展開式索-桿-膜組合應急橋的制作方法

專利名稱：展開式索-桿-膜組合應急橋的制作方法
技術領域：
展開式索-桿-膜組合應急橋
(一) 技術領域
本實用新型涉及一種應急橋，尤其涉及一種展開式索-桿-膜組合應急橋，屬 于土木工程中的土木工程結構和材料技術領域。
(二)
背景技術：
一場突發(fā)災難襲擊過后，災區(qū)與外界道路和信息中斷。在救災過程中，往往 由于缺乏專業(yè)應急救災設備，導致生命通道遲遲無法打通，阻礙救援人員和物資 迅速進入災區(qū)。例如汶川地震中，由于道路交通不暢導致從地震發(fā)生到救援人員
進入災區(qū)時間最長長達168小時，錯過了搶險救災的黃金時間。因此，應急橋梁 的研究和開發(fā)，是搶險救災中的重要問題，已受到國內(nèi)外工程結構界和軍事交通 界的密切關注，成為研究的熱點問題之一。
應急橋是由軍用橋梁演變而發(fā)展起來的一個獨特的橋梁門類，目前在材料上 以鋼材為主，其強度高、塑性和韌性好、各向受力均勻、對動力荷載的適應性強， 但其重量大,機動性差，克服水障礙潛力小；在結構形式上，由于桁架結構受力合 理，拆裝方便，因此現(xiàn)有的應急橋均采用桁架結構，但其自重和承載力的比值仍 然很高。這些應急橋體積龐大、自重大，在道路中斷、地面交通不便的特殊情況 下，無法發(fā)揮作用。應急橋的快速性與機動性等特性必然使輕型化作為其主要發(fā) 展趨勢，而目前其輕型化主要依賴于輕質(zhì)材料的應用，未能在橋梁結構體系方面 有大的突破，無法從根本上改變應急橋需要重型運輸工具和架設設備的基本特 征。而在跨越能力和結構自重比例方面，充氣膜結構是現(xiàn)階段最為優(yōu)秀的結構形 式。充氣膜結構是以柔性膜材在某種有壓差的氣體(通常為空氣)作用下，形成 的一種具有穩(wěn)定形狀及一定剛度，以此來抵抗外力作用的結構形式。以15m跨承 受20kN/m均布荷載的水平梁式結構為例，鋼梁自重為3.8噸，鋼桁架為1噸，充氣膜(氣肋式)結構僅為0.09噸，是鋼桁架的1/11，自重極低。但現(xiàn)有的充 氣膜結構，直接利用膜承擔由彎矩引起的壓應力，需要較高的內(nèi)部氣壓形成初始 預拉力抵消上述壓應力，而且氣壓值隨著跨度的增加呈二次方的關系增加，因此 其工作壓力很高， 一般在100kPa、000kPa之間，屬高壓體系。使得充氣膜結構 存在如下缺點①在結構使用過程中需要很強的氣壓補給；②如果在局部出現(xiàn)
孔洞或裂縫的情況下，高氣壓使得充氣膜容易突然發(fā)生爆裂而迅速破壞，影響結
構的安全性能；③結構承載力受到氣壓的限制，而且對于集中荷載非常敏感；
④對膜材的質(zhì)量和構件的接縫要求極高。這些缺點限制了膜結構承載優(yōu)勢的發(fā)揮
及其在應急橋中的應用。
因此，只要合理設計，使不同結構相互融合，取長補短，則可開發(fā)更為輕質(zhì) 便攜的新型應急橋，提高應急橋快速性、機動性，使其在抗災搶險、軍事交通中 贏得更多時間。

實用新型內(nèi)容
1、 發(fā)明目的
本實用新型的目的是提供一種展開式索-桿-膜組合應急橋，它克服了現(xiàn)有技 術的不足，將充氣膜結構和桁架結構相互融合，是一種自重極輕、儲存攜帶方便、 安裝快捷的新型應急橋。
2、 技術方案
本實用新型為一種展開式索-桿-膜組合應急橋，該橋由多個橋單元構成；每 個橋單元由索-桿-膜組合梁、橋面板、支座組成(如圖l)。索-桿-膜組合梁搭設
在支座凹槽中，橋面板搭設在索-桿-膜組合梁上。
