一种起波型钢-混凝土组合梁论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种起波型钢‑混凝土组合梁，属于建筑技术领域以及结构工程技术领域。本实用新型的起波钢‑混凝土组合梁在大震作用下，起波处梁段将产生明显的塑性铰，先于跨中截面产生裂缝，随后起波处被拉直，其截面抗弯承载力得到加强，之后梁的屈服截面向跨中转移，梁的承载力还会继续上升，当跨中截面屈服，梁的变形继续增大，承载力不再增长，直至破坏，该设计使本实用新型的起波钢‑混凝土组合梁在地震作用下先于柱破坏，真正实现“强柱弱梁”；当本实用新型起波钢‑混凝土组合梁的跨度为5m、截面尺寸为250mm×450mm时，其极限抗弯承载能力可达212kN·m、极限挠度可达59mm。

主设计要求

1.一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述组合梁包含混凝土(1)以及内置于混凝土(1)内部的H型钢(2)；所述H型钢(2)包含上翼缘板(3)，下翼缘板(4)，腹板(5)，以及分别设置在上翼缘板(3)、下翼缘板(4)、腹板(5)上的第一螺栓(6)、第二螺栓(7)、第三螺栓(8)；所述上翼缘板(3)和下翼缘板(4)上设置有“U”型波(9)；所述“U”型波(9)的起波方向朝向梁的中和轴所在的水平面；所述“U”型波(9)内部填充有轻质填充材料(10)；所述“U”型波(9)不与腹板(5)相连；所述“U”型波(9)不与轻质填充材料(10)相接触的另一面通过不粘薄膜(11)与混凝土(1)相隔开；所述“U”型波(9)含有底面(12)以及两个侧面(13)。

设计方案

2.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述“U”型波(9)的两个侧面(13)等长。

3.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述“U”型波(9)的波高为6～10cm、波长为12～22cm。

4.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述上翼缘板(3)和下翼缘板(4)上的“U”型波(9)均为两个；所述上翼缘板(3)上的两个“U”型波(9)的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长加二分之一“U”型波(9)波长；所述下翼缘板(4)上的两个“U”型波(9)的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长减二分之一“U”型波(9)波长。

5.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述第一螺栓(6)垂直于上翼缘板(3)，第二螺栓(7)垂直于下翼缘板(4)，第三螺栓(8)垂直于腹板(5)。

6.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述上翼缘板(3)上的第一螺栓(6)有两列，沿梁长方向分布；两列第一螺栓(6)轴对称。

7.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，两列第一螺栓(6)中，一列第一螺栓(6)与腹板(5)所在的平面之间的距离等于另一列第一螺栓(6)与腹板(5)所在的平面之间的距离；两列第一螺栓(6)之间的间距为组合梁垂直于梁长方向长度的二分之一；位于同一列的第一螺栓(6)之间的间距为12～20cm。

8.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述下翼缘板(4)上的第二螺栓(7)与上翼缘板(3)上的第一螺栓(6)轴对称。

9.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述腹板(5)上的第三螺栓(8)有四列，沿梁长方向分布；其中两列第三螺栓(8)位于腹板(5)一侧，另外两列第三螺栓(8)位于腹板(5)另一侧；分别位于腹板(5)两侧的第三螺栓(8)轴对称。

10.如权利要求1所述的一种起波型钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述“U”型波(9)不与轻质填充材料(10)相接触的另一面通过不粘薄膜(11)与混凝土(1)相隔开。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种起波型钢-混凝土组合梁，属于建筑技术领域以及结构工程技术领域。

背景技术

钢-混凝土组合梁属于钢-混凝土组合结构的一种，是指由工字钢或H型钢及填充在两侧翼缘的混凝土构成的型钢-混凝土组合梁，这种组合方式能够充分发挥钢与混凝土的材料性能，有效提高组合梁的承载力、延性和抗震性能，具体体现为：组合梁两侧翼缘内的混凝土受翼缘和腹板的包裹处于三向受力状态，具有一定的约束效应，组合梁的型钢由于翼缘内填充混凝土，可有效抑制其局部屈曲或整体失稳的发生。因此，钢-混凝土组合梁被广泛应用于大跨度结构、高层以及超高层建筑中。

