CN107217582A - 基于剪式铰单元的快速可展拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于剪式铰单元的快速可展拱桥，包括主体拱结构和设置在所述主体拱结构上侧的倒V形折叠桥面板；所述主体拱结构包括M榀平行设置的可展拱单元，其中M不小于2；所述可展拱单元包括N组沿着桥梁的跨度方向依次相连的剪式铰单元、连接首尾两个剪式铰单元的拉索。本发明快速可展拱桥通过桥面板受弯、主体拱受压、下部拉索受拉的组合作用，形成稳定的自平衡体系。本发明为单自由度快速可展结构体系，可由铝合金等金属材料、钢绞线等制作而成，构造和传力合理，驱动方式简单，造型美观，便于快速折叠、展开或转移，能重复使用，特别适用于临时、半永久性或功能性桥梁。

Description

基于剪式铰单元的快速可展拱桥

技术领域

本发明属于土木工程领域，交通运输方面，涉及机构与可展结构，尤其涉及一种基于剪式铰单元的快速可展拱桥。

背景技术

可展结构可由紧凑的折叠状态快速展开成型，引起设计师和工程师的广泛关注，并已逐渐在航空航天领域的太阳能帆板、卫星天线，机械领域的先机机构与机器人，土木工程领域的可开启屋盖、快速可展桥梁等诸多领域得到了工程应用。例如，近年来，中国西部地区地震灾害频发，地震直接造成了桥梁断裂、道路损坏，给灾区救援工作造成极大的影响。快速可展桥梁可迅速恢复受灾地区的受阻交通，打开救援的生命线。因此，开发新型高效、可靠、经济的快速可展桥梁具有非常重要的意义。

目前已经出现了几种类型的可展机构单元，其中剪式铰单元是可展结构中较为常见的基本单元。目前也出现了一些基于剪式铰单元设计的桥梁。但是，现阶段基于剪式铰单元设计的桥梁的桥面多为平面梁桥形式，也有较少的几个简单的下承式拱桥或桁架桥形式，但尚未出现综合设置有拉索、折叠桥面板的可展拱桥形式。为此，设计一种新型的基于剪式铰单元的可展拱桥对于丰富可展桥梁的多样性将具有重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种展开折叠方式简单、驱动便捷、跨越能力较好的基于剪式铰单元的快速可展拱桥，具备设计和安装制作方便等优势，以便较好地满足临时性、半永久性、或特种桥梁对快速展开、折叠功能的要求。

技术方案：本发明的基于剪式铰单元的快速可展拱桥，包括主体拱结构和设置在所述主体拱结构上侧的倒V形折叠桥面板；所述主体拱结构包括M榀平行设置的可展拱单元，其中M不小于2；所述可展拱单元包括N组沿着桥梁的跨度方向依次相连的剪式铰单元、连接首尾两个剪式铰单元的拉索，其中N不小于4，所述剪式铰单元由交叉连接的第三梁杆和第四梁杆组成，所述第三梁杆和第四梁杆交叉连接处设置有枢轴节点，两相邻剪式铰单元件之间通过第三梁杆端部与第四梁杆端部连接，其中第三梁杆上侧端部与第四梁杆上侧端部的连接点为上弦节点，第三梁杆下侧端部与第四梁杆下侧端部的连接点为下弦节点，M榀可展拱单元中的对应枢轴节点分别通过第一横向连杆连接，每个剪式铰单元中，连杆的上弦节点至枢轴节点的距离与该连杆由枢轴节点至下弦节点的距离的比值范围为大于等于1至小于等于3；所述拉索与可展拱单元中首尾两个剪式铰单元外侧的上弦节点铰接。所述倒V形折叠桥面板包括沿着桥梁的跨度方向依次相连的桥面板单元，每组桥面板单元均由两块刚性板单元通过仅可单方向折叠的铰链连接而成，使每组桥面板单元只能够倒V形折叠，且桥面板单元完全展开后通过在折叠铰链上表面设置的限位装置形成一块矩形面板，每个桥面板单元两侧的四个节点均与主体拱结构的上弦节点铰接。

进一步的，本发明快速可展拱桥中，V形折叠桥面板包括N组依次连接的桥面板单元，所述主体拱结构包括M*N组剪式铰单元，2N-1根横向连杆，以及M根拉索，每一榀可展拱单元中，包括N+1个上弦节点，N个枢轴节点，N-1个下弦节点。