所述索-桿-膜組合梁由上弦桿、下弦桿、低壓充氣氣囊和拉索組成(如圖2)。 上、下弦桿設置在該梁上下兩側，低壓充氣氣囊設置在該梁中部，拉索設置在該 梁兩側。桿件與低壓充氣氣囊間不設特殊連接，僅為普通搭放，低壓充氣氣囊放 置在下弦桿上，上弦桿放置在低壓充氣氣囊上，上、下弦桿、低壓充氣氣囊截面 豎向?qū)ΨQ軸線重合。拉索沿上、下弦桿分兩側單獨纏繞，從上、下弦桿側設置的 節(jié)點環(huán)中穿過，通過兩側拉索拉緊固定，使索、桿、低壓充氣氣囊三者連接為一 整體。其中，組合梁長度為6 12米適宜，高度為0.8~1.2米適宜。上、下弦桿由單節(jié)桿組合拼裝而成(如圖3)。該單節(jié)桿一端為榫頭，另一 端為凹槽，它可采用普通鋼桿或鋁合金等輕質(zhì)材料以及玻璃鋼、碳纖維等復合材 料制作。單節(jié)桿連接可采用多種工程常用拼裝方式，如在桿端設置接頭由螺栓連 接(如圖5)。單節(jié)桿上設置節(jié)點環(huán)，節(jié)點環(huán)處理為工程常用構造處理，如規(guī)格 半圓環(huán)、規(guī)格門把手等方式。根據(jù)節(jié)點環(huán)設置位置不同分為三種規(guī)格單節(jié)桿(如 圖4):上弦桿兩端兩單節(jié)桿，節(jié)點環(huán)偏分桿件設置在靠近端頭處；下弦桿兩端 兩單節(jié)桿，節(jié)點環(huán)偏分桿件設置在遠離端頭處；上、下弦桿中部為相同規(guī)格單節(jié) 桿，節(jié)點環(huán)中分桿件設置在桿件中部。桿全長為6 12米適宜，上弦端單節(jié)桿為 1~2米適宜，下弦端節(jié)點桿為1~2米適宜，中部單節(jié)桿為1~2米適宜。桿截面可 采用截面形式(如圖6)，圓形或矩形截面，也可以做成空心圓形、空心矩形等， 但截面不建議使用工字形或H形截面。截面高度取整橋長1/40-1/50適宜。
低壓充氣氣囊由外部膜材和內(nèi)部氣體組成(如圖7)。充氣膜膜材可采用TPFE 膜材(聚四氟乙烯(TPEF)涂層和玻璃纖維基層復合而成)、PVC膜材(聚氯乙烯 (PVC)涂層和聚酷纖維基層復合而成)、加面層PVC膜材(VPC膜材表面涂覆聚偏 氟乙烯聚偏氟乙或聚氟乙烯)等，縫合方式采用工程通用縫合方式。內(nèi)部氣體為 低壓氣體，從氣囊一側設置管道通過普通簡易充氣裝置進行充氣，如打氣筒。其 中，氣囊長6 12米適宜，截面為圓形或橢圓形橫軸為長軸，截面直徑取整個橋 長的1/8~1/12。為提高充氣氣囊的安全性，氣囊內(nèi)部分倉，倉容積0.5 1.0立方 米。
拉索沿索-桿-膜組合梁兩側分別纏繞(如圖2)。可采用高強鋼棒、鎖心索、 鋼核心索、有機纖維核心索或尼龍索等典型工程用索。索依次從上下弦桿節(jié)點環(huán) 中穿過，兩端在上弦桿固定，中間索與環(huán)不固定(如圖8)。端頭固定采用工程 常用構造處理。
所述橋面板采用木板等輕型板材，搭設在兩根索-桿-膜組合梁上(如圖9)。 板內(nèi)側兩端宜設計成可與上弦桿緊密搭接的形式以提高穩(wěn)定性，如在兩端依桿寬 設計兩凹槽。其中，板寬為0.5 1.0米適宜，長為1.2~2.0米適宜。
所述支座采用多種工程常用構造設計。如簡易橋墩(如圖10)，根據(jù)索-桿-膜組合梁形狀設計凹槽，組合梁可搭設在凹槽中。其中，支座高0.6 1.0米適宜， 底面寬1.0~1.5米適宜。索一桿一膜組合結構體系，其基本受力原理可類比為一榀平行弦桁架。在橋 上載荷作用下，氣囊體積基本不變(PV=nRT),只有壓拉桿產(chǎn)生小變形，上弦桿 承受壓力，下弦桿承受拉力，而兩側索相當于桁架的斜腹桿，受拉索可以很好的 利用索受拉好的特點承受拉力，受壓索則可通過未受荷的初始狀態(tài)時施加的預應 力抵消所受壓力。這樣就相當于荷載作用由上下桿承擔。這個結構的強度由上弦 壓桿和下弦拉桿的強度保證。
組合結構中的索相當于受壓桿的支點，使其自由長度縮短，穩(wěn)定性得到加 強。氣囊的存在則使上弦桿類似于放在彈性地基上的一根梁，自由長度大大縮減， 穩(wěn)定性得到更充足的保證，同時氣囊也是荷載的傳遞路徑，使下弦桿受力更均勻， 對上弦桿的變形也起到了 一定抑制作用。氣囊與索的結合使結構從平面穩(wěn)定轉為 空間穩(wěn)定，受力更加合理(如圖11、 12):