但是，现有的钢-混凝土组合梁仍旧存在以下几个很大的问题：

第一，在地震环境中，由于存在横向剪力，钢-混凝土组合梁的H型钢与混凝土之间容易发生分离，尤其是H型钢的翼缘板部分，除了横向剪力外，还承担整个钢-混凝土组合梁在重力环境下的纵向剪力，更易与混凝土之间发生分离；

第二，在强震中，传统的钢混梁受到地震作用，变形很大，甚至局部会出现拉断的情形；

第三，针对H型钢-混凝土梁，翼缘和腹板承担受力形式不同，通长焊接在一起，会彼此影响各自的受力，导致应力集中。

上述问题均大大降低了钢-混凝土组合梁的整体性，对钢-混凝土组合梁的稳定性和抗震性能造成了破坏。因此，急需设计出一种受力性能更好、抗震性能更佳的钢-混凝土组合梁。

实用新型内容

[技术问题]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种受力性能、抗震性能佳的钢-混凝土组合梁。

[技术方案]

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种起波型钢-混凝土组合梁，所述组合梁包含混凝土1以及内置于混凝土1内部的H型钢2；所述H型钢2包含上翼缘板3，下翼缘板4，腹板5，以及分别设置在上翼缘板3、下翼缘板4、腹板5上的第一螺栓6、第二螺栓7、第三螺栓8；所述上翼缘板3和下翼缘板4上设置有“U”型波9；所述“U”型波9的起波方向朝向梁的中和轴所在的水平面；所述“U”型波9内部填充有轻质填充材料10；所述“U”型波9不与腹板5相连；所述“U”型波9不与轻质填充材料10相接触的另一面通过不粘薄膜11与混凝土1相隔开；所述“U”型波9含有底面12以及两个侧面13。

在本实用新型的一种实施方式中，所述“U”型波9的两个侧面(13)等长。

在本实用新型的一种实施方式中，所述“U”型波9的波高H＝6～10cm、波长L＝12～22cm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述上翼缘板3和下翼缘板4上的“U”型波9均为两个；所述上翼缘板3上的两个“U”型波9的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长加二分之一“U”型波9波长；所述下翼缘板4上的两个“U”型波9的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长减二分之一“U”型波9波长。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第一螺栓6垂直于上翼缘板3，第二螺栓7垂直于下翼缘板4，第三螺栓8垂直于腹板5。

在本实用新型的一种实施方式中，所述上翼缘板3上的第一螺栓6有两列，沿梁长方向分布；两列第一螺栓6轴对称。

在本实用新型的一种实施方式中，两列第一螺栓6中，一列第一螺栓6与腹板5所在的平面之间的距离等于另一列第一螺栓6与腹板5所在的平面之间的距离；两列第一螺栓6之间的间距为组合梁垂直于梁长方向长度的二分之一；位于同一列的第一螺栓6之间的间距为 12～20cm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述下翼缘板4上的第二螺栓7与上翼缘板3上的第一螺栓6轴对称。

在本实用新型的一种实施方式中，所述腹板5上的第三螺栓8有四列，沿梁长方向分布；其中两列第三螺栓8位于腹板5一侧，另外两列第三螺栓8位于腹板5另一侧；分别位于腹板5两侧的第三螺栓8轴对称。

在本实用新型的一种实施方式中，四列第三螺栓8中，靠近上翼缘板3的两列第三螺栓 8与上翼缘板3之间的距离等于靠近下翼缘板4的两列第三螺栓8与下翼缘板4之间的距离；位于腹板5同一侧的两列第三螺栓8之间的间距为组合梁垂直于梁长方向长度的二分之一；位于同一列的第三螺栓8之间的间距为12～20cm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述腹板5所在的平面可将整个组合柱等分为完全相同的两份。

