CN219315477U - 一种快速架设的装配式充气桥梁 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速架设的装配式充气桥梁，属于梁结构设计技术领域。桥梁包括桥面承载板和圆筒充气模体；圆筒充气模体的外形由圆柱段以及圆柱段两端的球形结构组成；桥面承载板沿山谷跨度方向设置，圆筒充气模体设置在山谷内为桥面承载板提供竖向支撑，所述圆筒充气模体的轴线方向与桥面承载板沿山谷跨度方向互相垂直。本实用新型能够减少桥面沿跨度方向支撑点的距离，从而减小桥面承载板的厚度，实现快速拼装、快速架设的目的。

Description

一种快速架设的装配式充气桥梁

技术领域

本实用新型属于桥梁结构设计技术领域，具体涉及一种快速架设的装配式充气桥梁结构。

背景技术

桥梁装备是伴随任务行动，特别是强渡江河、跨越峡谷和壕沟等障碍，实现快速机动的重要工程保障器材。传统的桥梁装备存在重量大、体积大、架设速度慢、承载能力低、保障人员多和运输车辆多等问题，严重影响了装备的机动性能。研制轻型、快速架设、承载能力强和高机动性的新型桥梁装备具有重要的现实意义。

在封闭的柔性薄膜内充气形成压力支撑膜面，内压使膜面产生张力，膜的张力连同内压可以抵抗外载荷，从而实现承载的作用。这种充气膜结构具有自重轻、架设快，承载能力强的优点，目前已多用于航空航天、近空间飞行器和大型建筑领域。在装配式应急桥梁领域往往面临需要架设桥墩以实现缩短跨径的问题，同时需要桥墩快速架设成型。

中国专利CN112502019A公开了一种快速架设的充气式桥梁，该桥梁将充气环组件设置在山谷内作为竖向支撑，桥面承载板沿山谷跨度方向安装在充气环组件上，由于充气环组件包括1个以上充气环单元，充气环单元由2个以上充气环并列拼装而成，因此，充气环组件在组装和架设过程中会耗费较多的时间，不利于实现桥梁的快速架设。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种快速架设的装配式充气桥梁，能够减少桥面沿跨度方向支撑点的距离，从而减小桥面承载板的厚度，实现快速拼装、快速架设的目的。

一种快速架设的装配式充气桥梁，包括桥面承载板和圆筒充气模体；

所述圆筒充气模体的外形由圆柱段以及圆柱段两端的球形结构组成；

所述桥面承载板沿山谷跨度方向设置，所述圆筒充气模体设置在山谷内为桥面承载板提供竖向支撑，所述圆筒充气模体的轴线方向与桥面承载板沿山谷跨度方向互相垂直。

进一步地，所述圆筒充气模体的数量采用两个以上，所述圆筒充气模体之间以及圆筒充气模体和两侧山谷之间形成填充嵌锁关系。

进一步地，所述圆筒充气模体的内压为0.2Mpa～0.7Ma。

进一步地，所述圆筒充气模体由密闭内胆、受力层和外套三层叠合构成，所述密闭内胆的材料采用高韧橡胶材料；受力层的材料采用碳纤维、聚酯纤维或在橡胶层外复合高强钢丝；所述外套的材料采用帆布；三层叠合的厚度在5mm～10mm之间。

进一步地，所述圆筒充气模体的外表面沿轴向间距一定距离设置环箍，环箍采用碳素纤维布和圆筒充气模体表面粘接而成。

进一步地，所述圆筒充气模体的底部和顶部分别设有支撑座，底部的支撑座用于支撑圆筒充气模体，顶部的支撑座用于支撑桥面承载板。

进一步地，所述支撑座采用高强、高弹模橡胶材料制成，支撑座和圆筒充气模体接触的表面以及该处对应的圆筒充气模体接触表面均设置高摩擦系数的接触材料，接触面之间设有止滑栓实现剪切锁止，圆筒充气模体底部的支撑座设有地锚稳固于谷底。

有益效果：

1、本实用新型采用圆筒充气模体设置在山谷内为桥面承载板提供竖向支撑，圆筒充气模体的外形由圆柱段以及圆柱段两端的球形结构组成，圆筒充气模体的轴线方向与桥面承载板沿山谷跨度方向互相垂直。基于静力分析和显示动力分析交互验证，证明该结构体系能满足强度和刚度的需要，结构体系科学合理，圆筒充气模体应力能控制在120MPa之内，跨中竖向挠度能控制在跨径的1/500之内。