(1) :上弦壓桿類似于放置在彈性地基上的一根梁，穩(wěn)定性由于有低壓充氣膜的 存在而得到保證，同時索提供了桿的支持點，減小了桿的自由長度，進一步加強 其穩(wěn)定性。
(2) :下弦桿因為氣囊傳遞荷載對其產(chǎn)生均布壓力而承受拉力。桿全部受拉，強 度滿足即可。
(3) :索在組合結構中的受力分為兩階段，未受荷的初始階段和受荷載階段。第 一階段中，索通過氣囊?guī)椭@得一定預應力，同時形成結構幾何形狀獲得剛度。 第二階段中，組合梁受荷載作用，整體結構類比為一榀平行弦桁架，索則相當于 斜腹桿作用。受拉索可以很好的利用索受拉好的特點承受拉力，受壓索則可通過 未受荷的初始狀態(tài)時施加的預應力抵消所受壓力。并且由于索沿桿分兩側單獨纏 繞，從桿側設置的節(jié)點環(huán)中穿過，節(jié)點處不固定，受壓索變形可通過此形式沿整 長度釋放。同時索分兩側單獨纏繞提供了桿的支點，減小桿的自由長度，防止桿 失穩(wěn)。索同時還防止了氣囊的異常變形。通過環(huán)所在位置控制索所成角度，使索
與桿、索與索間成60。左右(如圖13)，平分整個節(jié)點平面，受力更均勻合理。
(4) :充氣氣囊在未受荷階段為索提供預應力。受荷階段為結構的荷載傳遞路徑，
氣囊充氣后體積基本不變(PV=nRT)，荷載作用于上弦桿后均勻作用于氣囊上， 氣體對膜產(chǎn)生均勻壓力。對于上弦桿，氣囊對其變形起到了抑制作用；對于下弦 桿，氣囊對其產(chǎn)生均布壓力，傳遞荷載使其承受拉力。因為上部荷載不直接作用于氣囊，而是作用于上弦桿，桿的存在避免了氣囊膜的褶皺，不需要較高氣壓抵 抗膜變形，同時膜受力面積比較大，人與輕型車輛等荷載又不會太大，所以氣囊 內(nèi)部壓強可采用低壓，從而使結構變的安全可靠。上下弦桿與兩側螺旋拉索共同 抑制了氣囊的異常變形，結構穩(wěn)定。 3、優(yōu)點及功效
(1) 自重極輕。以15m跨承受24kN/m (相當于5m寬的橋面上滿布人群荷 載)均布荷載的水平梁式結構為例，采用本實用新型自重約為280kg，僅為鋼桁 架的28%。；
(2) 儲存攜帶方便，機動性強。充氣膜可折疊，鋼索可收巻，因此應急橋 可分拆成體積小、重量輕的幾個部分僅由人力便可攜帶，迅速到達受災區(qū)域，也 適用于空降兵和山地作戰(zhàn)部隊使用；
(3) 安裝快捷。本實用新型架設不需要專門的施工機具，在缺乏熟練技術 工人和機具不足及環(huán)境惡劣的條件下能實施快速組裝架設，充氣膜內(nèi)部的工作氣
壓僅為10kPa，可由簡易的打氣筒等工具完成充氣過程，充氣后密封即可保持氣 壓滿足要求，無需專門的補氣裝置。


圖1展開式索-桿-膜組合應急橋結構示意圖
圖2索-桿-膜組合梁結構示意圖
圖3壓桿結構示意圖
圖4單節(jié)桿結構示意圖
圖5單節(jié)桿桿端構造拼裝示意圖
圖6桿截面形式示意圖
圖7低壓充氣氣囊結構示意圖
圖8索與環(huán)節(jié)點構造示意圖
圖9橋面板結構示意圖
圖10支座結構示意圖
圖11索-桿-膜組合梁正視圖
圖12索-桿-膜組合梁左視圖圖13節(jié)點受力分析圖 圖中符號說明如下
1上弦桿；2下弦桿；3拉索；4低壓充氣氣囊； 5索-桿-膜組合梁；6橋面板；7支座。 具體實施方式
如圖1所示，本實用新型一種展開式索-桿-膜組合應急橋，由多個橋單元構
成；每個橋單元由兩根索-桿-膜組合梁5、六塊橋面板6、四個支座7組成。兩 根索-桿-膜組合梁5搭設在四個支座7凹槽中，六塊橋面板6搭設在兩根索-桿-膜組合梁5上。
