【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及桥梁设计，具体涉及一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法及系统。
技术介绍
1、随着我国经济社会发展水平的提升和钢材产能的增加，钢结构桥梁的应用逐渐增多，其中钢-混组合结构桥梁可充分利用钢材抗拉和混凝土抗压的材料性能优势。冷弯卷边u型组合梁作为钢-混组合结构桥梁之一，其承载能力主要取决于冷弯卷边u型钢梁的截面形式，冷弯梁是通过将一块轧制钢板通过折弯机折弯四次形成，折弯位置的不同会导致形成的截面承载能力不同，因此，为进一步提升钢材材料利用率，钢梁最优截面设计尤为关键。
技术实现思路
1、本申请提供一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法及系统，以解决传统测算方法考虑因素简单，测算结果偏差较大，无法满足铁路车站设计实际工作的要求等的问题。
2、根据第一方面，一种实施例中提供一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，所述倒置冷弯卷边u型钢梁的横截面整体呈梯形，包括一块上翼缘板、两块下翼缘板以及两块斜腹板，所述上翼缘板的两端分别通过第一折弯段连接两块斜腹板，两块斜腹板分别通过第二折弯段连接两块下翼缘板；
3、所述最优截面设计方法包括：
4、将给定的钢板参数值带入预先确定的钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，得到钢梁整体抗弯截面惯性矩ix关于上翼缘板宽度btf、腹板长度d和下翼缘板宽度bbf的三元一次函数关系式；
5、根据钢梁截面几何关系确定上翼缘板宽度btf与斜腹板长度d的关系式，根据上翼缘板宽度btf与斜腹板长度d的关系式
6、根据剪力钉最小间距和最小边距布置要求以及高强螺栓最小边距布置要求确定下翼缘板宽度bbf的限值条件，根据所述限值条件简化所述二元一次函数关系式，得到钢梁整体抗弯截面惯性矩ix关于腹板长度d的一元一次函数关系式；
7、根据所述一元一次函数关系式进行曲线拟合，并考虑所述限值条件，得到最佳腹板长度d，完成最优截面设计以实现钢梁整体抗弯截面惯性矩达到最大值，钢材材料利用率最高的目标。
8、进一步地，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，具体包括：
9、根据计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积和截面形心，确定钢梁整体截面形心yc的计算公式；
10、基于计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积、截面形心、抗弯截面惯性矩以及钢梁整体截面形心yc的计算公式，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式。
11、进一步地，根据计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积和截面形心，确定钢梁整体截面形心yc的计算公式，具体包括：
12、定义钢板宽度为w，钢板厚度为t；上翼缘板宽度为btf，下翼缘板宽度为bbf，腹板长度为d，腹板斜率为m；钢梁高度为h；两块下翼缘板之间的间隔为检修宽度，设为j；折弯半径为r1＝nt，腹板与上翼缘板之间的第一折弯段长度为lbend1，腹板与下翼缘板之间的第二折弯段长度为lbend2，具体的，r1为折弯段的内缘半径，r为圆心到折弯段中轴线的半径，r2为折弯段的外缘半径，lbend1与lbend2为折弯段中轴线的长度；
13、建立坐标系xoy，坐标原点位置位于上翼缘板截面中心处，所述倒置冷弯卷边u型钢梁整体截面关于y轴对称，故取半截面进行简化计算，钢梁整体截面形心yc的计算公式：
14、
15、式中：
16、为上翼缘板面积一半，
17、为上翼缘板半截面形心相对于坐标原点的纵坐标值，
18、为第一折弯段截面面积，为第一折弯段截面形心相对于坐标原点的纵坐标值，第一折弯段截面形心位置：
19、θ1为斜腹板与y方向之间的夹角，aweb为斜腹板截面面积，yweb为斜腹板截面形心相对于坐标原点的纵坐标值，斜腹板y方向长度：dy＝h-t-2r，斜腹板总长度：
20、为第二折弯段截面面积，为第二折弯段截面形心相对于坐标原点的纵坐标值，第二折弯段截面形心位置：
21、为下翼缘板截面面积，为下翼缘板截面形心相对于坐标原点的纵坐标值。
22、进一步地，基于计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积、截面形心、抗弯截面惯性矩以及钢梁整体截面形心yc的计算公式，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，具体包括：
23、
24、式中：
25、为上翼缘板抗弯惯性矩一半，
26、为下翼缘板抗弯惯性矩，
27、第一折弯段抗弯惯性矩：
28、第二折弯段抗弯惯性矩：
29、斜腹板抗弯惯性矩：
30、进一步地，将给定的钢板参数值带入预先确定的钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，具体包括：
31、给定的钢板参数值包括钢板宽度w、钢板厚度t、腹板斜率m以及折弯半径r1。
32、进一步地，根据钢梁截面几何关系确定上翼缘板宽度btf与斜腹板长度d的关系式，具体包括：
33、根据下式得到上翼缘板宽度btf与斜腹板长度d的关系式：
34、
35、式中：
36、c1为上翼缘板与斜腹板中轴线延长线的水平长度，腹板与上翼缘板之间夹角α1＝π-tan-1(m)；
37、c2为下翼缘板与斜腹板中轴线延长线的水平长度，腹板与下翼缘板之间夹角
38、第一折弯段中轴线长度：
39、第二折弯段中轴线长度：
