專利名稱：根據連接件軸力和剪力計算方法設計的抗扭組合梁板的制作方法
技術領域：
本發明涉及抗扭組合梁板結構，尤其是依據特定設計計算方法的抗扭組合梁結構改進，屬于建筑技術領域。
背景技術：
目前，兩種材料組成的組合梁板結構越來越多地應用于橋梁及高層建筑結構中。組合梁跨度的不斷增大，實際的組合梁往往處于彎扭等復合受力狀態。
剪力連接件的工作性能與組合梁的受力特性密切相關。然而至今對剪力連接件的性能分析都建立在試驗基礎上，剪力連接件在組合梁受復合彎扭作用時沒有成熟的設計計算方法，國內外規范均是空白。
檢索發現，申請號為96190324.4的中國授權發明專利公開了一種鋼筋混凝土梁的鋼筋尺寸的確定方法及其改進，其中鋼筋混凝土梁和立柱的鋼筋結構的尺寸確定和制造方法包括獨立地計算橫向鋼筋的水平和垂直筋條構件，取代傳統的箍筋，利于進行任何鋼筋混凝土結構的預制，具有相當的材料及貯存混凝土鋼筋結構構件所需的空間的節約。但該專利并不能解決組合梁板結構在受復合彎扭時的設計計算。因此，無法根據科學的計算，設計出具有盡可能合理的組合梁結構。

發明內容
本發明的目的在于針對現有抗扭組合梁結構設計存在的盲目性，無理論依據，無章可循，通過建立科學的數學模型，推導出抗扭連接件軸力和剪力計算方法，在此基礎上提出承載能力顯著提高的新型抗扭組合梁板結構，從而更好的滿足工程建設發展的需要。
通常，組合梁由A和B兩種材料組成，相互之間通過連接件連接而成。實驗表明，剪力連接件可承受水平X、Y兩方向的剪力，由于連接件自身受扭及其端部受彎矩作用都很小，因此剪力連接件的破壞主要是由剪切及軸向變形引起。
為了達到以上發明目的，申請人通過反復推演以及必要的驗證，歸納出的總體思路為首先假設上翼板發生微虛擬轉動，找到求抗扭連接件上軸力的方法；接著，為了求出作用于連接件上的剪力，把組合梁等效為半跨圓弧曲梁，從而使連接件的受力狀況完全等同于直線組合梁上連接件的受力狀況，在此合理數學模型上推導出組合梁板受彎扭時剪力的計算確定方法；最后根據上述計算公式和方法，設計出本發明承載能力顯著提高的抗扭組合梁板結構。
具體計算公式推演過程如下1扭矩引起的連接件上軸向力確定方法設連接件受力前后變形如圖1。組合梁板之間傳遞扭矩T時，連接件L上受到軸向力N(參見圖2和圖3)。
S表示栓釘連接件間的橫向間距；d表示連接件到旋轉中心(圖2中o點)的距離，可以認為每個連接件的受力與到o點的距離成正比。由力矩平衡方程可以得到在任意連接件上受到的最大豎向軸力。為確定在扭矩T的作用下每個剪力連接件的軸向受力Ni，記N為同一排Ni中最大值，T′為每排連接件所承擔的扭矩。
假設上翼板繞o點發生微小剛體轉動，從圖2和圖3可得NiN=(i-1)s+d(n′-1)s+d]]>所以，Ni=N((i-1)s+d(n′-1)s+d)---(1)]]>又因為Σi=1n′{[(i-1)s+d]Ni}=T′]]>
上述公式中，每排連接件承受扭矩T′為T′=Tn/n′---(2)]]>把式(1)代入式(2)，得到Σi=1n′{[(i-1)s+d]2N(n′-1)s+d}=T′]]>所以，N=(n′-1)s+dΣi=1n′[(i-1)s+d]2T′---(3)]]>當n′＝1時，即僅有一列連接件時，N=2T′bs---(4)]]>bs＝2d+(n′-1)s (5)2扭矩和彎矩引起連接件上的剪力確定方法在彎矩狀態下，作用A與B上下翼板交界面上連接件上的最大縱向剪力為Q，Q取(fAAA，ABfB)中較小者，Q＝min{fAAA，ABfB}(6)上述公式中，AA，AB分別表示A和B的截面面積，fA，fB分別為A和B的抗壓強度。
