CN109826488B - 一种用于大跨度空间结构的气撑梁 - Google Patents

一种用于大跨度空间结构的气撑梁 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大跨度空间结构的气撑梁。它由气囊上弧外板、气囊上弧内板、气囊下弧外板、气囊下弧内板、气囊箍板、垫板、螺栓、支撑柱与纺锤形气囊组成。纺锤形气囊内充入一定压力的气体后,可以提高气囊上弧外梁和气囊上弧内梁的抗弯能力,气囊气压可以根据气撑梁所受外部荷载调节。本发明继承了气囊结构质量轻,钢结构施工便捷、刚度大的优点,形成一种质轻、高强、建造方便、纺锤形气囊可以更换、气囊气压可根据外部荷载调节的结构体系。

Description

一种用于大跨度空间结构的气撑梁
所属技术领域
本发明涉及一种空间梁结构体系,具体地说是一种用于大跨度空间结构的气撑梁,应用范围包括火车站、汽车站、厂房、博物馆等要求大跨度空间结构的场所。
背景技术
在空间结构领域,随着社会的发展和人民生活水平的不断提高,对于造型美观、受力合理的大跨度、超大跨度建筑的需求越来越突出;特别是,我国人口数量大,汽车站、火车站、地铁站、博物馆、纪念馆等高密度人口区域对大跨度空间结构的需求是紧迫的。
用料少、刚度大、质量轻、跨越能力强也是工程师们探索新型空间结构体系所追求的目标。近年来,预应力张弦结构、巨型网格结构、充气式膜结构、悬索结构等高效、节能的结构体系层出不穷,同时对新型结构体系的研究也成为结构工程师的重点研究方向,为结构工程领域增添新的活力。因此,对高效、节能新型结构体系的探讨和研发是促使空间结构不断向前进步的风向标。
工字钢、槽型钢是生活中比较常见的钢结构梁,但是在跨度较大的结构中,自身自重应力会产生较大弯矩从而实现最大跨越距离有限,有些工程通过增加立柱支撑的方式实现较大跨度,但是较多的钢材使用会带来不低的工程造价,同时支撑结构也会影响空间使用。桁架梁结构具有轻盈、跨度大、用钢量省、受力体系简单、施工方便、建设速度快等优点,但是结构空间大,侧向刚度小的缺点也是不能忽视的。现在人们借鉴传统梁结构的优点,开发出了较多的轻型梁结构。如专利号CN108350702A的具有形状记忆丝绳索的气撑式张弦结构,直接在上弦杆件下加上气囊,并用柔性索固定,虽然气囊起到了抗压的作用,但是却忽略了气囊与柔性索不能保证在风荷载中稳定,从而大大降低了结构的承载能力。专利号CN106314347A的一种基于气撑式张弦结构的抗压车顶,虽然使用上下弦杆件来固定气囊,但是杆件与气囊之间采用粘接,考虑到织物气囊与钢结构的使用寿命差别较大,不可更换的气囊一旦使用寿命到期,整个结构就要报废,势必造成很大浪费。而且较短的使用寿命无法满足一般固定建筑物设计要求。专利号CN104648624A的一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架只是对一般桁架梁加入了气囊梁,无法改变传统桁架梁的缺点。总体来说,现有发明基本存在如下几点不足:1)、所能实现的跨度有限,为了实现更大跨度需要增加立柱。2)、结构冗余,占用太多空间,不利于后续空间的使用。3)、无法解决织物气囊生命周期短的缺点。4)、不能有效抵抗风荷载。
针对上述不足,本发明提出了一种用于大跨度空间结构的气撑梁,通过气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)、气囊箍板(6)的加入使气撑梁具有一定抵抗风荷载的能力。纺锤形气囊(5)的加入使得整个结构质轻、高强,从而实现更大跨度。纺锤形气囊(5)通过充入气体固定在气囊上弧内板(2)气囊下弧内板(3)、气囊箍板(6)之中,这样便可在气囊生命周期结束后放气取出原气囊,放入未充气的新气囊并充气固定。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于大跨度空间结构的气囊支撑式梁。实现以较少的材料形成可以满足大跨度要求、结构强度要求的结构体系。同时使用多个气撑梁即可完成大跨度无立柱建筑。
为了达到上述目的,本发明提供的一种用于大跨度空间结构的气撑梁,可看做是由气囊代替传统钢架结构的撑杆。
上述的气撑梁,由气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)、气囊(5)、气囊箍板(6)、垫板(7)、支撑柱(8)、螺栓(9)组成。
上述的气撑梁,其中,气囊箍板(6)从气囊上弧延伸到气囊下弧环绕气囊一圈并不间断,气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)从气撑梁一端延伸到另一端并不间断。支撑柱(8)为圆柱形且侧面有孔的壳体结构。
上述的气撑梁,其中,纺锤形气囊(5)为中间大两头小的椭球状,气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)与气囊箍板(6)的形状与纺锤形气囊(5)完全一致。纺锤形气囊有助于气囊在受到纵向荷载后仍可牢固地卡在气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)与气囊箍板(6)形成的囊腔内;同时中间大两头小的椭球状气囊梁也符合梁单元跨中弯矩大两端弯矩小的特点,受力更加合理。
上述的气撑梁,其中,气囊上弧内板(2)与气囊下弧内板(3)通过气囊箍板(6)以相贯节点连接形成整个气撑梁的框架,为纺锤形气囊(5)形成形状大小匹配的囊腔。固定于囊腔内的纺锤形气囊(5)起到连接气囊上弧内板(2)与气囊下弧内板(3)的作用,保证其共同受力。
上述的气撑梁,其中,气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)在与气囊箍板(6)连接处,留出和螺栓帽相同大小的孔位,从而使气囊上弧内板(2)气囊下弧内板(3)与气囊接触面保持光滑平整。
上述的气撑梁,其中,气囊箍板(6)分别穿过气囊上弧内板(2)、气囊上弧外板(1)和气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4);气囊箍板(6)限制了纺锤形气囊(5)的侧向变形与位移,保证了纺锤形气囊(5)可以在原位安全工作。
