CN1076237A - 大跨度梁体结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的大跨度梁体结构及其设 计方法，该梁体结构是由多个杆件通过螺栓相互连接 而成的，其特征在于，所述的杆件是等长度及相同截 面的，每个杆件上具有m个连接点，它们将所述杆件 长度分成m-1个线段，各个杆件上对应线段相等，位 于梁体上方的线段依次地大于下方的线段，且位于梁 体上方相邻线段的差依次地大于位于下方相邻线段 的差，每个梁体单元中所有杆件分成等量的前杆件组 及后杆件组，其中一个杆件组中的每个杆件上的m 个连接点中的每个连接点分别与另一杆件组中m个 依次排列的不同杆件上的对应连接点相连接。

Description

本发明涉及一种大跨度梁体结构及其设计方法，尤其是涉及一种主要用于建筑及桥梁的可伸缩并能快速安装到位的大跨度梁体结构及其设计方法。

众所周知，大跨度梁体的应用范围是很广泛的，它可用于建筑方面，如室内体育馆的顶梁，大跨度无柱式组装厂房，如大型飞机组装车间或大跨度无柱式化库的顶梁;它也可用于桥梁方面，如用作拱形公路桥或铁路桥的梁体;还可以用于各种隧道工程，如作地下隧道或矿井隧道的预制结构梁架。现有技术中的梁体一般包括钢筋水泥梁及钢结构梁，其中钢结构梁可作成较大跨度，它是由钢架彼此铆接，拴接或焊接构成的。这种大跨度钢梁的不足之处在于安装速度慢，一般需在现场将分段组装好的钢结构架或单体的基本构件用螺拴或铆钉等连接成整体的梁体;此外，这种钢梁组装后是不能伸缩的，如一个大跨度钢梁分几段组装，然后再运到现场总体组装，由于钢梁段不能缩短，因而体积大，给运输及吊装带来不便;再从国防上考虑，在战争中往往需要迅速架设大跨度桥梁，以便争取时间取得胜利，为此使用传统的大跨度钢梁是不能满足要求的。

因此，本发明的目的在于提供一种新型的大跨度梁体结构及其设计方法，该梁体结构可以克服传统大跨度钢梁的上述种种缺点，它在组装后可以根据需要进行伸长或缩短，能作到一次施工到位，以使得建筑或桥梁工程的工期大为缩短及降低了成本，并且这种大跨度梁体的运输及吊装简便，其跨度可超过传统的大跨度钢梁，不但可用于永久性的建筑及桥梁，而且还可用于临时性的建筑及桥梁，实现快速的安装。

本发明的上述任务是这样来实现的：采用一种大跨度梁体结构，它是由多个杆件通过螺栓相互连接而成的，其特征在于，该梁体结构至少由一个单元组成，构成梁体单元的每个所述杆件是等长度及相同截面的，在每个所述杆件上具有m个螺栓连接点，这些连接点将每个所述杆件的长度分成m-1个线段，各个所述杆件上的对应线段相等，并且位于梁体上方的线段依次地大于下方的线段，及位于梁体上方相邻线段的差依次地大于位于下方相邻线段的差，每个梁体单元是这样连接的，即将该单元中所有杆件分成等量的前杆件组及后杆件组，其中一个杆件组（前或后杆件组）中的每个杆件的上m个连接点中的每个连接点分别与另一杆件组（后或前杆件组）中m个依次排列的不同杆件上的对应连接点相连接。

并且本发明还提供了这种大跨度梁体结构的设计方法，该方法分下列的步骤：

Ⅰ）首先根据工程要求确定梁体跨度及梁体高度;

Ⅱ）根据所需实际坡度或拱型梁底高度（尤其对于桥梁）选定曲率;

Ⅲ）根据实际负荷选择杆件材料及截面大小，根据梁体稳定性要求选择连接点数目，再通过应力计算最后确定出杆件的数目，长度及螺栓的材料与直径。

为了对本发明的大跨度梁体的各种构型及优点作更深入的了解，下面将借助于附图对本发明的优选实施例作详细说明。其附图为：

图1：根据本发明的大跨度梁体结构一个优选实施例的局部示意图，用以说明本发明的原理;

图2：上述梁体结构中杆件连接点的设置与梁本曲率之间的关系曲线;

图3到5：本发明的大跨度梁体结构的另一优选实施例，其中图3表示该梁体结构完全收缩的状态，图4表示该梁体张开的一个中间位置，图5表示梁体安装到位时的状态;