如圖4-圖6所示(C1截面處受力狀況相同于直梁CD任意截面)，在扭矩T，彎矩M作用下，直梁的半跨CD(D為跨中)，為了求出作用于連接件上的力V，可以等效為半跨圓弧曲梁C1D1，引起C1點扭矩的偏心距為 P為垂直于圓弧曲梁作用的力，取P=ML/2---(7)]]>式中，M，L分別表示直線組合梁的彎矩和跨度。
顯然，直線組合梁任意截面的受力完全等同于等效圓弧曲梁上C1點截面的受力狀況，因此，截面B1處的連接件的受力狀況完全等同于直線組合梁上任意截面處連接件的受力狀況，這樣就為直線組合梁受復合彎扭時剪力連接件的設計提供了方便。
沿上下翼板剖開，如圖3所示，剪力Vi和Q位于圓弧曲梁的水平面內，P為垂直于該水平面的外集中力。
由于Q對曲線組合梁各截面形心的偏心作用，引起每個連接件所承擔的剪力Vi與連接件到D1點的距離成正比。也就是說在半跨L/2內，單個連接件由扭矩產生的水平剪力Vi同該截面處的扭矩值成正比，大小沿直線C1D1線性分布，D1處Vi＝0，C1處Vi最大＝V，V4即是所求的由扭矩T在直梁連接件上引起的剪力，如上圖所示。連接件在梁跨內均勻分布，Q引起的單個連接件上的水平剪力Q1均與Q方向相反，半跨上所有連接件的Q1相等，且總和為Q，即Q1=Qn---(8)]]>用n表示為連接件的總數(半跨內)，n′表示連接件的列數，求出C1處單個連接件上的剪力Q1和V，也就知道了在彎扭作用下直線組合梁上連接件的所受剪力。半跨內連接件的排數m=nn′---(9)]]>由圖2可知tgα2=T/PL2---(10)]]>得到α=2tg-1(T/PL/2)---(11)]]>又因為(2Rsinα2)2=(L2)2+(TP)2,]]>所以R=L24+(TP)22sinα2---(12)]]>由ΣMD1=0,]]>即在水平平面內，所有連接件的Vi對B1的彎矩之和應等于所有連接件的Q1對B1的彎矩之和。從C1處開始，任意一排連接件上由扭矩引起的剪力ViVi=V-(i-1)v-0m-1(i=1,2,3...,m)---(13)]]>任意一排連接件上的Vi對D1的彎矩為[Vn′-(i-1)n′V-0m-1]×[2Rsinα2-2Rsinα2i-1m-1)]---(14)]]>任意一排連接件上的Q1對D1的彎矩為[Q1n′×[R(1-cosα)-R(1-cosα)i-1m-1)]---(15)]]>得到Σi=1m{[Vn′-(i-1)n′V-0m-1]×[2Rsinα2-2Rsinα2i-1m-1)]}]]>=Σi=1m{[Q1n′×[R(1-cosα)-R(1-cosα)i-1m-1)]}]]>故2n′VRsinα2Σi=1m{[1-i-1m-1]×[1-i-1m-1]}]]>=n′Q1R(1-cosα)Σi=1m[1-i-1m-1]---(16)]]>從而，得到C1處由扭矩作用而引起的單個連接件上剪力V為⇒V=n′Q1(1-cosα)Σi=1m[1-i-1m-1]2n′sinα2Σi=1m[1-i-1m-1]2---(17)]]>把Q1=Qn]]>代入式(16)可得V=Q(1-cosα)Σi=1m[1-i-1m-1]2n′sinα2mΣi=1m[1-i-1m-1]2=Q(1-cosα)2n′sinα2×Σi=1m[1-i-1m-1]mΣi=1m[1-i-1m-1]2---(18)]]>其中Σi=1m[1-i-1m-1]=m-Σi=1mi-1m-1,]]>而
