本发明涉及建筑技术领域以及结构工程技术领域，具体涉及一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁及其施工方法和应用。
背景技术：
钢-混凝土组合梁虽然应用优势明显，但受力还存在一些问题，比如混凝土与型钢之间的滑移、混凝土纵向抗剪能力不足等。为改进普通组合梁的不足，外包钢-混凝土组合梁应运而生。外包钢-混凝土组合梁是指将钢板焊接或冷弯成u型，并在内部填充混凝土的一种新型组合梁形式，不仅具有更高的承载力、刚度和延性，而且在火灾环境下，u型钢单面受火，内部混凝土可以吸收钢材表面的热量，降低钢构件升温速度，提高整个结构的抗火性能，同时u型钢能直接作为混凝土浇筑的模板，减少施工工序。
但是，外包钢-混凝土组合梁在受力过程中，u型钢梁和混凝土梁整个交界面上会出现纵向滑移，当两者之间出现过大的纵向滑移时，组合梁的两种材料会失去组合作用，成为非组合梁，各部分受力破坏，而出现其他破坏形式，这是一种脆性破坏。
因此，用波纹钢腹板代替原先的直钢腹板，能有效增加u型钢梁与混凝土的接触面积，能明显减少u型钢梁与混凝土之间的滑移，使两者协同工作。且波纹腹板几乎不承担弯曲正应力，其截面应力状态接近于纯剪，腹板不易发生剪切屈曲，在厚度较薄时就可大幅提高组合梁的抗剪能力，因此可在剪力较大的支座附近采用较厚的的波纹腹板，保证结构可靠。但是，现有的外包波纹钢-混凝土组合梁仍旧存在以下几个问题：第一，现有的外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力主要由钢底板控制，底板一旦破坏，组合梁就会失去承载能力；第二，在地震环境中，由于存在横向剪力，组合梁的外包钢底板部分与混凝土之间容易发生分离。上述问题均大大降低了建筑的整体性，对建筑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、抗震性能更佳的外包波纹钢-混凝土组合梁。
技术实现要素：
[技术问题]
本发明的技术问题为：现有的外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力主要由钢底板控制，底板一旦破坏，组合梁就会失去承载能力，在震中组合梁的外包钢底板部分与混凝土之间容易发生分离，导致建筑的整体性大大降低，影响建筑的稳定性和抗震性能。
[技术方案]
为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，包括钢骨架1和波浪形混凝土2，钢骨架1包括端板、起波底板3、波纹腹板4、起波顶板5，起波底板3和起波顶板5上具有若干倒u型波8。
在本发明的一个实施方式中，波纹顶板5是并列的两块，两块波纹顶板5间固定有若干抗剪槽钢7。
在本发明的一个实施方式中，倒u型波8为4个，起波底板3和起波顶板5上各有两个。
在本发明的一个实施方式中，起波底板3上的两个倒u型波8的起波中心分别位于组合梁沿梁长方向的五分之一截面处和五分之四截面处；起波顶板5的两个倒u型波8的起波中心分别位于组合梁沿梁长方向的三分之一截面处和三分之二截面处。
在本发明的一个实施方式中，倒u型波8包括底面11和两个侧面10，两个侧面10在底面11两侧对称分布，侧面10与底面11之间呈一定夹角12。
在本发明的一个实施方式中，底面11的长度是20～40mm，底面11到起波底板3或起波顶板5的水平距离为60～120mm，夹角12为135～145°。
在本发明的一个实施方式中，起波底板3和起波顶板5的边缘仅倒u型波8之外的部分与波纹腹板4焊接在一起，也即起波底板3和起波顶板5上的倒u型波8处不与波纹腹板4焊接在一起。
在本发明的一个实施方式中，倒u型波8与波浪形混凝土2之间具有不粘薄膜9，不粘薄膜9可以是尼龙薄膜、塑料薄膜、聚酯薄膜或复合薄膜等。
本发明还提供了上述一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁的施工方法，包括以下步骤：
s1：分别在起波底板3和起波顶板5上进行起波；
s2：将波纹腹板4上与倒u型波8的对应处切割出缺口；将切割好的波纹腹板4垂直焊接于起波底板3的两侧，起波底板3上的倒u型波8处不焊接；将起波顶板5垂直焊接于波纹腹板4的上方，起波顶板5上的倒u型波8处不焊接，再将抗剪槽钢7垂直焊接到起波顶板5上；将端板6垂直焊接于起波底板3、波纹腹板4和起波顶板5的两端，得到钢骨架1；
s3：在倒u型波8上覆盖不粘薄膜9，之后将混凝土浇筑在钢骨架1内，得到起波外包波纹钢-混凝土组合梁。
