单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法

摘要

本发明提供了一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，所述方法步骤包括：(1)根据开设通行孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔削弱后的极限受压强度；(2)根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定合适的补强方式和补强板尺寸；(3)计算补强后的极限受压强度；(4)验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到(4)，直到补强后的极限受压强度达到设计要求为止；(5)按照要求将补强板焊接在开孔板上。本发明理论可靠、逻辑清楚、方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及钢结构设计与构造技术领域，具体的，涉及一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法。

背景技术

钢桥塔具有体积小、自重轻、抗震性能好、施工周期短等优点。近年来，随着香港汀九桥、南京长江第三大桥、泰州长江大桥、宁波外滩大桥等桥梁的陆续竣工和开工建设，钢桥塔在我国桥梁建设中得到了更加广泛的应用。与混凝土桥塔相比，钢桥塔在满足相同承载能力的情况下可以做得更加轻巧，在工厂生产制造，然后到现场进行拼装，施工方便快捷，并可缩短施工周期。虽然钢桥塔的工程造价通常比混凝土桥塔高，但是采用钢桥塔之后基础承受的重量要小很多，因此从工程项目的总体效益来看，钢桥塔结构可能会比混凝土桥塔结构更加经济。此外，斜拉桥的拉索锚固区受力复杂、局部应力大，若采用钢筋混凝土桥塔，需要在拉索锚固区附近布置较多的预应力钢筋，施工比较复杂，采用钢桥塔则可以避免这些问题。目前，经济的可持续发展成为各国政府的战略方针，人们日益重视对有限资源的节约利用和对自然环境的保护，国际上也提出了可持续工程和绿色工程的概念。21世纪的桥梁设计将更加重视结构的耐久性和全寿命经济性，降低不可再生资源的消耗，提高工业和建筑废料的再利用以及减少对环境的破坏和影响。钢材作为绿色建材，将大有用武之地，采用钢桥塔设计完全符合第三代结构设计的新理念。我国经济建设不断健康发展，钢产量与品质不断提高，国家的工程建设技术政策己经发生重大变化，今后将会有更多的桥梁工程会采用钢桥塔结构形式。

由于构造、施工、检修、维护等需要，不可避免对钢箱桥塔中的某些受力板件进行开孔，其中最为典型的是长圆形通行孔。这些人员通行孔通常开设在桥塔根部的外壁板和内部竖向隔板上，孔洞形状多为由上下两个半圆形和中间一个矩形组成的长圆形(见图2)。据统计，钢桥塔长圆形通行孔的开孔率多介于0.2～0.5之间。较大的开孔率将对钢桥塔受压板件的力学性能产生不可忽略的影响，具体表现为：①开孔板在面内荷载作用下产生孔边应力集中现象，可能导致钢板发生局部破坏，并影响其疲劳性能；②受压开孔板的弹性屈曲临界荷载和弹塑性受压极限强度均随着孔径增大而显著降低，且当板件宽厚比较小时(即厚板)的降低幅度更为明显。对于钢箱桥塔的开孔板而言，当通行孔开设于桥塔根部时，板件承受着非常高的压应力。因此，过大的孔洞尺寸或过多的孔洞数量将可能导致这些开孔板的正常使用或结构安全难以满足，必要时需采取合理、有效的措施进行孔洞补强。

经检索，公开号为CN 101457591U、申请号为200810154696.8的中国发明专利，该专利公开了一种钢梁贯通孔补强方法,在钢梁的塑性区内开通孔；根据开孔位置、孔径确定出所需要的补强环的结构，将补强环焊接在所述通孔上。

上述专利不适用于孔洞形状为长圆形、且钢板处于面内受压工况的情形，无法作为钢桥塔内部开设通行孔的补强方法，并且没有给出补强前和补强后的强度处理方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，实现补强后的开孔钢板受压强度达到要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，所述单轴受压开长圆形孔钢板是指处于面内单轴受压状态且通行孔为长圆形孔的开孔板；

所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：根据开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔板开孔削弱后的极限受压强度；

步骤(2)：根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定加劲板尺寸；

步骤(3)：根据步骤(2)，计算补强后的极限受压强度；

步骤(4)：根据步骤(3)的结果，验算补强后的开孔板强度；

若补强后的开孔板强度不满足设计要求，则重复步骤(2)到步骤(4)，直到补强后的开孔板强度达到设计要求为止；

步骤(5)：根据符合设计要求的加劲板尺寸，将加劲板焊接在开孔板上：

将两块加劲板沿平行于长圆孔直边方向放置于开孔板的同一侧，并各自位于长圆孔的两侧，保持加劲板板面与开孔板板面相垂直，并保持加劲板与长圆孔直边的净距为加劲板厚度；再在加劲板两侧与开孔板交线处施加角焊缝将加劲板与开孔板焊接固定。

优选地，步骤(1)中，所述开孔板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的竖向高度a与横向宽度b之比介于2至5之间。