在本实用新型的一种实施方式中，所述不粘薄膜11可为尼龙薄膜、塑料薄膜、聚酯薄膜或复合薄膜。

在本实用新型的一种实施方式中，所述轻质填充材料10可为聚氨酯泡沫材料、酚醛泡沫材料或硬质海绵材料。

本实用新型还提供了上述一种起波型钢-混凝土组合梁在建筑方面的应用。

[有益效果]

(1)本实用新型起波钢-混凝土组合梁的翼缘板在靠近梁柱节点的反弯点处弯折起波，形成“U”型波状突起，此“U”型波状突起可在受荷拉直的过程中可发生大变形，极大地增加了本实用新型起波钢-混凝土组合梁在地震作用下的变形能力，进而大大增强了本实用新型起波钢-混凝土组合梁在大震下的抗倒塌能力；

(2)本实用新型起波钢-混凝土组合梁在起波处覆有不粘薄膜，使其与混凝土在局部无粘结，不影响“U”型波状突起发生变形，并且，本实用新型起波钢-混凝土组合梁的“U”型波状突起处填充有轻质填充材料，使得其在被拉直过程中不会对混凝土产生挤压作用，进一步增加了本实用新型起波钢-混凝土组合梁在地震作用下的变形能力，进而大大增强了本实用新型起波钢-混凝土组合梁在大震下的抗倒塌能力；

(3)当本实用新型起波钢-混凝土组合梁的跨度为5m、截面尺寸为250mm×450mm时，其极限抗弯承载能力可达212kN·m、极限挠度可达59mm；

(4)本实用新型的起波钢-混凝土组合梁能充分发挥钢和混凝土两种材料的性能，其混凝土被部分包裹在型钢中，处于多向受力状态，具有一定的约束效应，可有效抑制其局部屈曲或整体失稳的发生，因此，本实用新型的起波钢-混凝土组合梁承载能力和延性均较好，且高度较低，能够增大室内净高；

(5)针对梁混凝土与梁H型钢之间的粘结问题，本实用新型的起波钢-混凝土组合梁采取了在上下翼缘板以及腹板上加设螺栓的形式以增加两个界面的粘结，保证钢板与混凝土共同工作，确保组合梁的正常使用和承载能力，此措施也一定程度的加强了本实用新型起波钢- 混凝土组合梁在大震下的抗倒塌能力；

(6)本实用新型的起波钢-混凝土组合梁在大震作用下，起波处梁段将产生明显的塑性铰，先于跨中截面产生裂缝，随后起波处被拉直，其截面抗弯承载力得到加强，之后梁的屈服截面向跨中转移，梁的承载力还会继续上升，当跨中截面屈服，梁的变形继续增大，承载力不再增长，直至破坏，该设计使本实用新型的起波钢-混凝土组合梁在地震作用下先于柱破坏，真正实现“强柱弱梁”。

附图说明

图1为一种起波型钢-混凝土组合梁的立体结构示意图。

图2为一种起波型钢-混凝土组合梁的内部结构示意图。

图3为一种起波型钢-混凝土组合梁的“U”型波结构示意图。

图1-2中，1为混凝土、2为H型钢、3为上翼缘板、4为下翼缘板、5为腹板、6为第一螺栓、7为第二螺栓、8为第三螺栓、9为“U”型波、10为轻质填充材料、11为不粘薄膜、 12为底面以及13为侧面。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图以及实施例对本实用新型进行进一步的阐述：

下述实施例中涉及的检测方法如下：

抗弯承载能力检测方法：

对起波钢-混凝土组合梁进行抗弯承载力试验研究，采用两点对称加载方式，采用50t级别油压千斤顶进行加载，并通过分配梁将荷载传递至试件的两个加载点处，在千斤顶处安装力传感器，其量程为100t，用来测量梁受到的荷载值。试验采用分级加载，荷载每级增加5kN，起波处底板先被拉直后，梁的屈服截面逐渐向跨中转移，跨中截面屈服后荷载改为每级10kN，每级荷载持续时间约为5min，直至变形持续增大导致梁破坏为止。

