展开式索杆膜组合应急桥.pdf

一种展开式索-杆-膜组合应急桥，该桥由多个桥单元构成；每个桥单元由索-杆-膜组合梁、桥面板、支座组成，该索-杆-膜组合梁搭设在支座凹槽中，该桥面板搭设在索-杆-膜组合梁上。所述索-杆-膜组合梁由上弦杆、下弦杆、低压充气气囊和拉索组成；该上、下弦杆设置在该梁上下两侧，该低压充气气囊设置在该梁中部，该拉索设置在该梁两侧，气囊放置在下弦杆上，上弦杆放置在气囊上，上、下弦杆和低压充气气囊的截面与竖向对称轴线重合，索沿杆分两侧单独缠绕，从杆侧设置的节点环中穿过，通过两侧索拉紧固定，使索、杆、低压充气气囊三者连接为一整体。它是一种自重极轻、储存携带方便、安装快捷的新型应急桥，具有广泛的实用价值和应用前景。

1、  一种展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该桥由多个桥单元构成，每个桥单元由索-杆-膜组合梁、桥面板、支座组成；该索-杆-膜组合梁搭设在支座凹槽中，该桥面板搭设在索-杆-膜组合梁上；所述索-杆-膜组合梁由上弦杆、下弦杆、低压充气气囊和拉索组成，该上、下弦杆设置在该组合梁的上、下两侧，该低压充气气囊设置在该组合梁的中部，该拉索设置在该组合梁的两侧；该低压充气气囊放置在下弦杆上，该上弦杆放置在低压充气气囊上，该上、下弦杆和低压充气气囊的截面与竖向对称轴线重合；该拉索沿上、下弦杆分两侧单独缠绕，从上、下弦杆侧设置的节点环中穿过，通过两侧拉索拉紧固定，使拉索、上下弦杆及低压充气气囊三者连接为一整体；所述桥面板采用木板轻型板材，搭设在索-杆-膜组合梁上，该桥面板内侧的两端设有凹槽，该上弦杆置入该凹槽中；所述支座根据索-杆-膜组合梁的形状设有凹槽，该索-杆-膜组合梁置入该凹槽中。

2、  根据权利要求1所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该索-杆-膜组合梁的长度为6～12米，高度为0.8～1.2米。

3、  根据权利要求1所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该桥面板的板宽为0.5～1.0米，长为1.2～2.0米。

4、  根据权利要求1所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该支座高度为0.6～1.0米，底面宽度为1.0～1.5米。

5、  根据权利要求1所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该上、下弦杆的长度为6～12米。

6、  根据权利要求5所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该上、下弦杆是由一端为榫头，另一端为凹槽的单节杆连接组合拼装而成，该单节杆的杆长为1～2米.，其截面高度取整桥长度的1/40-1/50。

7、  根据权利要求6所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该单节杆的截面形状为矩形。

8、  根据权利要求6所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该单节杆的截面形状为圆形。

9、  根据权利要求1所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该低压充气气囊的长度为6～12米。

10、  根据权利要求9所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该低压充气气囊的截面为圆形，截面直径取整个桥长的1/8～1/12。

11、  根据权利要求9所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该低压充气气囊的截面为椭圆形，截面长径取整个桥长的1/8～1/12。

12、  根据权利要求9所述的展开式索-杆-膜组合应急桥，其特征在于：该低压充气气囊内部分仓，仓容积为0.5～1.0立方米，内部气体工作气压为10kPa的低压气体。

