱梁和上箱梁的焊接采用埋弧焊或手工焊。

优选地，所述手工焊的焊条采用E43或E50型。

优选地，所述箱梁、下梁连接件和上梁连接件的外表面进行防腐处理。

本发明可以快速组装的叠合钢梁具有如下特点：

(1)主梁采用箱梁，箱型钢梁的整体稳定性好，比工字梁多一块腹板，根据梁抗弯刚度公式可知钢梁刚度一致时，箱梁的结构高度可较小，承载力也更高。单根箱梁由多个梁段焊接而成，不同梁段的受力情况差距较大，如分级施加荷载时，在均布荷载作用下以主梁中部为固定支座的两端悬臂梁受力模型，此时钢梁为跨中弯矩及剪力最大，主梁中部处于最不利受力状态，而两端弯矩剪力最小。所以出于结构受力合理以及经济性的考虑，不同梁段板厚不一，越靠近主梁中部厚度越大，不同梁段之间通过对接焊缝焊接起来。箱梁内均匀分布横向加劲板，加劲板厚度亦可根据相应腹板厚度变化规律进行变化。

(2)抗剪连接件是叠合梁共同工作的基础，它是用来承受两箱梁翼缘接触面之间的纵向剪力，阻止二者之间的竖向以及横向的相对滑移。连接件采用高强钢板，通过钢板内开多道槽孔进行角焊缝焊接或塞焊，分别相互错开焊接在上下箱梁，组装时连接件直接完全嵌合，之间没有空隙。当进行加载时，箱梁有纵向变形和竖向变形的趋势，此时抗剪连接件相互挤压，相互摩擦，阻止箱梁纵向变形，当抗剪连接件刚度足够大，箱梁之间的相对位移约等于零，此时箱梁之间可认为是共同作用。

(3)抗剪连接件的计算与焊接。一般而言，抗剪连接件的弹性分析考虑叠合缝的相对滑移，事实上绝对刚性的抗剪连接件不存在，连接件沿梁的纵向受剪，叠合缝必然会伴有一定的相对滑移，但当连接件刚度足够大时，滑移量可以忽略。

通过已知施加荷载及相关预设的尺寸计算出连接件所受剪力，根据连接件的尺寸合理选择每个连接件孔槽的个数，通过相关公式求出焊缝长度。根据实际情况，对钢板内部开挖多道槽孔进行角焊缝焊接或者塞焊连接，将抗剪连接件焊接在箱梁上。

(4)箱梁的组合使用。当加载吨位较大需要对箱梁进行组合使用时，可直接现场进行组装，根据抗剪连接件对应的位置两两嵌合形成叠合梁，按照上述流程安装完成后，叠合梁的刚度及强度基本可按整截面进行计算。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)构造简单，施工方便：根据设计方案，可直接在已有的钢箱梁上焊接抗剪连接件。抗剪连接件为某一定尺寸的钢板，通过开多道槽孔进行角焊缝或塞焊焊接。组合时，将箱梁按照对应的位置两两嵌合，无需利用螺栓或者焊缝连接起来。拆卸也十分方便，并且运输时可将主梁拆分成多根箱梁，搬运和运输也较为方便，到达施工现场再进行拼装，简单快捷。

(2)受力合理：通过连接件相互间的摩擦力和挤压力，限制连接处的水平方向和竖直方向的相对位移。经过相关有限元软件的模拟分析，由于抗剪连接件的纵向刚度极大，叠合缝的相对滑移极小，基本满足叠合梁之间共同作用的要求，可以充分发挥各个梁的作用，因此充分利用钢材的强度以及叠合梁的组合刚度。

(3)灵活组合，可重复使用：单根梁可以直接用于小吨位的静载试验，大吨位的静载试验则可以组合多根箱梁共同作用，根据工地现场具体的静载试验的荷载要求进行组合，可两两组合，也可多个组合。并且试验中连接件处于弹性状态，不会产生塑性形变，可重复使用。

