桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁的制作方法

1.本发明属于桥梁工程用梁设计技术领域，尤其涉及一种桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁。


背景技术：

2.组合结构通常是指在构件横断面上由不同材料(混凝土、钢材或其他材料)组合并能共同受力的结构。混凝土受压性能较好，但抗拉性能低，钢材能承担较高应力，但受压易出现失稳。为充分发挥钢材和混凝土各自的材料特性，通过机械作用、材料间的粘结力将两种材料组成了共同受力的结构。相较于混凝土结构，钢-混凝土组合结构具有自重轻、避免混凝土开裂、承载力高、施工方便、造型美观等优势；相较于钢结构，钢混组合结构具有刚度大、稳定性好、耐久性能好、造价便宜、抗震性能好、噪音较小等优势。钢-混凝土组合梁是组合结构中应用较为广泛的形式之一。
3.钢箱组合梁是一种新型的组合结构，钢箱主要布置在整个主梁截面的下部受拉区，混凝土桥面板主要布置在整个主梁截面的上部受压区，钢箱与混凝土通常采用柔性剪力键或刚性剪力键连接，这种组合结构充分发挥了钢材的抗拉及混凝土抗压的特点。
4.传统的钢箱组合梁的钢箱结构通常采用顶板、两块腹板和底板四块钢板焊接而成，顶底板与腹板通过熔透焊接进行连接，焊缝质量由钢结构加工厂的加工能力决定，尤其是t型钢板焊接的质量参差不齐，在我国超载情况严重的国情下，存在焊缝缺陷的钢箱组合结构梁在使用过程容易在焊缝位置形成疲劳裂缝。同时，焊接不可避免会使顶底钢板受热变形，产生残余应力，对钢结构的受力性能不利。尤其随着钢板材尺寸的大小以及厚度的增加，矫直的难度也越来越大，而且多次矫直后容易增加局部应力，易造成焊缝处开裂，存在安全隐患且费时费力。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种工业化制作程度高，便于机械制造、集约化生产、精度高且质量易于保证的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁。
6.本发明是这样实现的，一种桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，包括混凝土桥面板，钢箱腹板，焊接在腹板两端的翼缘板，其特征在于：所述翼缘板包括采用热轧工艺制得的翼缘板本体和翼缘板本体的一侧一体热轧的两个凸榫，两个凸榫相对于与翼缘板的竖直中心线成对称设置；所述凸榫顶部的宽度b3小于所述凸榫根部的宽度b1；所述凸榫顶部设有第一对接基准平面，第一对接基准平面的宽度为b2；第一对接基准平面的两侧对称设有第一焊接坡口；
7.所述钢箱腹板包括腹板本体，所述腹板的两端均设有与翼缘板凸榫对接的两个对接部，每个对接部上设有与第一对接基准平面宽度相同的第二对接基准平面，第二对接基准平面的两侧对称设有与第一焊接坡口相同的第二焊接坡口；
8.所述钢箱腹板的对接部与翼缘板的凸榫焊接连接，所述钢箱腹板的对接部的第二
对接基准平面与第一对接基准平面对接焊接后后在对接面的两侧形成对接熔透焊缝。
9.优选的，所述钢箱翼缘板本体的四角棱边采用圆弧平滑过渡，其过渡圆弧半径为r1；所述凸榫根部与翼缘板本体结合处圆弧平滑过去，圆弧半径为r2；第一焊接坡口和凸榫的侧面结合处圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r3；第一焊接坡口与第一对接基准平面结合处采用圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r4；翼缘板本体宽度为b，厚度为t。
10.优选的，r1≤0.5t、r2≤30mm、r3≥r4，r2可取固定值25mm，凸榫尺寸独立于翼缘板本体，可根据受力需要和热轧设备情况进行调整。
11.优选的，所述凸榫顶部的宽度b3与所述凸榫根部的宽度b1之间存在b3:b1＝2:5的比例关系，但不仅限于此比例。
12.优选的，所述凸榫的高度h与翼缘板本体的厚度t之间不存在函数关系，取值范围为45～55mm，但不仅限于这个范围。
13.优选的，所述翼缘板本体宽度b为300～1200mm，翼缘板本体厚度t为10mm～60mm；所述凸榫根部的宽度b1为50mm；第一对接基准平面的宽度为b2为6mm；所述凸榫顶部的宽度b3为20mm；所述凸榫的高度h为55mm。
14.本发明具有的优点和技术效果：