本发明还提供了上述起波外包波纹钢-混凝土组合梁或上述施工方法在建筑建造中的应用。
[有益效果]
(1)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁的起波顶板和底板在靠近梁柱节点的反弯点处弯折起波，形成倒“u”型波状突起，此倒“u”型波状突起可在受荷拉直的过程中可发生大变形，极大地增加了该组合梁在地震作用下的变形能力，进而大大增强了其在大震下的抗倒塌能力；
(2)本发明的起波外包波纹钢-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，不影响倒“u”型波状突起发生变形，进一步增加了其在地震作用下的变形能力，进而大大增强了其在大震下的抗倒塌能力；
(3)本发明起波外包波纹钢-混凝土组合梁腹板采用波纹钢板，进一步增加了其抗剪能力，从而克服了起波截面抗剪承载力不足的问题，进一步增加了组合梁的延性；
(4)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁，当跨度为3.6m、截面尺寸为200mm×520mm时，其极限挠度可达50mm；
(5)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁可在工厂预制，质量有保证且便于施工，能减少现场施工的工作量以及现场施工产生的建筑垃圾，适用于工业化生产，符合当今装配式建筑的趋势；
(6)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁在施工现场时，可直接通过外包型钢与柱连接成整体，解决现有型钢-混凝土组合梁节点连接复杂的问题；
(7)本发明的起波外包波纹钢-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，本发明的起波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；
(8)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁的腹板采取了波纹钢板以增加两个界面的粘结，保证钢板与混凝土共同工作，确保了组合梁的正常使用和承载能力，以克服了现有的该种组合梁存在的粘合问题；
(9)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁通过在起波顶板上加设抗剪槽钢进一步增加两个界面的粘结，保证钢板与混凝土共同工作，确保梁与楼板之间的连接稳固；
(10)本发明的起波外包波纹钢-混凝土组合梁大震时，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，起波外包波纹钢-混凝土组合梁在地震作用下先于柱破坏，真正实现了“强柱弱梁”。
附图说明
图1为起波外包波纹钢-混凝土组合梁的立体结构示意图；。
图2为起波外包波纹钢-混凝土组合梁的内部结构示意图；
图3为倒“u”型波的结构示意图；
图1-3中，1为钢骨架、2为波浪形混凝土、3为起波底板、4为波纹腹板、5为起波顶板、6为端板、7为抗剪槽钢、8为倒“u”型波、9为不粘薄膜、10为侧面、11为底面、12为夹角。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图以及实施例对本发明进行进一步的阐述：
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：在起波顶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1：一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁
如图1-3，一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，包含钢骨架1以及填充于钢骨架1内部的波浪形混凝土2。
所述钢骨架1包含起波底板3，沿梁长方向分布且垂直连接于起波底板3的两块波纹钢腹板4，与起波底板3平行且分别垂直连接于两块波纹腹板4的两块起波顶板5，以及位于组合梁两端且同时垂直连接于起波底板3、波纹腹板4和起波顶板5的两块端板6；所述起波顶板5上焊接有若干抗剪槽钢7。