上述的气撑梁,其中,气囊上弧外板(1)和气囊上弧内板(2)通过气囊箍板(6)、垫板(7)固定在一起,并形成气撑梁的上弦。同样,气囊下弧外板(4)和气囊下弧内板(3)通过气囊箍板(6)、垫板(7)固定在一起,并形成气撑梁的下弦。
上述的气撑梁,气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)和气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)的两端分别用支撑柱(8)固定在一起。气撑梁配件之间使用螺栓(9)连接。
上述的气撑梁,气囊内充入一定气压的空气后才能形成具有足够承受外载能力的结构体系。
上述的气撑梁,其中,气囊箍板(6)的尺寸大小与其所处位置纺锤形气囊半径大小有关。
本发明提供了一种用于大跨度空间结构的气撑梁,将气囊结构自重小与钢结构刚度大的优点结合在了一起。使气撑梁能够实现更大跨度。整个气撑梁由几类标准构件组成,各部件可在工厂加工,现场组装。气囊的可更换性让气撑梁的使用寿命大幅延长。气囊下弧内板(3)和气囊下弧外板(4)的设计改善了一般气囊张弦结构在风荷载中不稳定的缺点。此外,气撑梁的弧形设计,使结构受力性能好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明:
图1为本发明的三维图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明的俯视图。
图4为图2中A-A剖切视图。
图5为本发明的装配配件图。
图6为本发明的连接详图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明为一种用于大跨度空间结构的气撑梁,结构充分将气囊结构质量轻、内部气压可以依据外部荷载进行人为调节的优点和钢结构便于组装施工、空间刚度大的优点结合在了一起,形成一种气囊与梁杂交的空间结构体系,可以形成满足自重、强度、刚度、以及使用空间方面要求的大跨度梁结构。
如图1所示,本发明一种用于大跨度空间结构的气撑梁,是由气囊代替传统张弦结构腹杆所形成的一种结构体系。
如图1、3所示,气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)从气撑梁一端延伸到另一端并不间断,气囊箍板(6)环绕气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)并不间断。
如图1、2所示,气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)通过气囊箍板(6)垫板(7)支撑柱(8)连接形成整个气撑梁的框架,作为为与纺锤形气囊(5)形状大小都匹配的囊腔。气囊箍板(6)分别穿过气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)。
如图1、2、5所示,纺锤形气囊(5)为中间大两头小的纺锤形,气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)与气囊箍板(6)的形状与纺锤形气囊(5)完全一致。纺锤形有助于气囊在受到纵向荷载后仍可安全地在气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)与气囊箍板(6)形成的囊腔内工作;同时中间大两头小的纺锤形气囊也符合梁单元跨中弯矩大两端弯矩小的特点,受力性能好。
如图1、2、6所示,在受到外部荷载的情况下,气囊上弧外板(1)与气囊上弧内板(2)通过气囊箍板(6)、垫板(7)连接,共同承受压力,充气的纺锤形气囊(5)对气囊上弧内板(2)产生压力而抵消一部分竖直向下的荷载。气囊下弧内板(3)和气囊下弧外板(4)都将受到的拉力传递至两端支座。
本发明,一种用于大跨度空间结构的气撑梁具有自重轻、跨度大、施工便捷等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种用于大跨度空间结构的气撑梁,其特征在于:气撑梁是由气囊代替传统钢架结构的腹杆后形成的一种用于大跨度空间结构的气囊支撑式结构;气撑梁由气囊上弧内板(2)、气囊上弧外板(1)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)、纺锤形气囊(5)、气囊箍板(6)、垫板(7)、支撑柱(8)、螺栓(9)组成;其中气囊上弧内板(2)与气囊下弧内板(3)通过气囊箍板(6)连接成一体,形成整个纺锤形气囊(5)的囊腔;纺锤形气囊(5)充入一定气压的气体后形成完整的气撑梁;纺锤形气囊可以在使用寿命到期后放气取出更换新的气囊;气囊内部气压可以依据外部荷载进行人为调节;气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)、气囊箍板(6)、垫板(7)、支撑柱(8)均由钢板来制作,其中支撑柱(8)为壳结构;配件之间通过螺栓(9)连接;纺锤形气囊(5)内部的气压可随气撑梁外部载荷的大小确定;气囊上弧外板(1)可依据外部荷载的大小进行多片叠加,用来提高结构的刚度;气囊箍板(6)的数量可依据纺锤形气囊(5)的形状来确定;气囊箍板(6)的大小由其所在位置确定;气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)与气囊箍板(6)形成的囊腔,其形状与大小与纺锤形气囊(5)完全一致,使纺锤形气囊(5)、气囊上弧外板(1)、气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)、气囊下弧外板(4)在传递外载的时候能够相互协同变形共同受力;气囊上弧内板(2)、气囊下弧内板(3)在与气囊箍板(6)连接处,留出和螺栓帽相同大小的孔位,从而使气囊上弧内板(2)气囊下弧内板(3)与气囊接触面保持光滑平整。
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