图6：根据本发明的梁体设计过程中选择参数的图。

图1是本发明的大跨度梁体结构的一个优选实施例的示意图，图中仅表示出该梁体结构中一个梁体单元中的一部分，其中用双线表示的杆件1，2，3，4…为前杆件，用单线表示的杆件1′，2′，3′，4′…为后杆件，实际上前后杆件都是等长度相同截面的杆件，这样的多个杆件是利用螺栓在各个连接点上相互连接形成一个梁体单元的。在每个杆件上具有m个螺栓连接点，图示的例中m＝4，即自上至下的a，b，c，d四个连接点，这些连接点就是杆件上用来穿过螺栓的孔，它们将杆件分成m-1＝3个线段，由上至下各段线分别长为H₃，H₂，H₁，各个杆件上这些对应的线段相等，而位于梁体上方的线段大于下方的线段即H₃＞H₂＞H₁，并且位于梁体上方相邻线段的差依次地大于位于下方相邻线段的差，即：C₂＝H₃-H₂＞C₁＝H₂-H₁，每个梁体单元是这样连接的，即将单元中所有杆件分成等量的前杆件组1，2，3，4，…及后杆件组1′。2′，3′，4′…，其中一个杆件组中的每个杆件上的m个连接点中的每个连接点分别地与另一个杆件组中m个依次排列的不同杆件的对应连接点相连接，例如，前杆件组中杆件3上的各个连接点a₃，b₃，c₃，d₃分别地与后杆件组中依次排列的不同杆件1′，2′，3′，4′中的各相应的连接点a₁′，b₂′，c₃′，d₄′相连接。

由上述的特征构成的梁体结构单元的顶部各点a₁，a₂，a₃，a₄…的轨迹及下部各点d₁，d₂，d₃，d₄…的轨迹均为拱形或弧形，如图1中虚线所示，这样就使梁体的抗压强度增强了，因而可以作成大跨度的梁体。

此外，由图1可以看到，其中点划线r经过点a₁及c₂，这时由a₁，b₁，c₂组成的三角形△a₁b₁c₂与a₁，b₂，c₂组成的三角形△a₁b₁c₂相对于线段r形成轴对称，并且点d₂与d₃也相对于r形成轴对称，由此可见，当杆件1与3′所夹的顶角α减小或扩大时，这种轴对称关系依然保持，因此这种梁体结构是可以收缩和扩展的。

图2表示杆件连接点的设置变化与梁体曲率之间的关系曲线，其横座标X＝C₂-C₁（C₂＝H₃-H₂，C₁＝H₂-H₁）增加时，则该拱形梁体的曲率（一般指梁体上弧线的曲率）K也增加;当H₃＝H₂＝H₁时，有C₂-C₁＝0，这时K＝0，说明该梁体此时为水平梁体。

上述梁体结构中的杆件的截面形状可以是矩形，槽形和角形的，其材料视用途而定可以是钢材，高强度轻质合金，如铝合金，或用高强度的人造材料，如高强度玻璃钢。所述杆件中的连接点m应大于或等于3，从理论上讲，其上限没有限制，但由实际试验表明，连接点取3至5为佳。

图3至图5表示本发明的大跨度梁体结构的另一优选实施例，它是用作一个能伸缩的并可快速安装的拱型桥梁的一个梁体单元，该拱型桥梁是由多个这种梁体单元并列构成的。图3是该桥梁体单元收缩到最短距离时的状况，由该图可以看到，该梁体单元的基本结构与图1中的相同。另外还在梁体的两端设有端部连接件A，B，为了便于收缩及展开，这些端部连接件仅与两端的某个杆件固定在一起，而在安装到位后，端部的另外一些杆件也固定到该端部连接件A，B上，以增加强度。这个梁体单元中的杆件是由钢材、如槽钢作成的。在每个杆件的顶部均设有可转动的顶板P，它们也是用其下端的连接点与杆件上部的连接点借助于螺栓相互连接的。它们可由矩形截面的钢材或槽钢或角钢制作，其长度略大于该梁体单元安装到位后（见图5）两个相邻杆件顶部连接点之间的距离。前杆件的顶板朝一个方向（如图中顺时针方向）转动，后杆件的顶板则向另一方向（图中所示的逆时针方向）转动，以便在安装到位后由这些顶板形成该梁体的与负载接触的顶面。图4是该桥梁体单元在吊装过程中张开到的一个中间状态，由该图可见，如果吊装时对底部的E及F点施以向上的力时，该桥梁体单元会在自重的作用下自行张开;因而在吊装过程中底部的两端两侧处应设有拉索，该拉索可用一棘轮机构逐渐放开。当该桥梁单元伸展到额定跨度时，将所有的连接点上的螺栓拧紧及在相邻的下连接点之间设置拉杆，并将其两端的连接件A，B固定到桥头的墩基C，D上，如图5所示。必须指出，对于固定永久桥梁，每个连接点（包括上顶板两端处）将用焊接加固，并且各个并列的梁体单元之间焊接连接成体，方能允许载荷。

