CN219315478U

CN219315478U - 一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁

Info

Publication number: CN219315478U
Application number: CN202222033664.0U
Authority: CN
Inventors: 张立乾; 陈红; 闫晶; 王卉; 李泽; 徐学文; 冯中华; 贾佳
Original assignee: 63921 Troops of PLA
Current assignee: 63921 Troops of PLA
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2032-08-03

Abstract

本实用新型公开了一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，属于桥梁结构设计技术领域。桥梁包括桥面承载板、充气膜体和高强钢索；高强钢索在桥面承载板下方沿跨度方向纵向设置，高强钢索端部锚固于桥面承载板的端部，充气膜体设置在高强钢索和桥面承载板之间，通过对充气膜体充气变形外推实现高强钢索的张紧，从而产生对桥面承载板的“上托力”。本实用新型通过膜体体积变化导致高强钢索张紧，产生对桥面承载板的向上顶推并形成高强钢索和桥面承载板的体外支距，从而提高桥梁结构承载能力。

Description

一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁

技术领域

本实用新型涉及桥梁结构设计技术领域，具体涉及一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁。

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。

充气结构以其独特的优势在广大的工程领域中备受关注，在航空航天、近空间飞行器和大型建筑领域中展示了广阔的应用前景。充气结构是一种特殊的结构形式，利用压缩空气使充气织物形成预定的形状并达到预定的功能。与传统的钢结构和铝结构相比，充气结构具有自身重量轻、贮存运输体积小、架设速度快、结构阻尼大的特点。随着充气结构相关工业技术的发展，特别是高性能纤维及织物的出现，为充气结构的进一步发展创造了条件。

充气结构通过气囊内压使薄膜产生拉应力，并使结构达到相当的刚度，从而使结构具有抵抗外载的强度和刚度。其承载能力取决于内压的大小，提高气囊内压在一定程度上可以提高结构的承载力，但不能实现大的突破，过大的内压将使薄膜产生过大的应力，容易引发安全问题。因此，为减少充气结构的局限性而充分发挥其优势，研发充气结构和其他刚性结构的组合型式是必要的。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，通过膜体体积变化导致高强钢索张紧，产生对桥面承载板的向上顶推并形成高强钢索和桥面承载板的体外支距，从而提高桥梁结构承载能力。

一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，包括桥面承载板、充气膜体和高强钢索；所述高强钢索在桥面承载板下方沿跨度方向纵向设置，高强钢索端部锚固于桥面承载板的端部，所述充气膜体设置在高强钢索和桥面承载板之间，通过对充气膜体充气变形外推实现高强钢索的张紧，从而产生对桥面承载板的“上托力”。

进一步地，所述充气膜体的外形为扁壳形状，其长度方向与桥跨度方向互相垂直，充气模体的长度大于桥面承载板的宽度。

进一步地，所述充气膜体充气后的内压为60kPa～100kPa。

进一步地，所述充气膜体由密闭内胆、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材料；外套的材料采用帆布；三层叠合的厚度在3mm～6mm之间。

进一步地，所述桥面承载板截面采用三角形多腔桁架型式，即上下面板加中间三角斜撑组成的夹心板结构型式，斜撑夹角为60°，铝合金桥面承载板总厚度为150mm，上下面板和斜撑板以及端部竖向支撑板均为5mm。

进一步地，所述高强钢索的中部通过索鞍安装在充气模体下方，索鞍纵向前后设有两个垫块。

有益效果：

1、本实用新型的高强钢索在桥面承载板下方沿跨度方向纵向设置，高强钢索端部锚固于桥面承载板的端部，充气膜体设置在高强钢索和桥面承载板之间，结构型式中膜体发挥了类似张弦结构支撑杆的作用，通过膜体体积变化导致高强钢索张紧，从而产生对桥面承载板的向上顶推并形成预应力索和桥面承载板的体外支距，能够提高结构承载能力。