展开式索-杆-膜组合应急桥
(一)技术领域：
本发明涉及一种应急桥，尤其涉及一种展开式索-杆-膜组合应急桥，属于土木工程中的土木工程结构和材料技术领域。
(二)背景技术
一场突发灾难袭击过后，灾区与外界道路和信息中断。在救灾过程中，往往由于缺乏专业应急救灾设备，导致生命通道迟迟无法打通，阻碍救援人员和物资迅速进入灾区。例如汶川地震中，由于道路交通不畅导致从地震发生到救援人员进入灾区时间最长长达168小时，错过了抢险救灾的黄金时间。因此，应急桥梁的研究和开发，是抢险救灾中的重要问题，已受到国内外工程结构界和军事交通界的密切关注，成为研究的热点问题之一。
应急桥是由军用桥梁演变而发展起来的一个独特的桥梁门类，目前在材料上以钢材为主，其强度高、塑性和韧性好、各向受力均匀、对动力荷载的适应性强，但其重量大，机动性差，克服水障碍潜力小；在结构形式上，由于桁架结构受力合理，拆装方便，因此现有的应急桥均采用桁架结构，但其自重和承载力的比值仍然很高。这些应急桥体积庞大、自重大，在道路中断、地面交通不便的特殊情况下，无法发挥作用。应急桥的快速性与机动性等特性必然使轻型化作为其主要发展趋势，而目前其轻型化主要依赖于轻质材料的应用，未能在桥梁结构体系方面有大的突破，无法从根本上改变应急桥需要重型运输工具和架设设备的基本特征。而在跨越能力和结构自重比例方面，充气膜结构是现阶段最为优秀的结构形式。充气膜结构是以柔性膜材在某种有压差的气体(通常为空气)作用下，形成的一种具有稳定形状及一定刚度，以此来抵抗外力作用的结构形式。以15m跨承受20kN/m均布荷载的水平梁式结构为例，钢梁自重为3.8吨，钢桁架为1吨，充气膜(气肋式)结构仅为0.09吨，是钢桁架的1/11，自重极低。但现有的充气膜结构，直接利用膜承担由弯矩引起的压应力，需要较高的内部气压形成初始预拉力抵消上述压应力，而且气压值随着跨度的增加呈二次方的关系增加，因此其工作压力很高，一般在100kPa~1000kPa之间，属高压体系。使得充气膜结构存在如下缺点：①在结构使用过程中需要很强的气压补给；②如果在局部出现孔洞或裂缝的情况下，高气压使得充气膜容易突然发生爆裂而迅速破坏，影响结构的安全性能；③结构承载力受到气压的限制，而且对于集中荷载非常敏感；④对膜材的质量和构件的接缝要求极高。这些缺点限制了膜结构承载优势的发挥及其在应急桥中的应用。
因此，只要合理设计，使不同结构相互融合，取长补短，则可开发更为轻质便携的新型应急桥，提高应急桥快速性、机动性，使其在抗灾抢险、军事交通中赢得更多时间。
(三)发明内容
1、发明目的：
本发明的目的是提供一种展开式索-杆-膜组合应急桥，它克服了现有技术的不足，将充气膜结构和桁架结构相互融合，是一种自重极轻、储存携带方便、安装快捷的新型应急桥。
2、技术方案：
本发明为一种展开式索-杆-膜组合应急桥，该桥由多个桥单元构成；每个桥单元由索-杆-膜组合梁、桥面板、支座组成(如图1)。索-杆-膜组合梁搭设在支座凹槽中，桥面板搭设在索-杆-膜组合梁上。
所述索-杆-膜组合梁由上弦杆、下弦杆、低压充气气囊和拉索组成(如图2)。上、下弦杆设置在该梁上下两侧，低压充气气囊设置在该梁中部，拉索设置在该梁两侧。杆件与低压充气气囊间不设特殊连接，仅为普通搭放，低压充气气囊放置在下弦杆上，上弦杆放置在低压充气气囊上，上、下弦杆、低压充气气囊截面竖向对称轴线重合。拉索沿上、下弦杆分两侧单独缠绕，从上、下弦杆侧设置的节点环中穿过，通过两侧拉索拉紧固定，使索、杆、低压充气气囊三者连接为一整体。其中，组合梁长度为6～12米适宜，高度为0.8～1.2米适宜。
上、下弦杆由单节杆组合拼装而成(如图3)。该单节杆一端为榫头，另一端为凹槽，它可采用普通钢杆或铝合金等轻质材料以及玻璃钢、碳纤维等复合材料制作。单节杆连接可采用多种工程常用拼装方式，如在杆端设置接头由螺栓连接(如图5)。单节杆上设置节点环，节点环处理为工程常用构造处理，如规格半圆环、规格门把手等方式。根据节点环设置位置不同分为三种规格单节杆(如图4)：上弦杆两端两单节杆，节点环偏分杆件设置在靠近端头处；下弦杆两端两单节杆，节点环偏分杆件设置在远离端头处；上、下弦杆中部为相同规格单节杆，节点环中分杆件设置在杆件中部。杆全长为6～12米适宜，上弦端单节杆为1～2米适宜，下弦端节点杆为1～2米适宜，中部单节杆为1～2米适宜。杆截面可采用截面形式(如图6)，圆形或矩形截面，也可以做成空心圆形、空心矩形等，但截面不建议使用工字形或H形截面。截面高度取整桥长1/40-1/50适宜。