这样并列设置的多个桥梁体单元就组成了一定桥面宽度的桥梁，这种桥梁特别适用于需快速架桥的场合，如在国防中使用。另一种实施形式是将这样的桥梁体单元以一定间隔放置，再在其上铺设桥面板，桥面板可使用一定厚度的钢板，它们可用螺栓与桥梁体单元的顶板相互连接，进行安装。相似地，这样结构的大跨度梁体单元也可用于建筑上，例如作大跨度厂房的顶梁，它们间隔地放置，在相邻的梁体单元上再铺设顶部盖板。

现在来说明本发明的大跨度梁体结构的设计方法。该方法分以下步骤：

Ⅰ）首先根据工程要求确定梁体跨度及梁体高度;

Ⅱ）根据所需实际坡度或拱型梁氏高度（尤其是对于桥梁）选定曲率;

Ⅲ）根据实际负荷选择杆件材料及截面大小，根据稳定性要求选择连接点数目，再通过应为计算最后确定出杆件的数目，长度以及螺栓的材料与直径。

为了更进上步地了解这些步骤，现在借助图6来说明，假如要在S，T两点之间架设桥梁，实际上就表明了该桥梁体结构的跨度至少应为S，T两点间的距离。再由桥洞要求的高度h，可以根据公式 $\mathrm{h=r-}\sqrt{r{}^2\mathrm{-(ST/2)}{}^2}$ 求得梁体下弧形轨迹V的曲率半径r，如果根据桥梁顶部高度的要求得到梁的高度为H，则梁体上弧形轨迹U的曲径半径为R＝r+H。接着根据桥梁的实际负荷并考虑加上梁体的自重（先预设一个自重，最后再校核）选择杆件材料及截面大小，这种选择的依据是以预先的试验及计算为基础的。

根据稳定性确定连接点的数目也是以试验为基础的，例如所选杆件为型号20b至22a的槽钢时，根据稳定性试验当跨度小于200米时，一般采用3个连接点的方式，当跨度在200米与500米之间时采用4个或5个连接点方式;当跨度大于500米或有特殊要求时采用5个连接点方式。

现在假定该桥梁跨度ST＝100米，则选用3个连接点形式。杆件的数目及长度可用试算的方法如下地确定：即先选取一个杆件数n，这时将上弧线U分成n个等份，再由各划分点U₀，U₁，…U_n与曲率中心O连接，交下弧线V与V₀，V₁，…V_n点，连接U₀，V₁;U₁，V₂，…UU_n-1，V_n及U₁，V₀;U₂，V₁;…U_n，V_n-1;即得到这个梁体单元的杆件分布结构图，由此就求得杆件的长度，即为U_n-1，V_n之间的距离。（对于5连接点方式，则连接U_n-2，V_n及U_nV_n-2，余类推;对于连接点为偶数时，需在下弧线V上作出V₀，V₁，…n各点之间的中点，这些中点将为杆件的下端）。

最后作应力校核计算，如果对危险截面（如拱型梁中间截面）所求得的杆件弯曲应力及螺栓的剪切应力均大于所选杆件与螺栓的额定应力时，则就要增加杆件数目及重新选择螺栓参数（反之，减小杆件数目），再通过相同的计算步骤最后确定出杆件的数目，长度及螺栓参数。

作为实际的例子，在负荷为1000kg/cm²的情况下，对跨度为50M至500M的本发明大跨度梁体结构作出了计算，其计算结果如下所示：

以上所述的一些例子都是等曲率梁的情况，在需要使用变曲率梁的情况下，可采用彼此曲率不同的多个梁体单元（每单元梁体是等曲率的）以拼接的方式来实施。这时为了便于整个梁体的收缩，在各单元交界处的杆件上设置长孔形式的连接点。

必须指出，以上的实施例主要用于说明本发明的构思，对于该领域的技术人员来说，在本发明的构思之下，显然还可作出一些改型，例如该拱型梁体是可以伸缩的，因而就可以在此基础上设计出通过动力装置调整拱长及拱底高度的桥梁，所有这些变型均应在本发明的被保护范围之内。