15.(1)截面尺寸规格多样，工程适用性强；
16.不同桥梁工程项目中钢箱组合梁需要通过细化区分翼缘宽度、厚度等达到相对更经济合理的用钢量，而热轧带凸榫翼缘板钢箱组合梁可以涵盖传统钢箱组合梁的全部尺寸和规格。通过不同尺寸规格的热轧带凸榫翼缘板和腹板的组合，完全满足钢箱组合桥梁结构的设计需求。
17.(2)工业化制作程度高；
18.热轧通常采用大铸锭，大压下量轧制，不仅提高了生产效率，而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件。热轧带凸榫翼缘板工业化制作程度高，便于机械制造、集约化生产、精度高且质量易于保证。
19.(3)具有良好的结构性能；
20.由于热轧能改善金属及合金的加工工艺性能，即将铸造状态的粗大晶粒破碎，显著裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。以热轧带凸榫翼缘板组拼的钢箱组合梁，其结构科学合理，塑性和柔韧性好，结构稳定性高，具有良好的结构性能，适用于承受振动和冲击载荷大的桥面汽车荷载，抗自然灾害能力强，适用于一些多地震发生带的钢桥主受力构件(据统计，在世界上发生7级以上毁灭性大地震灾害中，以热轧型钢为主的钢结构建筑受害程度较小)，便于检查维护，具有良好的全寿命经济性。
21.(4)省工省料且绿色环保；
22.热轧能显著降低能耗，降低成本，减少碳排放。热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的能量消耗。与传统的钢箱组合梁相比，能明显地省工省料，减少原材料、能源和人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好。
23.(5)便于组拼制造加工，结构抗疲劳能力强；
24.热轧带凸榫翼缘板一次轧制成型t型接头，将传统的t型焊接接头巧妙的转化为更为方便的平面对接接头，有效改善钢箱组合桥梁的疲劳性能，热轧带凸榫翼缘板构件制造
的标准化与施工工艺充分结合，提高工厂制造和现场装配的效率，易于桥梁结构连接和安装。
附图说明
25.图1是本发明结构示意图；
26.图2是钢箱腹板结构示意图；
27.图3是钢箱翼缘板结构示意图；
28.图4是热轧带凸榫翼缘板结构各部分尺寸标注示意图。
29.图中，1、腹板；1-1、腹板本体；1-2、第二对接基准平面；1-3、第二焊接坡口；2、热轧翼缘板；2-1、热轧翼缘板本体；2-2、凸榫；2-3、第一对接基准平面；2-4、第一焊接坡口；3、对接熔透焊缝；4、混凝土桥面板。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.请参阅图1至图4，一种桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，包括混凝土桥面板4、钢箱腹板1，焊接在腹板两端的翼缘板2，所述翼缘板包括采用热轧工艺制得的翼缘板本体2-1，所述翼缘板本体的一侧一体的凸榫2-2，凸榫的中心与翼缘板的竖直中心线重合；所述凸榫顶部的宽度b3小于所述凸榫根部的宽度b1；所述凸榫顶部设有第一对接基准平面2-3，第一对接基准平面的宽度为b2；第一对接基准平面的两侧对称设有第一焊接坡口2-4，腹板与翼缘板凸榫对接的两侧形成对接熔透焊缝3。
32.所述腹板1包括腹板本体1-1，所述腹板的两端均设有与翼缘板凸榫对接的对接部，所述对接部上设有与凸榫顶部第一对接基准平面宽度相同的第二对接基准平面1-2，第二对接基准平面的两侧对称设有与第一焊接坡口相同的第二焊接坡口1-3。
33.所述钢箱腹板的对接部与翼缘板的凸榫焊接连接，所述钢箱腹板的对接部的第二对接基准平面与第一对接基准平面对接焊接后后在对接面的两侧形成对接熔透焊缝3。
34.优选的，所述钢箱翼缘板本体的四角棱边采用圆弧平滑过渡，其过渡圆弧半径为r1；所述凸榫根部与翼缘板本体结合处圆弧平滑过去，圆弧半径为r2；第一焊接坡口和凸榫的侧面结合处圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r3；第一焊接坡口与第一对接基准平面结合处采用圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r4；翼缘板本体宽度为b，厚度为t。