Σi=1mi-1m-1=0+1m-1+2m-1+......+m-2m-1+1=0+12·m]]>是等差數列，所以V=Q(1-cosα)2n′sinα2×m2mΣi=1m[1-i-1m-1]2=Q(1-cosα)4n′sinα2×1Σi=1m(i-1m-1)2---(19)]]>其中Σi=1m[i-1m-1]2=1(m-1)2
]]>利用級數公式1+22+32+......+m2=16m(m+1)(2m+1)]]>有V=Q-(1-cosα)4n′sinα2×1Σi=1m(i-1m-1)2=Q(1-cosα)4n′sinα2×1m(2m-1)6(m-1)---(20)]]>設連接件的受扭影響系數k=m(2m-1)6(m-1)---(21)]]>式(20)可以寫成V=Q(1-cosα)n′4ksinα2---(22)]]>通過推導，可以把k=m(2m-1)6(m-1)]]>回歸為(m-1)的線性函數，系數k的回歸式為k＝0.332(m-1)+0.75(23)當n′＝1時，k＝0.332(n-1)+0.75(24)每個連接件所承受的剪力H為Q和V的矢量和，H的大小為H=Q12+V2+2Q1Vsinα2---(25)]]>當僅僅有扭矩T，H＝Q1(26)需要說明的是，事實上，連接件種類繁多(例如波形彎筋連接件、高強螺栓、角鋼、槽鋼、栓釘連接件、木栓等)，由于栓釘連接件受力性能好、焊接速度快，因此應用最為廣泛，上述過程以栓釘連接件為例，其它類型的連接件可以類推。
依據上述公式，申請人經過對比計算，得出復合載荷下組合梁的技術方案本發明的組合梁由翼緣板和支撐在翼緣板下面的結構梁構成，其改進之處在于所述翼緣板下表面附著通過連接件固連的壓形板，所述結構梁至少由兩側的斜面和底面構成，所述兩側斜面的下邊緣分別與底面的兩側邊固連，且上邊緣分別與壓形板的兩側固連，所述底面的寬度小于壓形板的寬度。理論計算和實驗驗證都表明，這種截面呈梯形的組合梁制造工藝方便，在用材量基本不變的情況下，可以提高承載能力50％到300％，與現有同類組合梁相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步，可以更好的滿足工程建設發展的需要。
由此可見，由于本發明具有足夠的理論依據指導，因此可以在成本基本不變的情況下，尋找到結構科學合理、具有更高承載能力的組合梁結構。


下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1是連接件受力前后變形示意圖。
圖2和圖3是剪力連接件上的豎向軸力作用示意圖。
圖4是受彎扭直線組合結構示意圖。
圖5是直線組合結構等效為圓弧曲梁交界面受力示意圖。
圖6是圖5的俯視圖。
圖7是現有典型組合梁之一的結構示意圖。
圖8是圖7的俯視旋轉示意圖。
圖9是本發明實施例一的結構示意圖。
圖10是現有典型組合梁之二的結構示意圖。
圖11是圖10的俯視旋轉示意圖。
圖12是本發明實施例二的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例一傳統閉口受彎扭組合梁的結構改進為本發明的抗扭組合梁板結構本實施例為采用本發明的上述抗扭連接件軸力和剪力計算方法對圖7和圖8所示傳統閉口受彎扭組合梁的結構改進。