所述起波底板3上设置有倒“u”型波8；所述倒“u”型波8不与波纹腹板4相连；所述倒“u”型波8与波浪形混凝土2之间通过不粘薄膜9相隔；所述倒“u”型波8含有底面11以及两个侧面10；作为进一步的优选，所述不粘薄膜9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，所述底面11的长度为20～40mm；在起波底板3上，所述底面11到起波底板3的水平距离为60～120mm(同样的，在起波顶板5上，底面11到起波顶板5的水平距离也是60～120mm)；所述底面11与侧面10之间的夹角12为135～145°。
作为进一步的优选，所述倒“u”型波8的数量为4个；位于起波底板3的所述两个倒“u”型波8的起波中心分别位于箱梁沿梁长方向的五分之一截面处以及五分之四截面处；位于起波顶板5的所述两个倒“u”型波8的起波中心分别位于箱梁沿梁长方向的三分之一截面处以及三分之二截面处，位于起波顶板5的所述两个倒“u”型波8与起波底板3的u型波相同。
实施例2：起波外包波纹钢-混凝土组合梁的施工方法
具体步骤如下：
(1)制作钢骨架1
在起波底板3和起波顶板5上进行起波，在波纹腹板4上对应于倒“u”型波8处切割出与倒“u”型波8吻合的缺口。将切割后的波纹腹板4垂直焊接于起波底板3的两侧，倒“u”型波8处不进行焊接。将起波顶板6垂直焊接于波纹腹板4的上方，起波顶板6上的倒“u”型波8处不进行焊接。将抗剪槽钢7焊接到两块起波顶板5上，抗剪槽钢7的焊接方法是：在倒“u”型波8之间或倒“u”型波8与端板6之间的起波顶板5上等间距焊接三个抗剪槽钢7，抗剪槽钢7垂直于两块起波顶板5。将端板6垂直焊接于起波底板3、波纹腹板4、起波顶板5的两端。
(2)浇筑混凝土
在倒“u”型波8上覆盖不粘薄膜9，在钢骨架1内部浇筑混凝土，得到起波外包波纹钢-混凝土组合梁。
实施例3：起波外包波纹钢-混凝土组合梁的检测
具体步骤如下：
以c40普通混凝土为波浪形混凝土的材料，钢材采用q345，选用塑料材料的不粘薄膜，参照实施例1-2，制备得到一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁。其中，该起波外包波纹钢-混凝土组合梁跨度为3.6m、截面尺寸为200mm×520mm；起波底板的截面尺寸为220mm×4mm；腹板的截面尺寸为450mm×3mm；起波顶板的尺寸为80mm×6mm；端板的尺寸为220mm×460mm×6mm；起波底板上设有两个倒“u”型波，其中一个倒“u”型波中心与距其更近的端板之间的距离为五分之一梁长，另一个倒“u”型波与距其更近的端板之间的距离为五分之一梁长；起波顶板上也设有两个倒“u”型波，其中一个倒“u”型波中心与距其更近的端板之间的距离为三分之一梁长，另一个倒“u”型波与距其更近的端板之间的距离为三分之一梁长；倒“u”型波的波高为5cm(在起波底板上，波高指u型波的底面到起波底板的垂直距离；在起波顶板上，波高指u型波的底面到起波顶板的垂直距离)，底面长度为15cm，底面与两个侧面的夹角为145°；起波顶板上设有抗剪槽钢，抗剪槽钢之间的间距为200mm；两个起波顶板之间的间距为80cm。
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351kn·m、极限挠度可达78mm。
实施例4：起波外包波纹钢-混凝土组合梁的检测
具体步骤如下：
本实施例中的起波外包波纹钢-混凝土组合梁与实施例3的基本相同，不同之处在于，本实施例的起波外包波纹钢-混凝土组合梁在制备时不使用不粘薄膜。
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(同实施例3)，检测结果为：极限抗弯承载能力可达338kn·m、极限挠度可达73mm。
实施例5：起波外包波纹钢-混凝土组合梁的检测
具体步骤如下：
本实施例中的起波外包波纹钢-混凝土组合梁与实施例3的基本相同，不同之处在于，本实施例的起波外包波纹钢-混凝土组合梁在制备时，将倒“u”型波的数量减少为一个，此倒“u”型波设置在起波底板沿梁长方向的长度的二分之一处。
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(同实施例3)，检测结果为：极限抗弯承载能力可达222kn·m、极限挠度可达62mm。
实施例6：起波外包波纹钢-混凝土组合梁的检测
具体步骤如下：
本实施例中的起波外包波纹钢-混凝土组合梁与实施例3的基本相同，不同之处在于，本实施例的起波外包波纹钢-混凝土组合梁在制备时，不焊接抗剪槽钢。
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(同实施例3)，检测结果为：极限抗弯承载能力可达231kn·m、极限挠度可达59mm。
对比例1：现有外包钢-混凝土组合梁的施工方法