优选地，步骤(1)中，所述通行孔为长圆形孔，其中长圆形由上下两个半圆形与中间一个矩形组成。

更优选地，所述通行孔孔高h与通行孔孔宽d之比介于1.5至3之间。

更优选地，所述通行孔孔宽d与开孔板横向宽度b之比介于0.1至0.7之间。

优选地，步骤(1)中，所述开孔板开孔削弱后的极限受压强度σ_u按照如下公式计算：

${\sigma }_u=(1-\frac{d}{b}){\sigma }_y,$

其中：σ_y为钢材的屈服强度，d为通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度。

优选地，步骤(2)中，所述加劲补强适用于通行孔孔洞宽度d/b>0.3且强度提高需求≥1.9σ_u的情况，其中：σ_u为板件开孔削弱后的极限受压强度，d为通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度。

优选地，步骤(2)中，所述加劲板尺寸包括加劲板厚度和加劲板宽度，其中：加劲板厚度t_l不大于t为开孔板厚度；加劲板宽度h_l与加劲板厚度t_l之比介于8至12之间。

优选地，步骤(3)中，所述开孔板在加劲补强后的极限受压强度σ_lu按照如下公式计算：

${\sigma }_{lu}=(1.08+1.23·\frac{d}{b}·\frac{t_l}{t}){\sigma }_u,$

其中：σ_u为板件开孔削弱后的极限受压强度。

优选地，步骤(5)中：两块加劲板的厚度为t_l、宽度为h_l、长度为(h-2t_l)；

优选地，步骤(5)中：角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_l之间的较大值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对钢箱桥塔内部开设通行孔的钢板，提供了一种行之有效的补强方法，能够很好地弥补钢桥塔内部受压板件由于开孔而造成的强度削弱，并可根据实际工程的强度需求进行选择采用。本发明理论可靠、逻辑清楚、方法简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的钢箱桥塔内部开设通行孔及加劲补强示意图，其中：(a)为开孔未补强示意图，(b)为围板补强示意图；

图2为本发明一实施例的钢箱桥塔内部通行孔构造图；

图3为本发明一实施例的经过孔边加劲补强的单轴受压开长圆形孔钢板的构造图，其中：(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；

图4为本发明一实施例的实施流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1中(a)所示，单轴受压开长圆形孔钢板主要由桥塔壁板、横向隔板和竖向隔板组成，并且处于竖向压力荷载工况下；如图1中(b)所示，单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，主要是按照施工要求，将加劲板焊接在长圆形孔洞的两侧。

如图2所示，在一实施例中，对象是钢箱桥塔内部开设有通行孔的受压钢板，其尺寸包括：钢板竖向高度a、钢板横向宽度b、钢板厚度t，以及通行孔孔高h、通行孔孔宽d，其中：钢板竖向高度a与钢板横向宽度b之比介于2到5之间；通行孔孔高h与孔宽d之比介于1.5至3之间；通行孔孔宽d与钢板横向宽度b之比介于0.1至0.7之间。

如图3中(a)、(b)、(c)所示，一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，具体施工方法是：将两块加劲板沿平行于长圆孔直边方向放置于受压钢板的同一侧，并各自位于长圆孔的两侧，保持加劲板与受压钢板相垂直，并保持加劲板与长圆孔直边的净距为t_l，再在加劲板两侧与受压钢板交线处施加整圈角焊缝将加劲板与受压钢板焊接固定。

如图4所示，一种单轴受压开长圆形孔钢板的孔边加劲补强方法，所述方法具体包括如下步骤：

(1)根据受压钢板的几何尺寸(包括受压钢板的宽度、厚度、长度、开孔宽度和开孔长度)和材料特性，利用公式计算受压钢板开孔削弱后的极限受压强度σ_u，其中：σ_y为钢材的屈服强度，d为通行孔孔宽，b为钢板横向宽度；

(2)根据受压钢板几何特征(包括宽厚比b/t、长宽比a/b以及开孔率d/b的要求)，加劲补强适用于通行孔孔洞宽度较大(d/b>0.3)且强度提高需求较大(≥1.9σ_u)的情况，要求角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_r之间的较大值，加劲补强的加劲板厚度t_l不大于(其中：t为开孔板厚度)，加劲板宽度h_l与加劲板厚度t_l之比介于8至12之间；然后根据实际工程对于强度提高的需求选定合适的加劲板尺寸；

(3)基于公式计算补强后的极限受压强度，所述受压钢板在加劲补强后的极限受压强度σ_lu按照公式计算；

(4)验算补强后的受压钢板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到(4)，直到补强后的极限受压强度达到设计要求为止；

(5)按照要求将加劲板焊接在受压钢板上，具体的：

将两块厚t_l、宽h_l、长(h-2t_l)的加劲板沿平行于长圆孔直边方向放置于受压钢板的同一侧，并各自位于长圆孔的两侧，保持加劲板板面与受压钢板板面相垂直，并保持加劲板与长圆孔直边的净距为t_l，再在加劲板两侧与受压钢板交线处施加角焊缝将加劲板与受压钢板焊接固定，其中角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_l之间的较大值。

综上实施例，可以弥补钢箱桥塔内部开设通行孔导致钢板受压强度削弱的不足，为之提供相对应的开孔补强方法，并且可以计算确定补强之后的钢板受压极限强度，但应当认识到上述描述不应被认为是本发明的限制。除此之外，本发明还有其它实施方式。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。