将位移计布置在跨中和加载点处以量测梁在纯弯段的位移。将应变片分别布置在试件跨中和加载点截面的钢板以及混凝土上：在盖板表面等距布置两个应变片，在起波底板下表面等距布置五个应变片，在腹板外侧沿高度方向等距布置五个应变片。

极限挠度检测方法：

采用百分表或位移计直接测量，在梁的跨中截面下方安放一个激光位移计，测定梁的跨中挠度。

实施例1：一种起波型钢-混凝土组合梁

如图1-3，一种起波型钢-混凝土组合梁包含混凝土1以及内置于混凝土1内部的H型钢 2；所述H型钢2包含上翼缘板3，下翼缘板4，腹板5，以及分别设置在上翼缘板3、下翼缘板4、腹板5上的第一螺栓6、第二螺栓7、第三螺栓8；所述上翼缘板3和下翼缘板4上设置有“U”型波9；所述“U”型波9的起波方向朝向梁的中和轴所在的水平面；所述“U”型波9内部填充有轻质填充材料10；所述“U”型波9不与腹板5相连；所述“U”型波9 不与轻质填充材料10相接触的另一面通过不粘薄膜11与混凝土1相隔开；所述“U”型波9 含有底面12以及两个侧面13。

作为进一步的优选，所述“U”型波9的两个侧面(13)等长。

作为进一步的优选，所述“U”型波9的波高H＝6～10cm、波长L＝12～22cm。

作为进一步的优选，所述上翼缘板3和下翼缘板4上的“U”型波9均为两个；所述上翼缘板3上的两个“U”型波9的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长加二分之一“U”型波9波长；所述下翼缘板4上的两个“U”型波9的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长减二分之一“U”型波9波长。

作为进一步的优选，所述第一螺栓6垂直于上翼缘板3，第二螺栓7垂直于下翼缘板4，第三螺栓8垂直于腹板5。

作为进一步的优选，所述上翼缘板3上的第一螺栓6有两列，沿梁长方向分布；两列第一螺栓6轴对称。

作为进一步的优选，两列第一螺栓6中，一列第一螺栓6与腹板5所在的平面之间的距离等于另一列第一螺栓6与腹板5所在的平面之间的距离；两列第一螺栓6之间的间距为组合梁垂直于梁长方向长度的二分之一；位于同一列的第一螺栓6之间的间距为12～20cm。

作为进一步的优选，所述下翼缘板4上的第二螺栓7与上翼缘板3上的第一螺栓6轴对称。

作为进一步的优选，所述腹板5上的第三螺栓8有四列，沿梁长方向分布；其中两列第三螺栓8位于腹板5一侧，另外两列第三螺栓8位于腹板5另一侧；分别位于腹板5两侧的第三螺栓8轴对称。

作为进一步的优选，四列第三螺栓8中，靠近上翼缘板3的两列第三螺栓8与上翼缘板 3之间的距离等于靠近下翼缘板4的两列第三螺栓8与下翼缘板4之间的距离；位于腹板5同一侧的两列第三螺栓8之间的间距为组合梁垂直于梁长方向长度的二分之一；位于同一列的第三螺栓8之间的间距为12～20cm。

作为进一步的优选，所述腹板5所在的平面可将整个组合柱等分为完全相同的两份。

作为进一步的优选，所述不粘薄膜11可为尼龙薄膜、塑料薄膜、聚酯薄膜或复合薄膜。

作为进一步的优选，所述轻质填充材料10可为聚氨酯泡沫材料、酚醛泡沫材料或硬质海绵材料。

实施例2：一种起波型钢-混凝土组合梁的检测

具体步骤如下：

以C40普通混凝土为长方形混凝土的材料，Q345钢材为钢骨架的材料，选用M20*90的外六角热镀锌螺栓型号的第一螺栓、第二螺栓以及第三螺栓，选用酚醛泡沫材料；选用塑料不粘薄膜，按实施例1，制备得到一种起波型钢-混凝土组合梁。

