CN109468945A - 整体翘曲空间结构桥 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整体翘曲空间结构桥，包括桥面（1）和护栏（2），所述的护栏（2）位于桥面（1）的两侧且两者采用同种材料整体成型，所述的桥面（1）整体呈拱形多曲面结构，且自桥面（1）中间的宽度至桥面（1）两端的宽度逐渐变大，从桥面（1）的长度方向和桥面（1）宽度方向看，桥面（1）皆呈劣弧曲面结构，且护栏（2）的竖截面亦呈劣弧曲面结构；所述桥面（1）的底部设有交叉斜撑（4）且桥面（1）的底部两端皆设有端部加强件（3）。本发明的部件采用同种材料且全桥3D整体打印成型，结构整体性强、部件少，结构整体受力性能良好，材料单一、重量轻、造价低廉、可标准化和工厂化流水作业制作，能够快速施工且适用范围广泛。

Description

整体翘曲空间结构桥
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，具体地说是一种多曲壳、结构整体、轻巧简单、材料均质、成本较低且能够采用3D打印技术的整体翘曲空间结构桥。
背景技术
现有技术中常见的有人行天桥、跨河桥、索拱桥，例如洪武路人行天桥：桁架桥结构，跨径32.94m、桥面宽4.5m，用钢130吨，总造价包括周边地下干线迁移等费用，约3400万元。云锦路人行天桥：桥长45米、净跨37米且两端各悬挑4米，悬挑端用于支撑与地面连接的步行梯和自动扶梯，桥宽3.7 米，桥体的高度在1.23至1.7米间变化，桥面略起拱，形成形式感很强的弓型的立面效果，桥体最低点距地面高度为5.1米；主结构系统为张弦钢桁架结构，V型钢筋混凝土支撑，总投资450万人民币；现场施工25日。位于南京江北浦口区浦珠北路上的澳林广场人行过街景观天桥，主桥全宽5.06米、主跨34米、边跨10米，两侧还辅以宽度2.8米的坡道和梯道，采用全预制拼装双塔斜拉结构，所有管桩、墩柱、桥面梁板等都是场外预制、现场拼装。索拱桥以上承式索拱组合结构桥为例，结构由拱肋（或直梁）、拱肋（或直梁）平衡索、端横梁、中间横梁、桥面索、索两端弹簧设置和桥面钢板共同组成，桥梁跨度30m、桥面宽度8.5m、设计2车道、索拱桥总重约为48吨。上述的各种桥最显著的特点就是结构复杂，多部件组成使得结构整体性差，采用多种材料制成使得材质复杂，且施工周期长且造价高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种多曲壳、结构整体、轻巧简单、材料均质且成本较低的整体翘曲空间结构桥。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种整体翘曲空间结构桥，包括桥面和护栏，其特征在于：所述的护栏位于桥面的两侧且两者采用同种材料整体成型，所述的桥面整体呈拱形多曲面结构，且自桥面中间的宽度至桥面两端的宽度逐渐变大，从桥面的长度方向和桥面宽度方向看，桥面皆呈劣弧曲面结构，且护栏的竖截面亦呈劣弧曲面结构；所述桥面的底部设有交叉斜撑且桥面的底部两端皆设有端部加强件。
所述端部加强件的宽度等同于桥面的端部宽度，且所述端部加强件的底部平齐、端部加强件的顶部与桥面底部的曲面变化相适应。
所述交叉斜撑的底部平齐且交叉斜撑的顶部与桥面底部的曲面变化相适应。
当桥的跨度≤10m，交叉斜撑的长度不低于桥面跨度的80%，且交叉斜撑的四角延伸至桥面的底部边沿；当桥的跨度＞10m，交叉斜撑的四角延伸至桥面底部的端部加强件和桥面的底部边沿。
所述桥面的中间宽度和桥面的端部宽度之间的关系为：人行天桥的中间宽度为3～4m且端部宽度为5～6m、道路桥梁的中间宽度为4～6m且端部宽度为6～8m。
所述桥面的纵坡≤6%，且桥面的横坡为2%。
所述护栏的厚度与桥面的厚度一致且两者的厚度范围为10mm～20mm。
所述的护栏和桥面的连接处的曲面弧长为20～40cm。
同一座结构桥上，护栏的弧度、高度以及护栏和桥面的连接处的弧度为定值。
所述的桥面、护栏、端部加强件、交叉斜撑采用同种材料制成，上述材料包括钢材、铝合金或碳纤维。
所述的桥面、护栏、端部加强件、交叉斜撑构成的结构采用3D整体打印成型。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的整体翘曲空间结构桥中的部件全部采用同种材料且桥面和护栏整体成型，桥面下设有端部加强件和交叉斜撑，最主要的特点是多曲壳、结构整体、轻巧简单、材料均质、3D打印；是一种利用现代高强钢、铝合金或碳纤维等材料形成薄壁空间结构（也称壳体结构），它属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力、弯矩很小，受力比较合理，材料强度能得到充分利用，目前常用于大跨度的屋盖结构（如展览馆、飞机库等）。