进一步的，本发明快速可展拱桥中，剪式铰单元为极线剪式单元，即两根连杆交点不在连杆中点的剪式铰单元，每个剪式铰单元中，连杆的上弦节点至枢轴节点的距离与该连杆由枢轴节点至下弦节点的距离的比值为24∶23。

该可展拱桥为上承式拱桥结构，桥面板铺于拱的上端，行人、车辆可直接从拱上部通行，所述的快速可展拱桥在工作状态下为超静定结构。每榀可展拱单元所基于的剪式铰单元为极线剪式单元，即两根连杆交点不在中点的剪式铰单元，所述的剪式铰单元中每一根连杆的上弦节点至枢轴节点的距离与由枢轴节点至下弦节点的距离的比值范围为大于等于1至小于等于3。

每榀可展拱单元沿着与跨度方向一致的平面内折叠、展开，运动过程中每榀拱单元所在平面始终平行；桥面板的倒V形折叠与剪式铰单元的折叠始终保持几何相容，桥面板下缘与剪式铰单元上弦的连接节点保持平齐，在桥面板完全折叠时剪式铰单元也完全折叠、相互紧密接触，在展开至工作状态下，桥面板恰好完全展开，且此时每组桥面板沿跨度方向的长度等于剪式铰单元相邻上部节点之间的水平距离。

该可展拱桥包括了桥面板、拱、连杆和拉索等四种基本结构形式，通过板受弯、拱受压、拉索受拉的组合作用共同承受荷载，形成稳定的自平衡体系，避免拱端支座产生水平推力，将水平推力转化为拉索受拉。

该拱桥为单跨、单自由度可展结构，通过电机牵引连接节点的拉索，实现快速展开、折叠，能适应恶劣地形，起到抢险救灾等效果。

本发明中，每榀可展拱单元沿着与跨度方向一致的平面内折叠、展开，运动过程中每榀拱单元所在平面始终平行；桥面板的倒V形折叠与剪式铰单元的折叠始终保持几何相容，桥面板下缘与剪式铰单元上弦的连接节点保持平齐，在桥面板完全折叠时剪式铰单元也完全折叠、相互紧密接触，在展开至工作状态下，桥面板恰好完全展开，且此时每组桥面板沿跨度方向的长度等于剪式铰单元相邻上部节点之间的水平距离。

本发明可展拱桥包括了桥面板、拱、连杆和拉索等四种基本结构形式，通过板受弯、拱受压、拉索受拉的组合作用共同承受荷载，形成稳定的自平衡体系，避免拱端支座产生水平推力，将水平推力转化为拉索受拉。

本发明可展拱桥为上承式拱桥结构，桥面板铺于拱的上端，行人、车辆可直接从拱上部通行，所述的快速可展拱桥在工作状态下为超静定结构。本发明拱桥为单跨、单自由度可展结构，通过电机牵引连接节点的拉索，实现快速展开、折叠，能适应恶劣地形，起到抢险救灾等效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本可展拱桥具有单自由度运动特性，驱动方式简单，构造合理、简洁明快，安装制作和实现折叠展开性能的代价非常低。

(2)本可展拱桥可由紧凑的折叠状态快速展开为一定跨度的完全工作状态，正常发挥中小跨度桥梁的功能作用，且整个运动过程连续、可逆、几何相容，不会产生构件变形或不可预计的内力，能反复、可靠地使用。

(3)本可展拱桥在完全展开状态下占用空间很小，相较于平直可展桥，本可展拱桥具有一定净高，不会影响桥下船只通行。且质量轻，因为所采用铝合金等金属材料的密度远小于钢筋混凝土，便于运输或存储。

(4)本可展拱桥采用合理拱轴而非平直桥面，传力优秀，在竖向荷载作用下，支座向拱肋提供水平反力，这种水平反力将大大抵消拱肋内由荷载引起的弯矩。受力后拱桥充分受压，并且相对的弯矩、剪力、变形都要小很多。结构简单，造型美观。

(5)本可展拱桥相较于平直拱桥受力合理，主体结构使用拱造型以显著降低行人、车辆等横向荷载产生的弯矩，并巧妙地在下部设置拉索连接主体拱结构的两端，使得整个结构形成自平衡体系，不但起到了可展拱桥接近展开态的限位作用，还充分发挥了拉索的高强抗拉性能。

附图说明

图1为本发明基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构的示意图，其中101为桥面板单元，201、202、203、204等均为剪式铰单元中的梁杆单元，205、206为每榀可展拱单元的两端部剪式铰单元中较短的一根梁杆单元，301、302为连接相邻两榀可展拱单元的横向连杆，401为下部的拉索；