2、本实用新型的圆筒充气模体由密闭内胆、受力层和外套三层叠合构成，密闭内胆的材料采用高韧橡胶材料；受力层的材料采用碳纤维、聚酯纤维或在橡胶层外复合高强钢丝；外套的材料采用帆布，三层叠合的厚度在5mm～10mm之间。上述材料和厚度的选取使得圆筒充气模体具有质量轻的特点，方便运输搬运，直径5m、长度5.3m的筒体能控制在1000kg之内，配以充气功能能实现桥梁的快速架设。

3、本实用新型圆筒充气模体的外表面沿轴向间距一定距离设置环箍，能够减少圆筒充气模体的应力，提高圆筒充气模体刚度，控制圆筒充气模体整体变形。

4、本实用新型支撑座和圆筒充气模体接触的表面以及该处对应的圆筒充气模体接触表面均设置高摩擦系数的接触材料，接触面之间设有止滑栓实现剪切锁止，能够实现接触面之间的止滑，同时增加了止滑的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型装配式充气桥梁采用单圆筒桥墩的示意图；

图2为本实用新型装配式充气桥梁采用双圆筒桥墩的示意图；

图3为圆筒充气模体的外形结构示意图；

图4为设置环箍的圆筒充气模体外形结构示意图；

图5为圆筒充气模体与上下支撑座的安装关系示意图；

其中，1-桥面承载板、2-圆筒充气模体、3-上支撑座、4-下支撑座、5-地面、6-环箍。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种快速架设的装配式充气桥梁，桥梁由圆筒充气模体2和在其上搭设的桥面承载板1构成，桥面承载板1的两端搭设在山谷的地面5上，圆筒充气模体2作为竖向承载的主要构件，既可以单独形成竖向支撑，又可以多筒组合形成竖向支撑，当桥梁跨越山谷时，圆筒充气模体2可以作为支撑单元在桥梁跨度方向形成竖向支撑，从而减少桥面支撑距离，多组圆筒充气模体之间以及充气筒和两侧山谷之间形成填充嵌锁关系后，可以进一步减少桥面沿跨度方向支撑点的距离，从而减小桥面承载板的厚度，实现快速拼装、快速架设的目的。用于桥梁承载的圆筒充气模体2一般为高压充气，其内压为0.2Mpa～0.7Ma，充高压气筒膜一般由密闭内胆、受力层、外套三层叠合构成，密闭内胆主要提供封闭不漏气的环境，有高韧橡胶材料构成；受力层由高抗拉强度的材料构成，可采用碳纤维、聚酯纤维或在橡胶层外复合高强钢丝等材料；外套主要提供表面必要的摩阻力和抗磨耗的能力，可由帆布等材料构成，三层叠合的厚度在5mm～10mm之间。

图1和图2为例给出了跨越山谷的两种型式。图1为单环支撑示意，可将单跨跨度减小至二分之一；图2为双环支撑，可将单跨跨度减少至三分之一，基于圆筒充气模体2作为支撑构件的结构型式可以有相对灵活的组合，从而适用于不同跨度、不同的深度。

圆筒充气模体2三维示意图见图3所示，其外形由圆柱段以及圆柱段两端的球形结构组成，为了减少模体的应力，提高模体刚度，控制模体整体变形，在模体筒身间距一定距离设置环箍6，环箍6采用碳素纤维布和模体粘接而成，见图4所示。圆筒充气模体2底部设有下支撑座4，下支撑座4设有地锚稳固于谷底。圆筒充气模体2顶部设有支撑桥面板的上支撑座3，上支撑座3和下支撑座4采用高强、高弹模橡胶材料制成，支撑座和圆筒充气模体2接触的表面以及该处对应的圆筒充气模体2接触表面均设置高摩擦系数的接触材料以实现接触面之间的止滑，同时为了增加止滑的可靠性，接触面之间设有止滑栓实现剪切锁止，设有上下支撑座的三维示意图见图5所示。桥面承载板1则可以视跨越距离的长短选择多种型式，从快速架设角度采用优先选用装配式钢结构桥面板。