2、本实用新型的充气膜体充气后的内压为60kPa～100kPa，膜材最大应力在250MPa兆帕以内，远低于强度限值，受力层的材料采用碳素纤维材料，其抗拉强度可高达2000MPa以上，远远超过算例中的峰值应力，现有的高强纤维类材料为高强膜体提供了广阔的应用空间。算例中全桥质量能控制在1700kg以内，加压充气过程可配以自动充气功能，大大缩短架设时间，从而为实现桥梁快速拼装提供了可能。

3、本实用新型的充气膜体由密闭内胆、受力层和外套三层叠合构成，密闭内胆主要提供封闭不漏气的环境；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；外套采用帆布材料，能够提供表面必要的摩阻力和抗磨耗的能力。

4、本实用新型高强钢索的中部通过索鞍安装在充气模体下方，索鞍能够实现高强钢索和充气膜体的接触，索鞍纵向前后设有两个垫块，垫块能够实现在充气膜体充气膨胀时和高强钢索接触。

附图说明

图1为本实用新型基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁立面示意图；

图2为本实用新型基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁横断面示意图；

图3为桥面承载板的局部结构示意图；

图4为计算模型的三维示意图(斜向下俯视)；

图5为计算模型的三维示意图(斜向上俯视)。

其中，1-桥面承载板、2-充气膜体、3-索鞍、4-高强钢索。

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。

如附图1和2所示，本实用新型提供了一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，包括桥面承载板1、充气膜体2和多根高强钢索4；高强钢索4在桥面承载板1下方沿跨度方向纵向设置，高强钢索4端部通过索锚板锚固于桥面承载板1的端部，充气膜体2设置在高强钢索和桥面承载板1之间，通过对充气膜体2充气变形外推实现高强钢索4的张紧，从而产生对桥面承载板的“上托力”。为了实现高强钢索4和充气膜体2的接触，高强钢索4的中部通过索鞍3安装在充气模体2下方，索鞍3纵向前后设有两个垫块，用于实现在充气膜体2充气膨胀时和高强钢索4接触。

本实施例中的充气膜体一般为中低压充气，其内压为60kPa～100kPa，膜体由密闭内胆、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3mm～6mm之间。

本实施例中的桥面承载板1采用铝合金桥面承载板，桥面承载板截面采用三角形多腔桁架型式，即上下面板加中间三角斜撑组成的夹心板结构型式，斜撑夹角为60°，铝合金桥面承载板总厚度为150mm，上下面板和斜撑板以及端部竖向支撑板均为5mm，局部示意图见图3所示。

桥梁承载性能分析：

计算模型的物理力学参数见表1所示，整个计算模型三维示意见图4和5所示。

表1物理力学指标表

模型体量：数值计算对象为一跨8m桥梁，桥面宽度3.673m，充气膜体初始态为高度200mm的扁壳，纵向宽度1142mm，横向宽度4673mm，在膜体底面间距607.5mm设置6道索鞍。

单元剖分：充气膜体采用三维膜单元，桥面承载板采用壳单元，高强钢索及其锚板采用块体单元，充气膜单元尺寸为50mm×100mm，桥面承载板单元大小为50mm×200mm，索鞍、垫块和索锚板最小边尺寸为30mm，高强钢索最小边尺寸5mm。

材料本构关系：采用弹性本构。

相互作用：①充气膜底和索鞍、索锚板和桥面承载板端部的接触区域为绑定连接；②充气膜膜体顶和桥面承载板板底、高强钢索和索鞍以及高强钢索和垫块的接触区域为摩擦接触，切向摩擦系数为0.1，法向接触为硬接触。

边界条件：桥面承载板端部50mm宽为简支约束。

载荷步划分：分为4步，第一载荷步为充气膜体充气，分为多级加载，最大载荷步长为0.01，最终加载至100kPa的内压；第二载荷步为结构重力场加载，分为1个加载步加载；第三个加载步为四分之一跨径最不利公路-II级车道载荷加载，分为均布载荷和集中载荷，均布载荷取值为10.5kPa，分布于桥面承载板顶面，集中载荷为276kN的集中力均匀分布在2个0.2m×0.6m的面积上，对应的载荷集度为1150kN/m²，最大载荷步长0.1；第四加载步为跨中最不利公路-II级车道载荷加载，最大载荷步长0.1。第四载荷步施加时，第三载荷步的集中载荷失效。