所述索-桿-膜組合梁5由上弦桿1、下弦桿2、低壓充氣氣囊4和拉索3組 成(如圖2所示)。上、下弦桿l、 2設置在該組合梁5上下兩側，低壓充氣氣囊 3設置在該組合梁5中部，拉索3設置在該組合梁5兩側。上、下弦桿1、 2與 低壓充氣氣囊4之間不設特殊連接，僅為普通搭放，低壓充氣氣囊4放置在下弦 桿2上，上弦桿1放置在低壓充氣氣囊4上，上、下弦桿1、 2和低壓充氣氣囊 4的截面與豎向?qū)ΨQ軸線重合。拉索3沿上、下弦桿1、 2分兩側單獨纏繞，從 上、下弦桿1、 2側設置的節(jié)點環(huán)中穿過，通過兩側拉索3拉緊固定。索-桿-膜 組合梁5長度為8米，高度為l米
上、下弦桿l、 2由單節(jié)桿組合拼裝而成(如圖3)。該單節(jié)桿一端為榫頭， 另一端為凹槽，它可采用普通鋼桿或鋁合金輕質(zhì)材料以及玻璃鋼、碳纖維等復合 材料。單節(jié)桿連接可釆用多種工程常用拼裝方式，如在桿端設置接頭由螺栓連接
(如圖5)。上、下弦桿l、 2上設置節(jié)點環(huán)，節(jié)點環(huán)處理為工程常用構造處理， 如規(guī)格半圓環(huán)、規(guī)格門把手等方式。根據(jù)節(jié)點環(huán)設置位置不同分為三種規(guī)格單節(jié) 桿(如圖4):上弦桿1兩端兩單節(jié)桿，節(jié)點環(huán)偏分桿件設置在靠近端頭處；下 弦桿2兩端兩單節(jié)桿，節(jié)點環(huán)偏分桿件設置在遠離端頭處；上、下弦桿l、 2中 部為相同規(guī)格單節(jié)桿，節(jié)點環(huán)中分桿件設置在桿件中部。上、下弦桿l、 2全長 為8米，上弦桿l端單節(jié)桿為l米，下弦桿2端節(jié)點桿為1.5米，中部單節(jié)桿為 1.2米。上、下弦桿l、 2截面可采用截面形式(如圖6)，圓形或矩形截面，也 可以做成空心圓形、空心矩形等，截面高度0.2米。
低壓充氣氣囊4由外部膜材和內(nèi)部氣體組成(如圖7)。低壓充氣氣囊4膜材可采用TPFE膜材(聚四氟乙烯(TPEF)涂層和玻璃纖維基層復合而成)、PVC膜 材(聚氯乙烯(PVC)涂層和聚酷纖維基層復合而成)、加面層PVC膜材(VPC膜材 表面涂覆聚偏氟乙烯聚偏氟乙或聚氟乙烯)等，縫合方式采用工程通用縫合方式。 內(nèi)部氣體為低壓氣體，從低壓充氣氣囊4 一側設置管道通過普通簡易充氣裝置進 行充氣，如打氣筒。低壓充氣氣囊4長8米，截面為圓形或橢圓形橫軸為長軸， 截面直徑0.8米。為提高低壓充氣氣囊4的安全性，低壓充氣氣囊4內(nèi)部分倉， 倉容積0.8立方米。
拉索3沿索-桿-膜組合梁5兩側分別纏繞(如圖2)。可采用高強鋼棒、鎖心 索、鋼核心索、有機纖維核心索或尼龍索等典型工程用索。拉索3依次從上下弦 桿1、2節(jié)點環(huán)中穿過，兩端在上弦桿l固定，中間拉索3與環(huán)不固定(如圖8)。 端頭固定采用工程常用構造處理。
橋面板6可采用木板等輕型板材，搭設在兩根索-桿-膜組合梁5上(如圖9)。 橋面板6內(nèi)側兩端設計兩凹槽。橋面板6寬為1.0米，長為1.5米。
支座7根據(jù)索-桿-膜組合梁5形狀設計凹槽，索-桿-膜組合梁5可搭設在凹 槽中(如圖IO)。支座7高1.0米，底面寬1.2米。
權利要求1、一種展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該橋由多個橋單元構成，每個橋單元由索-桿-膜組合梁、橋面板、支座組成；該索-桿-膜組合梁搭設在支座凹槽中，該橋面板搭設在索-桿-膜組合梁上；所述索-桿-膜組合梁由上弦桿、下弦桿、低壓充氣氣囊和拉索組成，該上、下弦桿設置在該組合梁的上、下兩側，該低壓充氣氣囊設置在該組合梁的中部，該拉索設置在該組合梁的兩側；該低壓充氣氣囊放置在下弦桿上，該上弦桿放置在低壓充氣氣囊上，該上、下弦桿和低壓充氣氣囊的截面與豎向?qū)ΨQ軸線重合；該拉索沿上、下弦桿分兩側單獨纏繞，從上、下弦桿側設置的節(jié)點環(huán)中穿過，通過兩側拉索拉緊固定，使拉索、上下弦桿及低壓充氣氣囊三者連接為一整體；所述橋面板采用木板輕型板材，搭設在索-桿-膜組合梁上，該橋面板內(nèi)側的兩端設有凹槽，該上弦桿置入該凹槽中；所述支座根據(jù)索-桿-膜組合梁的形狀設有凹槽，該索-桿-膜組合梁置入該凹槽中。