40、进一步地，根据剪力钉最小间距和最小边距布置要求以及高强螺栓最小边距布置要求确定上翼缘板宽度btf和下翼缘板宽度bbf的限值条件，具体包括：
41、上翼缘板宽度btf需满足四排剪力钉最小间距布置要求以及最小边距布置要求，即btf≥50mm+13d，其中d为剪力钉直径；下翼缘板宽度bbf应满足一排高强螺栓最小边距布置要求，即bbf≥2×2d0，其中d0为螺栓孔直径。
42、根据第二方面，一种实施例中提供一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计系统，所述倒置冷弯卷边u型钢梁的横截面整体呈梯形，包括一块上翼缘板、两块下翼缘板以及两块斜腹板，所述上翼缘板的两端分别通过第一折弯段连接两块斜腹板，两块斜腹板分别通过第二折弯段连接两块下翼缘板；
43、所述系统包括：
44、第一函数关系确定模块，用于将给定的钢板参数值带入预先确定的钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，得到钢梁整体抗弯截面惯性矩ix关于上翼缘板宽度btf、腹板长度d和下翼缘板宽度bbf的三元一次函数关系式；
45、第二函数关系确定模块，用于根据钢梁截面几何关系确定上翼缘板宽度btf与斜腹板长度d的关系式，根据上翼缘板宽度btf与斜腹本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，所述倒置冷弯卷边U型钢梁的横截面整体呈梯形，包括一块上翼缘板、两块下翼缘板以及两块斜腹板，所述上翼缘板的两端分别通过第一折弯段连接两块斜腹板，两块斜腹板分别通过第二折弯段连接两块下翼缘板；
2.如权利要求1所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩Ix的计算公式，具体包括：
3.如权利要求2所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，根据计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积和截面形心，确定钢梁整体截面形心yc的计算公式，具体包括：
4.如权利要求3所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，基于计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积、截面形心、抗弯截面惯性矩以及钢梁整体截面形心yc的计算公式，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩Ix的计算公式，具体包括：
5.如权利要求4所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，将给定的钢板
6.如权利要求5所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，根据钢梁截面几何关系确定上翼缘板宽度btf与斜腹板长度D的关系式，具体包括：
7.如权利要求1所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，根据剪力钉最小间距和最小边距布置要求以及高强螺栓最小边距布置要求确定上翼缘板宽度btf和下翼缘板宽度bbf的限值条件，具体包括：
8.一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计系统，其特征在于，所述倒置冷弯卷边U型钢梁的横截面整体呈梯形，包括一块上翼缘板、两块下翼缘板以及两块斜腹板，所述上翼缘板的两端分别通过第一折弯段连接两块斜腹板，两块斜腹板分别通过第二折弯段连接两块下翼缘板；
9.根据权利要求8所述的一种倒置冷弯卷边U型钢梁最优截面设计系统，其特征在于，所述第一函数关系确定模块，具体用于：
10.一种倒置冷弯卷边U型钢梁，其特征在于，所述倒置冷弯卷边U型钢梁根据权利要求1-7任意一项所述设计方法设计制得。
...【技术特征摘要】
1.一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，所述倒置冷弯卷边u型钢梁的横截面整体呈梯形，包括一块上翼缘板、两块下翼缘板以及两块斜腹板，所述上翼缘板的两端分别通过第一折弯段连接两块斜腹板，两块斜腹板分别通过第二折弯段连接两块下翼缘板；
2.如权利要求1所述的一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，具体包括：
3.如权利要求2所述的一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，根据计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积和截面形心，确定钢梁整体截面形心yc的计算公式，具体包括：
4.如权利要求3所述的一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，基于计算的上翼缘板、下翼缘板、斜腹板、第一折弯段以及第二折弯段各自的截面面积、截面形心、抗弯截面惯性矩以及钢梁整体截面形心yc的计算公式，确定钢梁整体抗弯截面惯性矩ix的计算公式，具体包括：
5.如权利要求4所述的一种倒置冷弯卷边u型钢梁最优截面设计方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘永健，邢子寒，何晨曦，刘杰，姜磊，张根合，穆日盛，曹峰，沈明祥，欧阳晓峰，李涛涛，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：
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