本发明的整体翘曲空间结构桥是由索拱拼装结构发展而来，目的是加强结构整体性、尽量减少构件（拱肋、钢索、横梁、竖向支撑及弹簧等），使结构整体（曲壳形状）、材料单一（桥体结构厚度10~20mm）、重量轻，利用空间壳体结构原理，研究发展整体翘曲空间结构；整体翘曲空间结构桥的结构整体性强、部件少，整体结构受力性能良好，具有结构简单、造型美观、材料单一、重量轻（30m跨约重25吨）、造价较低、可标准化（跨径范围6～42m）和工厂化流水作业制作、适合3D打印条件、维护简便且寿命可控的特点，机械化吊装使得能够快速施工；该结构桥可用于人行天桥、跨河及地面道路桥梁，有墩架空式和无墩落地式皆可设置，既可用作永久高架结构亦可用作临时跨越结构，适用范围广泛。
附图说明
附图1为本发明的整体翘曲空间结构桥的结构示意图之一；
附图2为本发明的整体翘曲空间结构桥的结构示意图之二；
附图3为本发明的整体翘曲空间结构桥的结构示意图之三；
附图4为本发明的整体翘曲空间结构桥的端部放大结构示意图；
附图5为本发明的整体翘曲空间结构桥实施例的结构有限元分析的人载工况-桥的变形的加载分析图；
附图6为本发明的整体翘曲空间结构桥实施例的结构有限元分析的人载工况-桥的应力的加载分析图；
附图7为附图6中的端部加强件部位的放大结构图；
附图8为本发明的整体翘曲空间结构桥实施例的结构有限元分析的车载工况-桥的变形的加载分析图；
附图9为本发明的整体翘曲空间结构桥实施例的结构有限元分析的车载工况-桥的应力的加载分析图；
附图10为附图9中的端部加强件部位的放大结构图。
其中：1—桥面；2—护栏；3—端部加强件；4—交叉斜撑。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示：一种整体翘曲空间结构桥，包括桥面1和护栏2，护栏2位于桥面1的两侧且两者采用同种材料整体成型，护栏2的厚度与桥面1的厚度一致且两者的厚度范围为10mm～20mm；其中桥面1整体呈拱形多曲面结构，桥面1的纵坡≤6%且桥面1的横坡为2%，且自桥面1中间的宽度至桥面1两端的宽度逐渐变大，从桥面1的长度方向和桥面1宽度方向看，桥面1皆呈劣弧曲面结构，且护栏2的竖截面亦呈劣弧曲面结构；在桥面1的底部设有交叉斜撑4且桥面1的底部两端皆设有端部加强件3。在上述结构中，护栏2和桥面1的连接处的曲面弧长为20～40cm。同一座结构桥上，护栏2的弧度、高度以及护栏2和桥面1的连接处的弧度为定值，桥面1、护栏2、端部加强件3、交叉斜撑4采用同种材料制成，上述材料包括钢材、铝合金或碳纤维，或者采用其它高强材料；桥面1、护栏2、端部加强件3、交叉斜撑4构成的结构采用3D整体打印成型。
在上述结构中，端部加强件3的宽度等同于桥面1的端部宽度、厚度根据桥面1的荷载强度确定，且端部加强件3的底部平齐、端部加强件3的顶部与桥面1底部的曲面变化相适应。交叉斜撑4的底部平齐且交叉斜撑4的顶部与桥面1底部的曲面变化相适应，当桥的跨度≤10m，交叉斜撑4的长度不低于桥面1跨度的80%，且交叉斜撑4的四角延伸至桥面1的底部边沿；当桥的跨度＞10m，交叉斜撑4的四角延伸至桥面1底部的端部加强件3和桥面1的底部边沿。桥面1的中间宽度和桥面1的端部宽度之间的关系为：人行天桥的中间宽度为3～4m且端部宽度为5～6m、道路桥梁的中间宽度为4～6m且端部宽度为6～8m；例如人行天桥的中间宽度为3m则端部宽度为5m、或者中间宽度为4m则端部宽度6m，道路桥梁的中间宽度为4m(最小、单车道)则端部宽度为6m、或者中间宽度为6m（双车道）则端部宽度8m；上述宽度关系仅适用于桥梁跨度在12m～42m范围，跨度大于42m需另行考虑。
下面通过实施例以及对实施例进行结构有限元分析对本发明的整体翘曲空间结构桥作进一步的说明。
实施例
整体翘曲空间结构桥：由桥主体部分（桥面1和围栏2为一体）、端部加强件3及下部交叉斜撑4共同组成，结构材料为：高强钢、铝合金、碳纤维或其它高强材料。以桥跨30m、桥面端部宽6m且中间宽4m、钢板厚度10mm的人行天桥为例，结构总重24.66吨，其中主体部分（桥面和围栏）重量 18.97吨、下部交叉斜撑加强部分重量 4.997吨、端部加强部分重量0.69吨。
下面通过采用ANSYS.R.15程序对实施例所展示的整体翘曲空间结构桥做结构有限元分析来对本发明作进一步的说明。
人载工况-桥的变形的加载分析见如附图5所示：人载工况下，桥的变形为d=2.31768mm，挠度允许值为L/800=30000/800=37.5mm，可见，桥的变形远小于挠度允许值，且安全系数较高。
人载工况-桥的应力的加载分析见如附图6和附图7所示：人载工况，桥体所受的von Mises应力最大值为87.4576MPa＜287MPa，可见，人载工况下桥体的经强度是安全的。
车载工况-桥的变形的加载分析见如附图8所示：车载工况下，桥的变形为d=3.4702mm，挠度允许值为L/800=30000/800=37.5mm，可见，桥的变形远小于挠度允许值，且安全系数较高。