低压充气气囊由外部膜材和内部气体组成(如图7)。充气膜膜材可采用TPFE膜材(聚四氟乙烯(TPEF)涂层和玻璃纤维基层复合而成)、PVC膜材(聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酷纤维基层复合而成)、加面层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，缝合方式采用工程通用缝合方式。内部气体为低压气体，从气囊一侧设置管道通过普通简易充气装置进行充气，如打气筒。其中，气囊长6～12米适宜，截面为圆形或椭圆形横轴为长轴，截面直径取整个桥长的1/8～1/12。为提高充气气囊的安全性，气囊内部分仓，仓容积0.5～1.0立方米。
拉索沿索-杆-膜组合梁两侧分别缠绕(如图2)。可采用高强钢棒、锁心索、钢核心索、有机纤维核心索或尼龙索等典型工程用索。索依次从上下弦杆节点环中穿过，两端在上弦杆固定，中间索与环不固定(如图8)。端头固定采用工程常用构造处理。
所述桥面板采用木板等轻型板材，搭设在两根索-杆-膜组合梁上(如图9)。板内侧两端宜设计成可与上弦杆紧密搭接的形式以提高稳定性，如在两端依杆宽设计两凹槽。其中，板宽为0.5～1.0米适宜，长为1.2～2.0米适宜。
所述支座采用多种工程常用构造设计。如简易桥墩(如图10)，根据索-杆-膜组合梁形状设计凹槽，组合梁可搭设在凹槽中。其中，支座高0.6～1.0米适宜，底面宽1.0～1.5米适宜。
索—杆—膜组合结构体系，其基本受力原理可类比为一榀平行弦桁架。在桥上载荷作用下，气囊体积基本不变(PV＝nRT)，只有压拉杆产生小变形，上弦杆承受压力，下弦杆承受拉力，而两侧索相当于桁架的斜腹杆，受拉索可以很好的利用索受拉好的特点承受拉力，受压索则可通过未受荷的初始状态时施加的预应力抵消所受压力。这样就相当于荷载作用由上下杆承担。这个结构的强度由上弦压杆和下弦拉杆的强度保证。
组合结构中的索相当于受压杆的支点，使其自由长度缩短，稳定性得到加强。气囊的存在则使上弦杆类似于放在弹性地基上的一根梁，自由长度大大缩减，稳定性得到更充足的保证，同时气囊也是荷载的传递路径，使下弦杆受力更均匀，对上弦杆的变形也起到了一定抑制作用。气囊与索的结合使结构从平面稳定转为空间稳定，受力更加合理(如图11、12)：
(1)：上弦压杆类似于放置在弹性地基上的一根梁，稳定性由于有低压充气膜的存在而得到保证，同时索提供了杆的支持点，减小了杆的自由长度，进一步加强其稳定性。
(2)：下弦杆因为气囊传递荷载对其产生均布压力而承受拉力。杆全部受拉，强度满足即可。
(3)：索在组合结构中的受力分为两阶段，未受荷的初始阶段和受荷载阶段。第一阶段中，索通过气囊帮助获得一定预应力，同时形成结构几何形状获得刚度。第二阶段中，组合梁受荷载作用，整体结构类比为一榀平行弦桁架，索则相当于斜腹杆作用。受拉索可以很好的利用索受拉好的特点承受拉力，受压索则可通过未受荷的初始状态时施加的预应力抵消所受压力。并且由于索沿杆分两侧单独缠绕，从杆侧设置的节点环中穿过，节点处不固定，受压索变形可通过此形式沿整长度释放。同时索分两侧单独缠绕提供了杆的支点，减小杆的自由长度，防止杆失稳。索同时还防止了气囊的异常变形。通过环所在位置控制索所成角度，使索与杆、索与索间成60°左右(如图13)，平分整个节点平面，受力更均匀合理。(4)：充气气囊在未受荷阶段为索提供预应力。受荷阶段为结构的荷载传递路径，气囊充气后体积基本不变(PV＝nRT)，荷载作用于上弦杆后均匀作用于气囊上，气体对膜产生均匀压力。对于上弦杆，气囊对其变形起到了抑制作用；对于下弦杆，气囊对其产生均布压力，传递荷载使其承受拉力。因为上部荷载不直接作用于气囊，而是作用于上弦杆，杆的存在避免了气囊膜的褶皱，不需要较高气压抵抗膜变形，同时膜受力面积比较大，人与轻型车辆等荷载又不会太大，所以气囊内部压强可采用低压，从而使结构变的安全可靠。上下弦杆与两侧螺旋拉索共同抑制了气囊的异常变形，结构稳定。
3、优点及功效：
(1)自重极轻。以15m跨承受24kN/m(相当于5m宽的桥面上满布人群荷载)均布荷载的水平梁式结构为例，采用本发明自重约为280kg，仅为钢桁架的28％。；