2、 根據(jù)權利要求1所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該索-桿-膜組合梁的長度為6 12米，高度為0.8 1.2米。
3、 根據(jù)權利要求1所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該橋面板 的板寬為0.5-1.0米，長為1.2-2.0米。
4、 根據(jù)權利要求1所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該支座高 度為O. 6-1.0米，底面寬度為1.0~1.5米。
5、 根據(jù)權利要求1所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該上、下弦桿的長度為6~12米。
6、 根據(jù)權利要求5所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該上、下 弦桿是由一端為榫頭，另一端為凹槽的單節(jié)桿連接組合拼裝而成，該單節(jié)桿的桿 長為1~2米.，其截面高度取整橋長度的1/40-1/50。
7、 根據(jù)權利要求6所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該單節(jié)桿 的截面形狀為矩形。
8、 根據(jù)權利要求6所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該單節(jié)桿 的截面形狀為圓形。
9、 根據(jù)權利要求1所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該低壓充氣氣囊的長度為6~12米。
10、 根據(jù)權利要求9所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該低壓 充氣氣囊的截面為圓形，截面直徑取整個橋長的1/8~1/12。
11、 根據(jù)權利要求9所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該低壓充氣氣囊的截面為橢圓形，截面長徑取整個橋長的1/8~1/12。
12、 根據(jù)權利要求9所述的展開式索-桿-膜組合應急橋，其特征在于該低壓充氣氣囊內(nèi)部分倉，倉容積為O. 5-1.0立方米，內(nèi)部氣體工作氣壓為10kPa的低 壓氣體。
專利摘要一種展開式索-桿-膜組合應急橋，該橋由多個橋單元構成；每個橋單元由索-桿-膜組合梁、橋面板、支座組成，該索-桿-膜組合梁搭設在支座凹槽中，該橋面板搭設在索-桿-膜組合梁上。所述索-桿-膜組合梁由上弦桿、下弦桿、低壓充氣氣囊和拉索組成；該上、下弦桿設置在該梁上下兩側，該低壓充氣氣囊設置在該梁中部，該拉索設置在該梁兩側，氣囊放置在下弦桿上，上弦桿放置在氣囊上，上、下弦桿和低壓充氣氣囊的截面與豎向?qū)ΨQ軸線重合，索沿桿分兩側單獨纏繞，從桿側設置的節(jié)點環(huán)中穿過，通過兩側索拉緊固定，使索、桿、低壓充氣氣囊三者連接為一整體。它是一種自重極輕、儲存攜帶方便、安裝快捷的新型應急橋，具有廣泛的實用價值和應用前景。
文檔編號E01D15/12GK201381471SQ20092010528
公開日2010年1月13日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權日2009年1月20日
發(fā)明者芊 李, 李新宇, 郭全全 申請人:北京航空航天大學