针对上述实施例进行承载力分析，圆筒充气模体2、环箍6采用三维膜单元，桥面承载板1、上支撑座3、下支撑座4、车辆采用块单元。计算分析的物理力学参数见表1所示。

表1物理力学指标表

模型名称	密度	弹性模量	泊松比	结构厚度(mm)	备注
						圆筒充气模体	1.0	4E3	0.32	8	内压0.5MPa
桥面承载板	7.85	2.0E5	0.3	350
						环箍	1.0	1E4	0.31	5
支撑座	1.1	8.0E3	0.42	—
						车辆	7.85	1.0E5	0.3	—

模型体量：数值计算对象为2×12m两跨桥梁，桥面宽度5.3m，圆筒充气模体内直径5m，环箍内直径5m，宽度0.3m。

单元尺寸：圆筒充气模体和单元尺寸为0.1m×0.1m，桥面承载板单元大小为0.1m×0.1m×0.6m，支撑座单元、车辆单元控制最小边尺寸为0.1m。

材料本构关系：采用弹性本构。

相互作用：①绑定连接：圆筒充气模体和环箍之间的接触区域为接触区域，圆筒充气模体和上下支撑座之间的接触区域，上支撑座和桥面承载板之间的接触区域；②摩擦接触：车辆轮底和桥面板上表面，车辆右外侧和桥面导向侧板内侧，切向摩擦系数为0.1，法向接触为硬接触。

边界条件：下支撑座底部为固结，桥面承载板板端约束为简支约束。

分析类型有两种，分别为多载荷步静力分析和模拟车辆运动作用下的显示动力分析。静力分析的载荷加载步分为三步：即圆筒充气模体内部加压、结构重力、桥面载荷(10kN/m²)。显示动力分析的载荷步分为三步：圆筒多级分步加压和车辆在微小外力下的预接触，多级加载下的结构重力，车辆运动(总重56T，按照1.39m/s速度行进，模拟5km/h的时速)。桥梁静力分析：

从第一载荷步充气圆筒内部加压作用下结构的竖向变位图可见，桥梁结构在充气作用下，由于圆筒充气模体加压后的膨胀效应，圆筒充气模体顶部最大竖向位移为Y正向83.27mm，出现在环箍之间的圆筒充气模体上，对应的桥梁板竖向位移为61.63mm。从充气模体在充气作用下的Msies应力图可见，在充气0.5MPa气压作用下圆筒充气模体的最大Mises应力为114.9MPa，处于模体允许应力范围之内；从环箍的Misies应力图可见，环箍最大Mises应力为256.8MPa，也处于环箍允许应力范围之内，环箍具有对圆筒充气模体的约束效应。

桥梁结构在第二载荷步即重力场作用下，结构体最大竖向变位为Y正向71.78mm，对应的桥梁板竖向位移为49.90mm。圆筒充气模体在自重下的应力分布及极值没有明显变化，根据环箍的Misies应力云图，极值略有变化，为254.0MPa，说明结构在重力场作用下，无论结构强度还是刚度都在理想的范围内。

桥梁结构在第三载荷步即车载作用下，结构体最大竖向变位为Y正向40.70mm，对应的桥梁板竖向位移为5.32mm，该值和第二载荷步中对应49.90mm相减，为结构在活载作用下的跨中竖向挠度，即44.58mm，为该桥跨径24米的1/538，基本满足要求；对比模体在车载下的Msies应力云图和模体在自重下的Msies应力云图，应力分布及极值没有明显变化；对比环箍的Misies应力云图，极值略有变化，为248.0MPa，说明结构在车载作用下，无论结构强度还是刚度都在理想的范围内。将三个载荷步的载荷效应进行对比，不难发现，在不同的载荷步下结构变形有明显的区别，而应力极值并没有出现明显的变化，说明了模体结构具有特殊的承载优势。

显示动力分析中第一加载总时长长为1.5s，其中加载时长1s，平衡稳定时长0.5s；第二加载总时长为2s，其中加载时长1s，平衡稳定时长1s；第三加载总时长为5.6s，该时段为车辆按照5km/h时速走完第一跨的时间，车辆前后轴距4米，左右轮距1.3m，总质量56T。为了降低结构在载荷作用下的瞬态动力效应，在第一载荷步充气加载和第二载荷步重力场作用均采取了分级加载模式，每一次分级加载为该载荷终值的1％，同时为了得到较为平滑的过程曲线，显示动力分析三个阶段的结果输出步长均设定为0.01s。

为了和静力工况进行对比，给出了三个荷载步结束时的位移和应力效应云图，具体参数的对比详见表2所示。由表2可以看出，静力计算结果和显示动力分析结果大体相当，只是环箍应力极值显示动力分析较大，同时可以看出无论静力加载还是动力加载，三个加载步作用下模体和环箍的极值应力都变化不大，且都处于模体及环箍允许应力范围之内。