圖7和圖8所示傳統閉口受彎扭組合梁中，混凝土翼緣板采用700mm×80mm，跨度3.8m，采用C30混凝土，結構鋼梁采用焊接箱形鋼板梁(厚度10mm，高×寬＝200mm×250mm)，半跨中的連接件數n＝20，連接件列數n′＝2，鋼梁屈服強度為300Mpa。所受彎矩M＝105kN.m，扭矩T＝68kN.m。
(1)采用栓釘連接件的直徑Φ16mm，截面面積201mm2。連接件上的水平剪力為Q＝min(fAAA，ABfB)＝924kN。垂直作用于圓弧梁上的力P為P=ML/2=55.26kN.]]>(2)α=2tg-1(T/PL/2)=66.10,]]>并可以得到R=L24+(TP)22sinα2=2.09m,]]>由V=Q(1-cosα)n′4ksinα2=33.21kN;]]>用H=Q12+V2+2Q1Vsinα2=69.0KN;]]>(3)確定在最大扭矩處與零彎矩處兩計算點之間的N，用N=(n′-1)s+dΣi=1n′[(i-1)s+d]2T′=11.60kN.]]>上述截面上剪力流q＝T/Ω，Ω＝200×(200+71)×2＝108518.5mm2。有τ＝q/t＝fsy/2＝160MPa，所以q＝7×160＝1120N/mm。故上述截面的抗扭承載力Tmax1＝q×Ω＝121.5×106N.mm＝121.5kN.m根據上述計算結果進行合理推演，把上述傳統組合梁截面結構改為圖9所示抗扭合梁結構，該組合梁主要由混凝土翼緣板1和支撐在翼緣板下的鋼板結構梁構成。翼緣板1中預埋間隔分布的兩排栓釘連接件2(也可以是其它形式的連接件)。從截面看，栓釘連接件2位于翼緣板下表面兩側附近。翼緣板下表面制成與壓形板表面形狀吻合的起伏狀(本實施例為梯形起伏)，并附著與栓釘連接件焊接固定的壓形板3。結構梁由鋼板折制出兩側對稱的斜面4-1和底面4-2構成，兩側斜面4-1的上邊緣分別與壓形板3的兩側焊接固連。由于底面4-2的寬度小于壓形板3的寬度，因此結構梁的截面呈中空的梯形。連接件受力和設計布置和上述類同，不另贅述。
改進之后，剪力流q＝T/Ω，Ω＝(700+200)×(200+21)＝198900mm2。有τ＝q/t＝fsy/2＝160MPa，所以q＝7×160＝1120N/mm故抗扭承載力Tmax2＝q×Ω＝222.8×106N.mm＝222.8kN.m。即本實施例組合梁承載力比原有同規格閉口受彎扭組合梁增大(Tmax2-Tmax1)/Tmax1＝(222.8-121.5)/121.5＝83.3％，實踐驗證與理論計算基本相符，在成本不變的情況下，承載能力顯著提高，并且制造方便。實施例二傳統開口受扭組合梁的結構改進為本發明的抗扭組合梁板本實施例為采用本發明的上述抗扭連接件軸力和剪力計算方法對圖10和圖11所示傳統開口受扭組合梁的結構改進。
圖10和圖11所示傳統開口受扭組合梁中，混凝土翼緣板采用800mm×80mm，跨度4.5m，采用C50混凝土，鋼梁采用工字型鋼，高度320mm，翼緣寬度132mm，腹板厚11.5mm，翼緣厚15.0mm，半跨中的連接件數n＝28，連接件列數n′＝2，鋼梁屈服強度為300Mpa。所受扭矩Tu＝3.12kN.m。
(1)采用栓釘連接件的直徑Φ12mm，截面面積113.1mm2。連接件上的水平剪力為Q＝min(fcAc，Agfy)＝1480kN。H＝Q1＝Q/n＝52.8kN.