35.优选的，r1≤0.5t、r2≤30mm、r3≥r4，r2可取固定值25mm，凸榫尺寸独立于翼缘板本体，可根据受力需要和热轧设备情况进行调整。
36.优选的，所述凸榫顶部的宽度b3与所述凸榫根部的宽度b1之间存在b3:b1＝2:5的比例关系，但不仅限于此比例。
37.优选的，所述凸榫的高度h与翼缘板本体的厚度t之间不存在函数关系，取值范围为45～55mm，但不仅限于这个范围。
38.优选的，所述翼缘板本体宽度b为300～1200mm，翼缘板本体厚度t为10mm～60mm；所述凸榫根部的宽度b1为50mm；第一对接基准平面的宽度为b2为6mm；所述凸榫顶部的宽度
b3为20mm；所述凸榫的高度h为55mm。上述尺寸均可根据受力需要和热轧设备情况进行调整。
39.构件力学性能研究：
40.模型选取：
41.针对一片40m跨度简支钢箱组合梁桥，分别采用热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁和普通的钢箱组合梁，其中钢箱梁高均为2.4m，上下翼缘板均为宽1200mm、厚40mm，腹板厚20mm，竖向加劲肋厚16mm，混凝土桥面板厚250mm。热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁的翼缘板凸榫与腹板为对接熔透焊缝，普通钢板组合梁的翼缘与腹板为t形接头双面熔透焊缝。
42.数值模拟精细有限元模型：
43.针对上述两种钢箱组合梁，分别建立其精细有限元模型，热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁和普通钢箱组合梁分析结论：
44.(1)热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁的凸榫与腹板为对接接头的对接熔透焊缝，普通钢箱组合梁的翼缘与腹板为t形接头的双面熔透焊缝，前者在不降低结构性能的前提下，单价相对较低，更方便工厂焊接，有利于降低整体成本。
45.(2)计算恒载作用下热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁和普通钢箱组合梁竖向变形分别为7.10mm和7.15mm，计算恒载与活载的组合作用热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁和普通钢箱组合梁的主拉应力分别为163.12mpa和162.74mpa，主压应力分别为177.57mpa和176.1mpa，变形和应力指标接近；焊缝主拉应力分别为101.60mpa和105.36mpa，前者比后者降低3.7％。
46.(3)热轧带凸榫翼缘钢箱组合梁单价相对较低，工厂焊接也相对便利，其使用性能和经济指标值具有良好的工程推荐价值。
47.综上所述，本发明具有以下优点：
48.(1)截面尺寸规格多样，工程适用性强；
49.不同桥梁工程项目中钢箱组合梁需要通过细化区分翼缘宽度、厚度等达到相对更经济合理的用钢量，而热轧带凸榫翼缘板钢箱组合梁可以涵盖传统钢箱组合梁的全部尺寸和规格。通过不同尺寸规格的热轧带凸榫翼缘板和腹板的组合，完全满足钢箱组合桥梁结构的设计需求。
50.(2)工业化制作程度高；
51.热轧通常采用大铸锭，大压下量轧制，不仅提高了生产效率，而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件。热轧带凸榫翼缘板工业化制作程度高，便于机械制造、集约化生产、精度高且质量易于保证。
52.(3)具有良好的结构性能；
53.由于热轧能改善金属及合金的加工工艺性能，即将铸造状态的粗大晶粒破碎，显著裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。以热轧带凸榫翼缘板组拼的钢箱组合梁，其结构科学合理，塑性和柔韧性好，结构稳定性高，具有良好的结构性能，适用于承受振动和冲击载荷大的桥面汽车荷载，抗自然灾害能力强，适用于一些多地震发生带的钢桥主受力构件(据统计，在世界上发生7级以上毁灭性大地震灾害中，以热轧型钢为主的钢结构建筑受害程度较小)，便于检查维护，具有良好的全寿命经济性。
54.(4)省工省料且绿色环保；
55.热轧能显著降低能耗，降低成本，减少碳排放。热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的能量消耗。与传统的钢箱组合梁相比，能明显地省工省料，减少原材料、能源和人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好。