从膜顶左、中、右三个竖向位移监测点的时程曲线中可以看出，三个监测点形状大致相同，膜顶中监测点竖向位移值大于左右两个监测点位移值，原因在于膜顶中监测点位移是模体表面的位移，而左右监测点处于环箍下方的膜顶表面，由于受到环箍的约束效应，其位移小于没有环箍约束的模体表面，膜顶左右监测点在充气加压阶段是相吻合的，因为这个阶段结构体几何对称、载荷对称，而在第二载荷步即重力场施加后，左右位移时程出现偏移，只要是因为车载偏心于桥面右侧，模体右边承载大于左边，所以模体右监测点位移曲线处于左监测点位移曲线的下方，从三个监测点曲线形态来看，第一加载步分级加压，模体膨胀，竖向位移近似线性增加，加压完成后即1.0s后，在平衡稳定阶段(0.5s内)模体监测点出现小幅水平震荡；第二加载步重力场分级施加，监测点竖向位移近似线性下降，施加完成即2.5s后，在平衡稳定阶段(1.0s内)模体监测点也出现小幅水平震荡；第三加载步车辆行进中，随着车辆向跨中移动，模体监测点竖向位移近似呈线性下降。整个加载全过程中，模体在监测点在车辆载荷作用下竖向最大变位在46mm左右，相对于结构跨径这一变位是安全的。

从桥面跨中加测点的位移时程曲线中可以看出，在车载左右下，竖向变位为38.4mm，为该桥跨径24米的1/625，满足要求。

t＝5.67s时的车辆和桥面的接触应力，极值为1.264MPa，第三荷载步全时长平均接触应力在0.712MPa左右，处于合理范围。

表2静力分析与显示动力分析对比表

基于以上分析可知，充气筒桥墩无论在强度还是刚度两个方面都能满足桥梁承载要求，且具有较大的安全储备。目前高强膜材的抗拉强度可达500MPa以上，而上述分析的膜材最大应力在120MPa兆帕以内，远低于强度限值，环箍可采用碳素纤维，其抗拉强度可高达2000MPa以上，远远超过本算例环箍349.4MPa的峰值应力，可以说现有高强纤维类材料为高强模体提供了广阔的应用空间。算例中直径5m的单充气筒的膜体质量可控制在1000kg以内，加压充气过程如配以自动充气功能，可以大大缩短架设时间，从而为实现桥梁快速拼装提供了可能。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，包括桥面承载板和圆筒充气模体；

所述圆筒充气模体的外形由圆柱段以及圆柱段两端的球形结构组成；

所述桥面承载板沿山谷跨度方向设置，所述圆筒充气模体设置在山谷内为桥面承载板提供竖向支撑，所述圆筒充气模体的轴线方向与桥面承载板沿山谷跨度方向互相垂直。

2.如权利要求1所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述圆筒充气模体的数量采用两个以上，所述圆筒充气模体之间以及圆筒充气模体和两侧山谷之间形成填充嵌锁关系。

3.如权利要求2所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述圆筒充气模体的内压为0.2Mpa～0.7Ma。

4.如权利要求3所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述圆筒充气模体由密闭内胆、受力层和外套三层叠合构成，所述密闭内胆的材料采用高韧橡胶材料；受力层的材料采用采用碳纤维、聚酯纤维或在橡胶层外复合高强钢丝；所述外套的材料采用帆布；三层叠合的厚度在5mm～10mm之间。

5.如权利要求4所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述圆筒充气模体的外表面沿轴向间距一定距离设置环箍，环箍采用碳素纤维布和圆筒充气模体表面粘接而成。

6.如权利要求5所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述圆筒充气模体的底部和顶部分别设有支撑座，底部的支撑座用于支撑圆筒充气模体，顶部的支撑座用于支撑桥面承载板。

7.如权利要求6所述的快速架设的装配式充气桥梁，其特征在于，所述支撑座采用高强、高弹模橡胶材料制成，支撑座和圆筒充气模体接触的表面以及该处对应的圆筒充气模体接触表面均设置高摩擦系数的接触材料以实现接触面之间的止滑，接触面之间设有止滑栓实现剪切锁止，圆筒充气模体底部的支撑座设有地锚稳固于谷底。

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