第一载荷步作用下的荷载效应：

充气内压加载至100kPa时，整体结构竖向位移云图显示膜体竖向膨胀了103.3％，即206.7mm，对应的桥面承载板产生了61.8mm的预拱度。充气加载完毕时的膜体Msies应力云图显示最大应力为147.9MPa，处于膜体的允许应力范围之内。桥面承载板Msies应力云图显示最大应力为206.0MPa，处于高强铝合金钢板的应力范围之内，且极值出现在端部边界支撑处，该范围的应力可以通过增设构造措施实现较大幅度的降低，跨中顶板的纵向最大受拉正应力为69.9MPa，跨中底板的纵向最大受压正应力为-143.2MPa。高强钢索及锚板的跨中顶板的纵向最大应力云图显示最大值出现在钢索和锚板的锚点附近，由于钢索和锚板固结，在充气膜充气膨胀的过程中，高强钢索产生以锚点为圆心向下转动，从而钢索在锚固段产生由于强迫位移导致的弯曲，这个极值应力就是弯曲应力和轴向拉应力的叠加，为1268MPa，而距离锚固段一定距离后高强钢索受力均匀，边索为598MPa，次边索为544MPa，中索为518MPa，远低于高强钢索的设计应力标准值1860MPa，因此是安全的，同时在后面的结构细化设计阶段，可以通过设置具有微转动功能的锚固装置来消除弯曲应力，从而实现全长钢索的轴向受拉。

第二载荷步作用下的荷载效应：

第二载荷步为施加重力场，因为结构本身自重很轻，约60kg/m²，重力场效应很小。对应的桥面承载板竖向位移为59.8mm，仅比第一加载步减少了2mm；重力场作用下膜体的Msies应力云图显示最大应力为147.2MPa，和第一加载步相当；重力场作用下桥面承载板的Msies应力云图显示最大应力为197.8MPa，相比第一加载步减少4％；重力场作用下高强钢索及锚板的Msies应力云图显示距离锚固端一定距离后的边索应力为602MPa，次边索为546MPa，中索为520MPa，较第一载荷步小幅增加。

第三载荷步作用下的荷载效应：

第三载荷步为施加车道载荷，均布载荷作用于全跨，集中载荷作用于四分之一跨。结构竖向位移图云见图显示整体结构的最大正向竖向位移由上一荷载步的60.8mm降至32.5mm，对应的桥面承载板竖向位移为29.3mm，该值和上一载荷步差值即为活载作用下的挠度，即30.56mm，为跨径的1/262，满足要求；膜体的Msies应力云图显示最大应力为136.8MPa，比上一载荷减少7.1％；桥面承载板的Msies应力云图显示最大应力为167.9MPa，最大应力位置位于桥面承载板跨中和膜体接触的底面；高强钢索及锚板的Msies应力云图显示应力峰值及位置和上一载荷步相同，距离锚固端一定距离后的边索应力为649MPa，次边索为576MPa，中索为549MPa，较第二载荷步应力增幅为5.5％～7.8％。

第四载荷步作用下的荷载效应：

第四载荷步为施加车道载荷，均布载荷作用于全跨，集中载荷作用于跨中。结构竖向位移图云显示整体结构的最大正向竖向位移由第二荷载步的60.8mm降至22.0mm，对应的桥面承载板竖向位移为17.2mm，该值和第二载荷步差值即为活载作用下的挠度，即42.6mm，为跨径的1/188，满足要求；膜体的Msies应力云图显示最大应力为132.1MPa，比上一载荷减少3.4％；桥面承载板的Msies应力云图显示最大应力为147.4MPa，最大应力位置位于桥面承载板跨中和膜体接触的底面；高强钢索及锚板的Msies应力云图显示应力峰值及位置和上一载荷步相同，距离锚固端一定距离后的边索应力为665MPa，次边索为586MPa，中索为559MPa，较第二载荷步应力增幅为7.3％～10.2％。