(4)造价低：由于构造简单，使用材料较少，同时可以根据不同的静载试验要求进行合理组合，无需像以往一样根据不同的载荷需要而重新制作相应的主梁，并且可重复使用，制作成本和运输成本较低，满足经济效益的要求。

附图说明

图1为可以快速组装的叠合钢梁的结构示意图；

图2为连接件排列示意图；

图3位连接件焊接示意图；

图4为叠合梁的安装示意图。

图中示出：顶板1、底板2、加劲板3、腹板4、下梁连接件5、上梁连接件6、焊缝7。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1‐图3所示，一种可以快速组装的叠合钢梁，主要由箱梁、下梁连接件5和上梁连接件6组成，其中箱梁包括顶板1、底板2、加劲板3和腹板4；顶板1和底板2的两侧设有腹板4，顶板1和底板2之间间隔设有多个加劲板3；箱梁分为两个，分别是上箱梁和下箱梁，上箱梁底板上间隔焊接下梁连接件6，下箱梁顶板上间隔焊接下梁连接件5；下梁连接件5和上梁连接件6上下交替错开，组装后下梁连接件5和上梁连接件6刚好两两嵌合，相互之间没有空隙；下梁连接件5和上梁连接件6为形状大小相同的钢板；下梁连接件5和上梁连接件6为抗剪连接件；在下梁连接件5和上梁连接件6开挖多道孔槽，在孔槽处通过焊缝7分别将下箱梁和上箱梁焊接；下梁连接件5或上梁连接件6的焊缝7总长度其中，

V为单个抗剪连接件所承受的剪切力，单位N；

E为抗剪连接件钢材的弹性模量，单位N/mm²；

δ为简化系数，单位N^-1；

h₁为单个箱梁的梁高，单位mm；

l为箱梁从支座最外侧到梁自由端的长度，单位mm；

q为等效作用在箱梁上的线性均布荷载，单位N/mm；

I为箱梁绕自身主轴的惯性矩，单位mm⁴；

A为单个箱梁截面面积，单位mm²；

n为单个下梁连接件5或上梁连接件6上孔槽的个数；

为焊缝的强度设计值，单位N/mm²；

b为下梁连接件5或上梁连接件6的宽度，单位mm；

单个箱梁分为板厚不同的多个梁段，不同梁段直接焊接为一条整体梁。

优选顶板1、底板2、加劲板3和腹板4、下梁连接件5和上梁连接件6用Q345、Q345GJ、Q390等牌号钢材制成，同时在箱梁和连接件的外表面进行防腐处理。下梁连接件5和上梁连接件6与箱梁和上箱梁之间焊接采用埋弧焊或手工焊，手工焊条采用E43或E50型。

本实施例中，叠合梁的具体制作方法包括下列步骤：

步骤一：箱梁的制作；箱梁由多个梁段组成，每个梁段由顶板1、底板2、腹板4以及加劲板3组成，组成后如图1所示。各个梁段板厚不一，按照相关工艺要求，各个梁段的各自构件先分别焊接，然后将各个梁段通过对接焊接成一个整体。焊接完成后需要进行整体整形，预防钢结构焊接后变形扭曲。

步骤二：抗剪连接件的焊接。如图3所示，下梁连接件5和上梁连接件6作为抗剪连接件，都为一钢板，下梁连接件5和上梁连接件6的长、宽、厚分别设定为h、b和t，其中下梁连接件5和上梁连接件6的长度和箱梁的梁宽一致。下梁连接件5和上梁连接件6都间隔开挖n道孔槽，孔槽的作用是通过焊缝7将下梁连接件5和上梁连接件6分别焊接在下箱梁和上箱梁上；设孔槽长度为h_k，宽度为b_k，单个孔槽的单侧焊缝长度l_w＝h_k；考虑到安全性，焊缝计算时取弯矩及剪力最大的支座处的内力，角焊缝焊脚尺寸h_f依照《钢结构设计规范》，根据下梁连接件5和上梁连接件6的厚度t选值，根据推导出来的下梁连接件5和上梁连接件6受剪计算公式以及角焊缝计算公式：