56.(5)便于组拼制造加工，结构抗疲劳能力强；
57.热轧带凸榫翼缘板一次轧制成型t型接头，将传统的t型焊接接头巧妙的转化为更为方便的平面对接接头，有效改善钢箱组合桥梁的疲劳性能，热轧带凸榫翼缘板构件制造的标准化与施工工艺充分结合，提高工厂制造和现场装配的效率，易于桥梁结构连接和安装。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，包括混凝土桥面板，钢箱腹板，焊接在腹板两端的翼缘板，其特征在于：所述翼缘板包括采用热轧工艺制得的翼缘板本体和翼缘板本体的一侧一体热轧的两个凸榫，两个凸榫相对于与翼缘板的竖直中心线成对称设置；所述凸榫顶部设有第一对接基准平面；第一对接基准平面的两侧对称设有第一焊接坡口；所述钢箱腹板包括腹板本体，所述腹板的两端均设有与翼缘板凸榫对接的两个对接部，每个对接部上设有与第一对接基准平面宽度相同的第二对接基准平面，第二对接基准平面的两侧对称设有与第一焊接坡口相同的第二焊接坡口；所述钢箱腹板的对接部与翼缘板的凸榫焊接连接，所述钢箱腹板的对接部的第二对接基准平面与第一对接基准平面对接焊接后在对接面的两侧形成对接熔透焊缝。2.根据权利要求1所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述钢箱翼缘板本体的四角棱边采用圆弧平滑过渡，其过渡圆弧半径为r1；所述凸榫根部与翼缘板本体结合处圆弧平滑过去，圆弧半径为r2；第一焊接坡口和凸榫的侧面结合处圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r3；第一焊接坡口与第一对接基准平面结合处采用圆弧平滑过渡，其圆弧半径为r4；翼缘板本体宽度为b，厚度为t。3.根据权利要求2所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：r1≤0.5t、r2≤30mm、r3≥r4。4.根据权利要求1所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述凸榫顶部的宽度b3与所述凸榫根部的宽度b1之间存在b3:b1＝2:5的比例关系。5.根据权利要求1所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述凸榫的高度h与翼缘板本体的厚度t之间不存在函数关系，凸榫的高度h取值范围为45～55mm。6.根据权利要求2所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述翼缘板本体宽度b为300～1200mm，翼缘板本体厚度t为10mm～60mm；7.根据权利要求1所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述凸榫顶部的宽度b3小于所述凸榫根部的宽度b1。8.根据权利要求7所述的桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，其特征在于：所述凸榫根部的宽度b1为50mm；第一对接基准平面的宽度为b2为6mm；所述凸榫顶部的宽度b3为20mm；所述凸榫的高度h为55mm。

技术总结
本发明公开了一种桥梁工程用热轧带凸榫箱型结构梁，包括混凝土桥面板，钢箱腹板，焊接在腹板两端的翼缘板，所述翼缘板包括采用热轧工艺制得的翼缘板本体和翼缘板本体的一侧一体热轧的两个凸榫；每个凸榫顶部设有第一对接基准平面；第一对接基准平面的两侧对称设有第一焊接坡口；腹板包括腹板本体，腹板的两端均设有与翼缘板的凸榫对接的两个拼接部，每个拼接部上设有与第一对接基准平面焊接的第二对接基准平面，第二对接基准平面的两侧对称设有第二焊接坡口；所述腹板的焊接部第二对接基准平面与翼缘板的拼接凸榫的第一对接基准平面对接后在对接面的两侧形成对接熔透焊缝。本发明具有工业化制作程度高，便于机械制造、集约化生产、精度高且质量易于保证。精度高且质量易于保证。精度高且质量易于保证。


技术研发人员：韩振勇 张振学 汤洪雁 杨江国 崔志刚 洪泽 王振南 苏宁
受保护的技术使用者：辽宁紫竹高新技术设计研发有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/14