人载工况-桥的应力的加载分析见如附图9和附图10所示：车载工况下，桥体所受的von Mises应力最大值为132.843MPa＜287MPa，可见车载工况下桥体的经强度是安全的。
结构有限元分析的结果显示，在人载、车载作用下，桥的变形、应力值远小于规范允许值，安全系数较高，结构整体受力性能良好。但是在下部交叉斜撑加强部分的末端，加载后是受力薄弱的地方，需要加强。分析原因是由于实施例中的交叉斜撑4未延伸至端部加强件3的缘故；将交叉斜撑4延长至端部加强件3即可解决该问题。
本发明的整体翘曲空间结构桥中的部件全部采用同种材料且桥面1和护栏整体2成型，桥面1下设有端部加强件3和交叉斜撑4，最主要的特点是多曲壳、结构整体、轻巧简单、材料均质、3D打印；是一种利用现代高强钢、铝合金或碳纤维等材料形成薄壁空间结构（也称壳体结构），它属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力、弯矩很小，受力比较合理，材料强度能得到充分利用，目前常用于大跨度的屋盖结构（如展览馆、飞机库等）。
本发明的整体翘曲空间结构桥是由索拱拼装结构发展而来，目的是加强结构整体性、尽量减少构件（拱肋、钢索、横梁、竖向支撑及弹簧等），使结构整体（曲壳形状）、材料单一（桥体结构厚度10~20mm）、重量轻，利用空间壳体结构原理，研究发展整体翘曲空间结构；整体翘曲空间结构桥的结构整体性强、部件少，结构整体受力性能良好，具有结构简单、造型美观、材料单一、重量轻（30m跨约重25吨）、造价低廉、可标准化（跨径范围6～42m）和工厂化流水作业制作、适合3D打印条件、维护简便且寿命可控的特点，机械化吊装使得能够快速施工；该结构桥可用于人行天桥、跨河及地面道路桥梁，有墩架空式和无墩落地式皆可设置，既可用作永久高架结构亦可用作临时跨越结构，适用范围广泛。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种整体翘曲空间结构桥，包括桥面（1）和护栏（2），其特征在于：所述的护栏（2）位于桥面（1）的两侧且两者采用同种材料整体成型，所述的桥面（1）整体呈拱形多曲面结构，且自桥面（1）中间的宽度至桥面（1）两端的宽度逐渐变大，从桥面（1）的长度方向和桥面（1）宽度方向看，桥面（1）皆呈劣弧曲面结构，且护栏（2）的竖截面亦呈劣弧曲面结构；所述桥面（1）的底部设有交叉斜撑（4）,且桥面（1）的底部两端皆设有端部加强件（3）。
2.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述端部加强件（3）的宽度等同于桥面（1）的端部宽度，且所述端部加强件（3）的底部平齐、端部加强件（3）的顶部与桥面（1）底部的曲面变化相适应；所述交叉斜撑（4）的底部平齐且交叉斜撑（4）的顶部与桥面（1）底部的曲面变化相适应。
3.根据权利要求1或2所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：当桥的跨度≤10m，交叉斜撑（4）的长度不低于桥面（1）跨度的80%，且交叉斜撑（4）的四角延伸至桥面（1）的底部边沿；当桥的跨度＞10m，交叉斜撑（4）的四角延伸至桥面（1）底部的端部加强件（3）和桥面（1）的底部边沿。
4.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述桥面（1）的中间宽度和桥面（1）的端部宽度之间的关系为：人行天桥的中间宽度为3～4m且端部宽度为5～6m、道路桥梁的中间宽度为4～6m且端部宽度为6～8m。
5.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述桥面（1）的纵坡≤6%,且桥面（1）的横坡为2%。
6.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述护栏（2）的厚度与桥面（1）的厚度一致,且两者的厚度范围为10mm～20mm。
7.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述的护栏（2）和桥面（1）的连接处的曲面弧长为20～40cm。
8.根据权利要求1或7所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：同一座结构桥上，护栏（2）的弧度、高度以及护栏（2）和桥面（1）的连接处的弧度为定值。
9.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述的桥面（1）、护栏（2）、端部加强件（3）、交叉斜撑（4）采用同种材料制成，上述材料包括钢材、铝合金或碳纤维。
10.根据权利要求1所述的整体翘曲空间结构桥，其特征在于：所述的桥面（1）、护栏（2）、端部加强件（3）、交叉斜撑（4）构成的结构采用3D整体打印成型。
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