其中V——单个抗剪连接件所承受的剪切力，按式2计算，单位N；

E——抗剪连接件钢材的弹性模量，单位N/mm²；

δ——简化系数，单位N^-1；

h₁——单个箱梁的梁高，单位mm；

l——箱梁从支座最外侧到梁自由端的长度，单位mm；

q——等效作用在箱梁上的线性均布荷载，单位N/mm；

I——箱梁绕自身主轴的惯性矩，单位mm⁴；

A——单个箱梁截面面积，单位mm²；

n——单个下梁连接件5或上梁连接件6上孔槽的个数；

——焊缝的强度设计值，单位N/mm²；

b——连接件的宽度，单位mm；

根据上述公式，保证连接件内的总焊缝长度大于剪力作用下所需焊缝长度的计算值，从而保证连接件固定在箱梁上，箱梁才能有足够的抗剪能力，以限制箱梁之间的相对滑移。

如图2所示，在孔槽两侧进行角焊缝焊接，焊接效果如图3所示，将下梁连接件5依次均匀焊接在下梁上，相邻两个下梁连接件5的间隔距离为b。上梁连接件6的开孔与焊接流程与下梁连接件5一致，同时上梁连接件6与下梁连接件5恰好相互错开，相邻两个上梁连接件6的间隔距离亦为b，保证上下两个梁组装在一起时连接件刚好嵌合，之间没有空隙，保证叠合梁在载荷下共同作用。

步骤三：箱梁的组合。如图4所示，上下两箱梁焊接完抗剪连接件后，在施工现场利用吊机或吊车将上梁吊起，对应上下两箱梁的连接件位置将上梁放置在下梁上，两梁刚好嵌合，之间没有空隙。在检查完备后，此时叠合梁便可以作为静载试验的主梁使用。

所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，主要由箱梁、下梁连接件和上梁连接件组成，其中箱梁包括顶板、底板、加劲板和腹板；顶板和底板的两侧设有腹板，顶板和底板之间间隔设有多个加劲板；箱梁分为两个，分别是上箱梁和下箱梁，上箱梁底板上间隔焊接下梁连接件，下箱梁顶板上间隔焊接下梁连接件；下梁连接件和上梁连接件上下交替错开，组装后下梁连接件和上梁连接件刚好两两嵌合，相互之间没有空隙；下梁连接件和上梁连接件为形状大小相同的钢板；在下梁连接件和上梁连接件开挖多道孔槽，在孔槽处通过焊缝分别将下箱梁和上箱梁焊接；下梁连接件或上梁连接件的焊缝总长度其中，

V为单个抗剪连接件所承受的剪切力，单位N；

E为抗剪连接件钢材的弹性模量，单位N/mm²；

δ为简化系数，单位N^-1；

h₁为单个箱梁的梁高，单位mm；

l为箱梁从支座最外侧到梁自由端的长度，单位mm；

q为等效作用在箱梁上的线性均布荷载，单位N/mm；

I为箱梁绕自身主轴的惯性矩，单位mm⁴；

A为单个箱梁截面面积，单位mm²；

n为单个下梁连接件或上梁连接件上孔槽的个数；

f_t ^w为焊缝的强度设计值，单位N/mm²；

b为下梁连接件或上梁连接件的宽度，单位mm。

2.根据权利要求1所述的可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，单个箱梁分为板厚不同的多个梁段，不同梁段直接焊接为一条整体梁。

3.根据权利要求1所述的可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，所述顶板、底板、加劲板和腹板、下梁连接件和上梁连接件的材质选用Q345、Q345GJ或Q390牌号钢材。

4.根据权利要求1所述的可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，所述下梁连接件和上梁连接件分别与下箱梁和上箱梁的焊接采用埋弧焊或手工焊。

5.根据权利要求4所述的可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，所述手工焊的焊条采用E43或E50型。

6.根据权利要求1所述的可以快速组装的叠合钢梁，其特征在于，所述箱梁、下梁连接件和上梁连接件的外表面进行防腐处理。