本发明的大跨度梁体结构的重要意义和优点旧结如下：

1）能加快建筑或桥梁工程，尤其是大跨度建筑物或桥梁的施工速度，可作到一次施工到位，将工期缩短多倍，对加快建筑，交通，体育及国防事业的建设及降低工程成本有极大价值;

2）对桥梁而言，采用本发明的大跨度梁体结构，可节省桥墩柱数目，因而使建桥成本更为降低，并可在任何地基上快速建立大跨度桥梁;

3）在国防上，例如在战争时，可根据需要在战区迅速建起多座桥梁，这些临时战备桥在战后既便于拆除，又便于加固形成永久桥;

4）本发明的大跨度梁体在100M以内的跨度时，可使用动力装置调整拱长，以满足特殊的需要，如解决一些梁坡度和桥洞高度的矛盾;

5）本发明的大跨度梁体作成的桥梁在遇到地质变化，如地震后遇到某些程度的破坏时，可施加桥梁补救方法。

6）本发明的大跨度梁体在地下施工，如地铁工程，及隧道工程中具有广泛的使用价值。

7）此外，本发明的大跨度梁体还适用于作城市简便立交桥，不但占地少，而且施工特别快。

Claims (9)

1、一种大跨度梁体结构，它是由多个杆件通过螺栓相互连接而成的，其特征在于：该梁体结构至少由一个单元组成，构成梁体单元的每个所述杆件是等长度及相同截面的，在每个所述杆件上具有m个螺栓连接点，这些连接点将每个所述杆件的长度分成m-1个线段(H₃，H₂，H₁)，各个所述杆件上的对应线段相等，并且位于梁体上方的线段依次地大于下方的线段(H₃＞H₂＞H₁)，及位于梁体上方相邻线段的差依次地大于位于下方相邻线段的差(H₃-H₂＞H₂-H₁)，每个梁体单元是这样连接的，即将该单元中所有杆件分成等量的前杆件组(1，2，3，4，……)及后杆件组(1′，2′，3′，4′，……)，其中一个杆件组(前或后杆件组)中的每个杆件上的m个连接点中的每个连接点分别与另一杆件组(后或前杆件组)中m个依次排列的不同杆件上的对应连接点相连接。

2、根据权利要求1所述的大跨度梁体结构，其特征在于：所梁体结构中的杆件可为矩形，槽形和角形的，其材料视用途定可用钢材，高强度轻质合金，如铝合金，或用高强度人造材料，如高强度玻璃钢。

3、根据权利要求1所述的大跨度梁体结构，其特征在于：其中所述杆件的连接点m应大于或等于3，即m≥3，并且m取3至5为佳。

4、根据权利要求1所述的大跨度梁体结构，其特征在于：在所每个杆件的顶部均设有可转动的顶板（P），它们用其下端的连接点与杆件上部的连接点借助螺栓相互连接，它们是截面为矩形、槽形或角形的材料作成的，其长度略大于所述梁体单元安装到位后，两个相邻杆件顶部连接点之间的距离，前杆件的顶板朝一个方向（如顺时针方向）转动，后杆件的顶板则向另一方向（如逆时针方向）转动，以便在安装到位后由这些顶板形成该梁体的与负载接触的顶面。

5、根据权利要求4所述的大跨度梁体结构，其特征在于：该梁结构是由多个所述梁体单元并列设置组成的。

6、根据权利要求4所述的大跨度梁体结构，其特征在于：所述梁体单元以一定间隔放置，再在其中铺设顶板件，这些顶板件可用螺栓与梁体单元的顶板相互连接，进行安装。

7、根据权利要求1或4所述的大跨度梁体结构，其特征在于：该梁体结构可采用彼此曲率不同的多个梁体单元以拼按的方式组成变曲率梁，其中每单元梁体是等曲率的，为了便于整个梁体的收缩，在各单元交界处的杆件上设置长孔形式的连接点。

8、根据权利要求1或4所述的大跨度梁体结构，其特征在于：所述梁体单元可以通过动力装置调整梁体长度及梁体底的高度。

9、一种大跨度梁体结构的设计方法，其特征在于：该方法包括以下的步骤：

ⅰ）首先根据工程要求确定梁体跨度及梁体高度;

ⅱ）根据所需实际坡或拱型梁底高度（尤其是对于桥梁）选定曲率;

ⅲ）根据实际负荷选择杆件材料及截面大小，根据稳定性要求选择连接点数目，再通过应力计算最后确定出杆件的数目、长度以及螺栓的材料与直径。

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