具体步骤如下：
(1)在底板上将直钢腹板垂直焊接于底板的两侧，将顶板垂直焊接于腹板的上方，将端板垂直焊接于底板、腹板、顶板的两端，得到“u”型外包钢骨架；
(2)在钢骨架腔体内浇筑混凝土，得到“u”型外包钢-混凝土组合梁。
对比例2：现有外包钢-混凝土组合梁的检测
具体步骤如下：
以c40普通混凝土为混凝土的材料，钢材采用q345，按对比例1，制备得到一种“u”型外包钢-混凝土组合梁。
“u”型外包钢-混凝土组合梁的跨度为3.6m、截面尺寸为200mm×520mm；底板的截面尺寸为220mm×4mm；腹板的截面尺寸为460mm×3mm；顶板的尺寸为80mm×6mm；端板的尺寸为220mm×460mm×6mm。
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205kn·m、极限挠度可达47mm。
从实施例3和对比例2可以看出，实施例1-3的起波组合梁的抗弯承载力与现有组合梁有一定幅度的提升，并且，实施例1-3的起波组合梁的抗弯承载力与现有组合梁相比，极限挠度有了较为明显的提升，证明实施例1-3的起波组合梁在大震下的抗倒塌能力非常突出，具有很好的应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
1.一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，包括钢骨架(1)和波浪形混凝土(2)，钢骨架(1)包括底板、腹板、顶板和端板，其特征在于，所述底板是起波底板(3)，所述腹板是波纹腹板(4)，所述顶板是起波顶板(5)，起波底板(3)和起波顶板(5)上具有若干倒u型波(8)。
2.根据权利要求1所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述波纹顶板(5)是并列的两块，两块波纹顶板(5)间固定有若干抗剪槽钢(7)。
3.根据权利要求1所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述倒u型波(8)为4个，所述起波底板(3)和所述起波顶板(5)上各有两个。
4.根据权利要求3所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述起波底板(3)上的两个倒u型波(8)的起波中心分别位于组合梁沿梁长方向的五分之一截面处和五分之四截面处；所述起波顶板(5)的两个倒u型波(8)的起波中心分别位于组合梁沿梁长方向的三分之一截面处和三分之二截面处。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述倒u型波(8)包括底面(11)和两个侧面(10)，两个侧面(10)在底面(11)两侧对称分布，侧面(10)与底面(11)之间呈一定夹角(12)。
6.根据权利要求5所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述底面(11)的长度是20～40mm，所述底面(11)到起波底板(3)或起波顶板(5)的水平距离为60～120mm，所述夹角(12)为135～145°。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述起波底板(3)和起波顶板(5)的边缘仅倒u型波(8)之外的部分与所述波纹腹板(4)焊接在一起。
8.根据权利要求1-4任一所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述倒u型波(8)与所述波浪形混凝土(2)之间具有不粘薄膜(9)。
9.一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：分别在起波底板(3)和起波顶板(5)上进行起波；
s2：将波纹腹板(4)上与倒u型波(8)的对应处切割出缺口；将切割好的波纹腹板(4)垂直焊接于起波底板(3)的两侧，起波底板(3)上的倒u型波(8)处不焊接；将起波顶板(5)垂直焊接于波纹腹板(4)的上方，起波顶板(5)上的倒u型波(8)处不焊接，再将抗剪槽钢(7)垂直焊接到起波顶板(5)上；将端板(6)垂直焊接于起波底板(3)、波纹腹板(4)和起波顶板(5)的两端，得到钢骨架(1)；
s3：在倒u型波(8)上覆盖不粘薄膜(9)，之后将混凝土浇筑在钢骨架(1)内，得到起波外包波纹钢-混凝土组合梁。
10.权利要求1-4任一所述的一种起波外包波纹钢-混凝土组合梁或权利要求9所述的施工方法在建筑建造中的应用。
技术总结