(2)確定在最大扭矩處與零彎矩處兩計算點之間的N，用N=(n′-1)s+dΣi=1n′[(i-1)s+d]2T′=1.75kN.]]>上述組合截面的抗扭模量Jd＝2123756mm4。因為τmax＝Tδ/Jd＝f1y/2＝160MPa；所以抗扭承載力Tmax3＝160Jd/δmin＝48.543×103＝48kN.m在理論計算的指導下，將上述傳統開口受扭組合梁改為截面構造如圖12所示的本實施例組合梁。該組合梁主要由混凝土翼緣板1和支撐在翼緣板下的鋼板結構梁構成。翼緣板1中預埋間隔分布的三排栓釘連接件2(也可以是其它形式的連接件)。從截面看，三排栓釘連接件2分別位于翼緣板下表面兩側附近以及中間。翼緣板下表面制成與壓形板表面形狀吻合的起伏狀(本實施例實際為兩道梯形槽)，并附著與栓釘連接件焊接固定的壓形板3。結構梁由鋼板折制出兩側對稱的斜面4-1和底面4-2構成，兩側斜面4-1的上邊緣分別與壓形板3的兩側焊接固連。與實施例一不同的是，結構梁截面對稱中心還設有立板4-3，該立板的上邊和下邊分別與壓形板3以及底面4-2的中間焊接固定，從而使結構梁的梯形截面分割成左右兩近似三角形。
本實施例組合梁截面的抗扭模量Jd＝8638504mm4。所以抗扭承載力Tmax4＝160Jd/δmin＝160×8638504/7＝48.543×103＝197.5kN.m，比原先增大(Tmax4-Tmax3)/Tmax3＝(197.5-48)/48＝311％，實驗證明，改進效果十分顯著。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
權利要求
1.根據連接件軸力和剪力計算方法設計的抗扭組合梁板，由翼緣板和支撐在翼緣板下面的結構梁構成，其特征在于所述翼緣板下表面附著通過連接件固連的壓形板，所述結構梁至少由兩側的斜面和底面構成，所述兩側斜面的下邊緣分別與底面的兩側邊固連，且上邊緣分別與壓形板的兩側固連，所述底面的寬度小于壓形板的寬度。
2.根據權利要求1所述的組合梁板，其特征在于所述連接件為波形彎筋連接件、高強螺栓、角鋼、槽鋼、栓釘連接件、木栓之一。
3.根據權利要求1所述的組合梁板，其特征在于所述翼緣板由混凝土制成，其中預埋間隔分布的兩排栓釘連接件，所述兩排栓釘連接件分別位于翼緣板下表面兩側附近。
4.根據權利要求3所述的組合梁板，其特征在于所述翼緣板下表面制成與壓形板表面形狀吻合的起伏狀，并附著與栓釘連接件焊接固定的壓形鋼板。
5.根據權利要求4所述的組合梁板，其特征在于所述結構梁由鋼板折制出兩側對稱的斜面和底面構成，所述兩側斜面的上邊緣分別與壓形板的兩側焊接固連。
6.根據權利要求5所述的組合梁板，其特征在于所述翼緣板下表面制有與壓形板表面形狀吻合的兩道梯形槽。
7.根據權利要求6所述的組合梁板，其特征在于所述翼緣板下表面中間還預埋有一排栓釘連接件。
8.根據權利要求7所述的組合梁板，其特征在于所述結構梁截面對稱中心還設有立板，所述立板的上邊和下邊分別與壓形板以及底面的中間焊接固定。
全文摘要
本發明涉及依據特定設計計算方法的組合梁結構改進，屬于建筑和交通橋梁技術領域。該組合梁由翼緣板和支撐在翼緣板下面的結構梁構成，翼緣板下表面附著通過連接件固連的壓形板，結構梁至少由兩側的斜面和底面構成，兩側斜面的下邊緣分別與底面的兩側邊固連，且上邊緣分別與壓形板的兩側固連，底面的寬度小于壓形板的寬度。本發明在建立合理數學模型的基礎上推導出組合梁板受彎扭時剪力的設計計算方法，進而在理論依據指導下，設計出結構科學合理、具有更高承載能力的組合梁結構，可以更好的滿足工程建筑發展的需要。
文檔編號E04C3/29GK101016789SQ20071002047
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者胡少偉 申請人:胡少偉