(2)储存携带方便，机动性强。充气膜可折叠，钢索可收卷，因此应急桥可分拆成体积小、重量轻的几个部分仅由人力便可携带，迅速到达受灾区域，也适用于空降兵和山地作战部队使用；
(3)安装快捷。本发明架设不需要专门的施工机具，在缺乏熟练技术工人和机具不足及环境恶劣的条件下能实施快速组装架设，充气膜内部的工作气压仅为10kPa，可由简易的打气筒等工具完成充气过程，充气后密封即可保持气压满足要求，无需专门的补气装置。
(四)附图说明
图1  展开式索-杆-膜组合应急桥结构示意图
图2  索-杆-膜组合梁结构示意图
图3  压杆结构示意图
图4  单节杆结构示意图
图5  单节杆杆端构造拼装示意图
图6  杆截面形式示意图
图7  低压充气气囊结构示意图
图8  索与环节点构造示意图
图9  桥面板结构示意图
图10 支座结构示意图
图11 索-杆-膜组合梁正视图
图12 索-杆-膜组合梁左视图
图13 节点受力分析图
图中符号说明如下：
1  上弦杆；2  下弦杆；3  拉索；4  低压充气气囊；
5  索-杆-膜组合梁；6  桥面板；7  支座。
(五)具体实施方式
如图1所示，本发明一种展开式索-杆-膜组合应急桥，由多个桥单元构成；每个桥单元由两根索-杆-膜组合梁5、六块桥面板6、四个支座7组成。两根索-杆-膜组合梁5搭设在四个支座7凹槽中，六块桥面板6搭设在两根索-杆-膜组合梁5上。
所述索-杆-膜组合梁5由上弦杆1、下弦杆2、低压充气气囊4和拉索3组成(如图2所示)。上、下弦杆1、2设置在该组合梁5上下两侧，低压充气气囊3设置在该组合梁5中部，拉索3设置在该组合梁5两侧。上、下弦杆1、2与低压充气气囊4之间不设特殊连接，仅为普通搭放，低压充气气囊4放置在下弦杆2上，上弦杆1放置在低压充气气囊4上，上、下弦杆1、2和低压充气气囊4的截面与竖向对称轴线重合。拉索3沿上、下弦杆1、2分两侧单独缠绕，从上、下弦杆1、2侧设置的节点环中穿过，通过两侧拉索3拉紧固定。索-杆-膜组合梁5长度为8米，高度为1米
上、下弦杆1、2由单节杆组合拼装而成(如图3)。该单节杆一端为榫头，另一端为凹槽，它可采用普通钢杆或铝合金轻质材料以及玻璃钢、碳纤维等复合材料。单节杆连接可采用多种工程常用拼装方式，如在杆端设置接头由螺栓连接(如图5)。上、下弦杆1、2上设置节点环，节点环处理为工程常用构造处理，如规格半圆环、规格门把手等方式。根据节点环设置位置不同分为三种规格单节杆(如图4)：上弦杆1两端两单节杆，节点环偏分杆件设置在靠近端头处；下弦杆2两端两单节杆，节点环偏分杆件设置在远离端头处；上、下弦杆1、2中部为相同规格单节杆，节点环中分杆件设置在杆件中部。上、下弦杆1、2全长为8米，上弦杆1端单节杆为1米，下弦杆2端节点杆为1.5米，中部单节杆为1.2米。上、下弦杆1、2截面可采用截面形式(如图6)，圆形或矩形截面，也可以做成空心圆形、空心矩形等，截面高度0.2米。
低压充气气囊4由外部膜材和内部气体组成(如图7)。低压充气气囊4膜材可采用TPFE膜材(聚四氟乙烯(TPEF)涂层和玻璃纤维基层复合而成)、PVC膜材(聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酷纤维基层复合而成)、加面层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，缝合方式采用工程通用缝合方式。内部气体为低压气体，从低压充气气囊4一侧设置管道通过普通简易充气装置进行充气，如打气筒。低压充气气囊4长8米，截面为圆形或椭圆形横轴为长轴，截面直径0.8米。为提高低压充气气囊4的安全性，低压充气气囊4内部分仓，仓容积0.8立方米。
拉索3沿索-杆-膜组合梁5两侧分别缠绕(如图2)。可采用高强钢棒、锁心索、钢核心索、有机纤维核心索或尼龙索等典型工程用索。拉索3依次从上下弦杆1、2节点环中穿过，两端在上弦杆1固定，中间拉索3与环不固定(如图8)。端头固定采用工程常用构造处理。
桥面板6可采用木板等轻型板材，搭设在两根索-杆-膜组合梁5上(如图9)。桥面板6内侧两端设计两凹槽。桥面板6宽为1.0米，长为1.5米。
支座7根据索-杆-膜组合梁5形状设计凹槽，索-杆-膜组合梁5可搭设在凹槽中(如图10)。支座7高1.0米，底面宽1.2米。