图2(a)为本发明基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构中剪式铰单元的枢轴连接节点示意图，图2(b)为普通梁杆单元示意图，其中203、204为剪式铰单元中的每根普通梁杆单元，302为连接相邻两榀可展拱单元的横向连杆，节点B为剪式铰单元中的枢轴节点，也是横向连杆的端部连接点；

图3为本发明基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构中三种具有代表性的不同类型连接节点的示意图，其中节点A为桥面板周边顶点与剪式铰单元上弦节点的连接节点示意，节点B为剪式铰单元中的枢轴节点，节点C为相邻剪式铰单元下弦节点处与连杆端部的连接节点；

图4(a)为可展拱桥折叠状态，图4(b)为可展拱桥展开过程，图4(c)为可展拱桥完全展开状态描述了本发明的快速可展拱桥由紧凑的折叠状态逐渐展开为设计态下的拱桥结构的运动过程。

图5为剪式铰单元中连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值为1时，展开运动过程示意图。

图6为剪式铰单元中连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值为3时，展开运动过程示意图。

图中有：101-桥面板单元；201-第一梁杆；202-第二梁杆；203-第三梁杆；204-第四梁杆；205-第五梁杆；206-第六梁杆；301-第一横向连杆；302-第二横向连杆；401-拉索。

具体实施方式

下面参照说明书附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图1、图2分别为本发明基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构的示意图和主要组成部分的细节示意图。

本发明的基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构，包括主体拱结构和设置在所述主体拱结构上侧的倒V形折叠桥面板；所述主体拱结构包括M榀平行设置的可展拱单元，其中M不小于2；所述可展拱单元包括N组沿着桥梁的跨度方向相连的剪式铰单元，其中N不小于4。其中剪式铰单元上端依次连接上弦节点A，下端依次连接下弦节点C，两根连杆通过枢轴节点B相连，其中AB间距离与BC间距离的比值的范围为大于等于1至小于等于3，在图1中，所述的AB间距离与BC间距离的比值为24∶23。每根拉索连接于每榀可展拱单元两端的节点A，使用铰接连接。每根连杆的两端分别连接剪式铰单元的枢轴节点B或下弦节点C，每组桥面板单元由两块可呈倒V形折叠的刚性板单元101通过仅可单方向折叠铰链连接而成，且完全展开后通过在折叠铰链上表面的限位装置形成一块矩形面板，该限位装置利用三角形两短边之和大于第三边原理，约束桥面板上拱而不下塌。所述的单方向折叠铰链使得每组桥面板单元只能凸向上方、呈倒V形折叠；所述的每个桥面板单元最外周的四个节点与主体拱结构上弦节点A铰接。

所述的快速可展拱桥共包括N组桥面板单元，M*N组剪式铰单元，2N-1根横向连杆，以及M根拉索组成。所述的每一榀可展拱单元中，包括N+i个上弦节点A，N个枢轴节点B，还包括N-1个下弦节点C。因此，本发明所公开的主体拱结构单元中，连接节点共包括三种类型，其中上弦节点见图3(a)中A点，用于连接桥面板外周顶点以及剪式铰单元的上弦节点；枢轴节点见图3(b)中B点，用于连接剪式铰单元的枢轴节点和连杆；下弦节点见图3(c)中C点，为两根连杆的共用顶点。如图1和图3所示，主体拱结构的每一榀均具有N+1个第一类型节点，N个第二类型节点，N-1个第三类型节点，本发明示例图中N＝7。所述的快速可展拱桥结构可由合金材料、高强钢绞线等轻质材料制作而成。如图3所示，所述的剪式铰单元为极线剪式单元，在折叠展开过程中，连接各剪式铰单元上下节点的连线始终汇交于同一点；每根梁杆上上下阶段长度比例满足：由上弦节点A至枢轴节点B的距离与由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值范围大于1且小于3。

图4所示为本发明基于剪式铰单元的快速可展拱桥结构的展开运动过程示意图。结构的整个折叠-展开运动过程是单自由度、几何相容、可逆向的，并且结构下部拉索逐渐由完全松弛状态转化为完全紧绷状态。该类型的可展拱桥为上承式拱桥结构，桥面板铺于拱的上端，行人、车辆可直接从拱上部通行，所述的快速可展拱桥在工作状态下为超静定结构。此外，图5为剪式铰单元中连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值为1时，结构的展开运动过程示意图。图6为剪式铰单元中连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值为3时，结构的展开运动过程示意图。