起波钢-混凝土组合梁的跨度为5m、截面尺寸为250mm×450mm；上翼缘板的尺寸为200mm×6mm，下翼缘板的尺寸为200mm×8mm，腹板的高度为320mm；上翼缘板和下翼缘板上均设有两个“U”型波；上翼缘板上的两个“U”型波的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长加二分之一“U”型波波长；所述下翼缘板上的两个“U”型波的起波中心与距其更近的梁端之间的距离为五分之一梁长减二分之一“U”型波波长；“U”型波的波高H＝40mm、波长L＝80mm；上翼缘板上设有对称分布的两列第一螺栓，两列第一螺栓之间的间距为100mm，位于同一列的第一螺栓之间的间距为200mm，其中一列第一螺栓与腹板所在的平面之间的距离为50mm，另一列第一螺栓与腹板所在的平面之间的距离为50mm；下翼缘板上的第二螺栓与上翼缘板上的第一螺栓对称分布；腹板上设有四列第三螺栓，其中两列第三螺栓位于腹板一侧，另外两列第三螺栓位于腹板另一侧，分别位于腹板两侧的第三螺栓轴对称，四列第三螺栓中，靠近上翼缘板的两列第三螺栓与上翼缘板之间的距离为100mm，靠近下翼缘板的两列第三螺栓与下翼缘板之间的距离为100mm，位于腹板同一侧的两列第三螺栓之间的间距为100mm，位于同一列的第三螺栓之间的间距为200mm；腹板所在的平面可将整个组合柱等分为完全相同的两份。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达212kN·m、极限挠度可达59mm。

实施例3：一种起波型钢-混凝土组合梁的检测

具体步骤如下：

实施例3为在实施例2的基础上，去除不粘薄膜，制备得到一种起波型钢-混凝土组合梁。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达195kN·m、极限挠度可达50mm。

实施例4：一种起波型钢-混凝土组合梁的检测

具体步骤如下：

实施例4为在实施例2的基础上，将上翼缘板和下翼缘板上的“U”型波的数量减少为一个，此“U”型波设置在上翼缘板与下翼缘板的二分之一处，制备得到一种起波型钢-混凝土组合梁。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达180kN·m、极限挠度可达51mm。

实施例5：一种起波型钢-混凝土组合梁的检测

具体步骤如下：

实施例5为在实施例2的基础上，去除第一螺栓、第二螺栓以及第三螺栓，制备得到一种起波型钢-混凝土组合梁。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达171kN·m、极限挠度可达48mm。

实施例6：一种起波型钢-混凝土组合梁的检测

具体步骤如下：

实施例6为在实施例2的基础上，将轻质填充材料替换为C40普通混凝土，制备得到一种起波型钢-混凝土组合梁。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达190kN·m、极限挠度可达51mm。

对比例1：现有钢-混凝土组合梁的检测

本对比例中的钢-混凝土组合梁的结构参照文献：杨哲光,刘忠,朱智俊.工字型钢-混凝土组合梁受弯性能数值分析[J].建筑结构,2013,43(7):77-81.

以C40普通混凝土为混凝土的材料，Q345钢材为钢骨架的材料，M20*90的普通螺栓型号的栓钉，制备得到一种钢-混凝土组合梁。

-混凝土组合梁的跨度为5m、截面尺寸为250mm×450mm；上翼缘板的尺寸为200mm× 6mm，下翼缘板的尺寸为200mm×8mm，腹板的高度为320mm。

根据上述抗弯承载力检测方法以及极限挠度检测方法测量其极限抗弯承载能力以及极限挠度，检测结果为：极限抗弯承载能力可达165kN·m、极限挠度可达38mm。

从实施例2和对比例1可以看出，实施例1-2的起波钢-混凝土组合梁与现有钢-混凝土组合梁相比，抗弯承载力有些许提升，同时，实施例1-2的起波钢-混凝土组合梁与现有钢-混凝土组合梁相比，极限挠度有了较为明显的提升，证明实施例1-2的起波钢-混凝土组合梁在大震下的抗倒塌能力十分强，具有极大的应用前景。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

设计图

一种起波型钢-混凝土组合梁论文和设计

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