结构稳定性分析：

取车道载荷中的集中载荷位于跨中时的工况计算桥面承载板的稳定，预应力等效线荷载施加于桥面承载板的两端支撑板的板边，跨中桥面承载板底和膜顶接触的部位施加等效均载作用于板底。将车道均布载荷和集中载荷作为结构稳定分析的外载，桥面承载板两端的边界约束条件不变，考察结构屈曲稳定特征值，取前10阶屈曲模态。膜体等效加载示意图显示，首先计算了桥面承载板为5mm时屈曲稳定，一阶稳定特征值为1.76，该值较小，将桥面承载板调整为6mm计算，桥面承载板前4阶屈曲模态、桥面承载板前10阶屈曲模态的位置、形态及特征值见表2所示。可见，前四阶屈曲模态均为跨中板底中央区域鼓曲失稳，这和该区域处于车道集中载荷下方且应力较大有关，最小屈曲特征值为3.76，说明结构有一定的安全储备；由表2所示，前十阶屈曲失稳位置均处于跨中区域，呈现跨中中央向跨中两侧变化，失稳形态均为板底及支撑板鼓曲失稳，屈曲特征值范围由3.76至4.78。

表2桥面承载板屈曲模态表

阶数	失稳位置	形态	屈曲特征值
				一阶	跨中板底中央区域	板底及斜撑板鼓曲	3.76
二阶	跨中板底中央区域	板底及斜撑板鼓曲	3.78
				三阶	跨中板底中央区域	板底及斜撑板鼓曲	4.04
四阶	跨中板底中央区域	板底及斜撑板鼓曲	4.05
				五阶	跨中板底中央区域	板底及斜撑板鼓曲	4.31
六阶	跨中板底区域	板底及斜撑板鼓曲	4.32
				七阶	跨中板底区域	板底及斜撑板鼓曲	4.55
八阶	跨中板底区域	板底及斜撑板鼓曲	4.56
				九阶	跨中板底区域	板底及斜撑板鼓曲	4.76
十阶	跨中板底区域	板底及斜撑板鼓曲	4.78

数值计算证明这种结构体系能满足强度和刚度的需要，膜体应力能控制在250MPa之内，活荷载挠度控制在跨径的1/200之内，结构体系是科学合理的；桥面板屈曲稳定分析表明结构体系的桥面板能满足整体和局部稳定。

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

1.一种基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，包括桥面承载板、充气膜体和高强钢索；所述高强钢索在桥面承载板下方沿跨度方向纵向设置，高强钢索端部锚固于桥面承载板的端部，所述充气膜体设置在高强钢索和桥面承载板之间，通过对充气膜体充气变形外推实现高强钢索的张紧，从而产生对桥面承载板的“上托力”。

2.如权利要求1所述的基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，所述充气膜体的外形为扁壳形状，其长度方向与桥跨度方向互相垂直，充气模体的长度大于桥面承载板的宽度。

3.如权利要求2所述的基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，所述充气膜体充气后的内压为60kPa～100kPa。

4.如权利要求3所述的基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，所述充气膜体由密闭内胆、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材料；外套的材料采用帆布；三层叠合的厚度在3mm～6mm之间。

5.如权利要求4所述的基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，所述桥面承载板截面采用三角形多腔桁架型式，即上下面板加中间三角斜撑组成的夹心板结构型式，斜撑夹角为60°，铝合金桥面承载板总厚度为150mm，上下面板和斜撑板以及端部竖向支撑板均为5mm。

6.如权利要求4或5所述的基于高强钢索和充气膜体的组合受力桥梁，其特征在于，所述高强钢索的中部通过索鞍安装在充气模体下方，索鞍纵向前后设有两个垫块。