每榀可展拱单元沿着与跨度方向一致的平面内折叠、展开，运动过程中每榀拱单元所在平面始终平行；桥面板的倒V形折叠与剪式铰单元的折叠始终保持几何相容，桥面板下缘与剪式铰单元上弦的连接节点保持平齐，在桥面板完全折叠时剪式铰单元也完全折叠、相互紧密接触，在展开至工作状态下，桥面板恰好完全展开，且此时每组桥面板沿跨度方向的长度等于剪式铰单元相邻上部节点之间的水平距离。

该可展拱桥包括了桥面板、拱、连杆和拉索等四种基本结构形式，通过板受弯、拱受压、拉索受拉的组合作用共同承受荷载，形成稳定的自平衡体系，避免拱端支座产生水平推力，将水平推力转化为拉索受拉。

该拱桥为单跨、单自由度可展结构，通过电机牵引连接节点的拉索，实现快速展开、折叠，能适应恶劣地形，起到抢险救灾等效果。

与现有桥梁及可展梁桥、桁架桥等相比，本发明所述的快速可展拱桥具有显著的优势特点。该可展拱桥具有单自由度运动特性，驱动方式简单，构造合理、简洁明快，安装制作和实现折叠展开性能的代价非常低。能够由紧凑的折叠状态快速展开为一定跨度的完全工作状态，正常发挥中小跨度桥梁的功能作用，且整个运动过程连续、可逆、几何相容，不会产生构件变形或不可预计的内力，能反复、可靠地使用。需指出，由于该可展拱桥在完全展开状态下占用空间很小，且质量轻，便于运输或存储。此外，本发明的可展拱桥受力合理，主体结构使用拱造型以显著降低行人、车辆等横向荷载产生的弯矩，并巧妙地在下部设置拉索连接主体拱结构的两端，使得整个结构形成自平衡体系，不但起到了可展拱桥接近展开态的限位作用，还充分发挥了拉索的高强抗拉性能。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于剪式铰单元的快速可展拱桥，其特征在于，该可展拱桥包括主体拱结构和设置在所述主体拱结构上侧的倒V形折叠桥面板；所述主体拱结构包括M榀平行设置的可展拱单元，其中M不小于2；所述可展拱单元包括N组沿着桥梁的跨度方向依次相连的剪式铰单元、连接首尾两个剪式铰单元的拉索，其中N不小于4，所述剪式铰单元由交叉连接的第三梁杆(203)和第四梁杆(204)组成，所述第三梁杆(203)和第四梁杆(204)交叉连接处设置有枢轴节点(B)，两相邻剪式铰单元件之间通过第三梁杆(203)端部与第四梁杆(204)端部连接，其中第三梁杆(203)上侧端部与第四梁杆(204)上侧端部的连接点为上弦节点(A)，第三梁杆(203)下侧端部与第四梁杆(204)下侧端部的连接点为下弦节点(C)，M榀可展拱单元中的对应枢轴节点(B)分别通过第一横向连杆(301)连接，每个剪式铰单元中，连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与该连杆由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值范围为大于等于1至小于等于3；所述拉索与可展拱单元中首尾两个剪式铰单元外侧的上弦节点A铰接；

所述倒V形折叠桥面板包括沿着桥梁的跨度方向依次相连的桥面板单元，每组桥面板单元均由两块刚性板单元(101)通过仅可单方向折叠的铰链连接而成，使每组桥面板单元只能够倒V形折叠，且桥面板单元完全展开后通过在折叠铰链上表面设置的限位装置形成一块矩形面板，每个桥面板单元两侧的四个节点均与主体拱结构的上弦节点(A)铰接。

2.根据权利要求1所述的基于剪式铰单元的快速可展拱桥，其特征在于，所述V形折叠桥面板包括N组依次连接的桥面板单元，所述主体拱结构包括M*N组剪式铰单元，2N-1根横向连杆，以及M根拉索，每一榀可展拱单元中，包括N+i个上弦节点(A)，N个枢轴节点(B)，N-1个下弦节点(C)。

3.根据权利要求1或2所述的基于剪式铰单元的快速可展拱桥，其特征在于，所述剪式铰单元为极线剪式单元，即两根连杆交点不在连杆中点的剪式铰单元，每个剪式铰单元中，连杆的上弦节点A至枢轴节点B的距离与该连杆由枢轴节点B至下弦节点C的距离的比值为24∶23。