本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件領(lǐng)域，涉及一種剛壁氣承偏心受壓桿件。

背景技術(shù)：

網(wǎng)架、網(wǎng)殼等空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式在體育場館、火車站、航站樓及一些特種結(jié)構(gòu)中均有大量應(yīng)用?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由不同長度的剛性桿件按一定的拓撲關(guān)系組合而成。實際結(jié)構(gòu)中的桿件通常是以軸向受力為主，同時承受一定的彎矩作用，即空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的桿件是一個偏心受壓或偏心受拉桿件。對于偏心受拉桿件來說，可以通過采用高強度材料來提高桿件的受拉承載力，而偏心受壓桿件的承載力則是由穩(wěn)定性控制，材料強度對提高偏心受壓桿件的承載力影響不大。受長細比的限制，受壓桿件不能較好地傳遞較長距離的壓力，此外，這也限制了高強度材料在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

為提高工程結(jié)構(gòu)中偏心受壓桿件的偏心受壓承載力，充分利用高強度材料，有必要發(fā)明一種新形式的桿件，該形式的桿件具有較高的偏心受壓穩(wěn)定性，可充分利用材料的受拉強度，從而達到提高偏心受壓桿件承載力的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種剛壁氣承偏心受壓桿件，通過氣囊承壓將偏心受壓桿件的偏心壓力轉(zhuǎn)化為剛壁拉應(yīng)力，充分利用剛壁材料的受拉強度，使偏心受壓桿件的剛壁不承受壓應(yīng)力，提高桿件的偏心受壓穩(wěn)定性。

技術(shù)方案

一種剛壁氣承偏心受壓桿件，其特征在于包括圓形剛性管1、扇形剛性管5、氣囊7、圓形持力板3、扇形持力板6、傳力桿4、充氣閥門8、氣壓計9和螺紋蓋2；圓形剛性管1內(nèi)設(shè)有三個扇形剛性管5，每個扇形剛性管5內(nèi)設(shè)有一個扇形氣囊7，兩端設(shè)有扇形持力板6；每個扇形氣囊7上設(shè)有安裝充氣閥門和氣壓計的連通口，充氣閥門8和氣壓計9分別通過圓形剛性管1和扇形剛性管5上的氣囊充氣孔和氣壓計連通孔與扇形氣囊7連接；圓形剛性管1的兩端與螺紋蓋2螺紋連接，螺紋蓋2內(nèi)設(shè)有圓形持力板3，圓形持力板3與扇形持力板6間設(shè)有傳力桿4，且傳力桿4分別與扇形持力板6和圓形持力圓板3鉸接；所述扇形持力板與扇形剛性管內(nèi)壁滑動接觸；所述圓形持力板與圓形剛性管內(nèi)壁滑動接觸；所述螺紋蓋的中心預(yù)留圓形持力板與外界連接的通孔，直徑小于圓形持力板直徑。

所述3個氣囊充氣孔和3個氣壓計連通孔分別均勻分布在2個圓周上，每對氣囊充氣孔與氣壓計連通孔在圓形剛性管軸向一一對應(yīng)，二者間的圓心距離不小于3倍最大孔徑。

所述扇形剛性管和氣囊7的圓心角為120度。

所述傳力桿為一剛性實心或空心短桿結(jié)構(gòu)。

有益效果

本發(fā)明提出的一種剛壁氣承偏心受壓桿件，通過氣囊承壓將偏心受壓桿件的偏心壓力轉(zhuǎn)化為剛壁拉應(yīng)力，充分利用剛壁材料的受拉強度，使偏心受壓桿件的剛壁不承受壓應(yīng)力，提高桿件的偏心受壓穩(wěn)定性。與現(xiàn)有空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的桿件相比具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過圓形持力板及與其連接的傳力桿將整體桿件的偏心壓力轉(zhuǎn)化為3個扇形氣囊的軸心壓力，進而轉(zhuǎn)化為扇形剛性管和圓形剛性管的拉應(yīng)力，扇形剛性管和圓形剛性管不再承受壓應(yīng)力，提升了偏心受壓桿件的整體和局部穩(wěn)定性，進而提高了桿件的偏心受壓承載力。

2、由于該形式的偏心受壓桿件具有較好的穩(wěn)定性，因此可以承受較大的軸心壓力和桿端彎矩，進而提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

3、由于扇形剛性管和圓形剛性管僅承受拉應(yīng)力，因此可以充分利用高強度材料來提高桿件的偏心受壓承載力。當扇形剛性管和圓形剛性管采用高強度材料時，桿件內(nèi)外剛壁可以做得更薄更輕，從而降低構(gòu)件的運輸成本和結(jié)構(gòu)自重。

4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)形式簡單，易于操作，安全經(jīng)濟，具有良好的市場應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件立體圖；

圖2是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件縱向剖面圖；

圖3是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件橫向剖面圖；

圖4是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件圓形剛性管示意圖；

圖5是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件扇形剛性管示意圖；

圖6是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件扇形持力板示意圖；

圖7是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件螺紋蓋示意圖；

圖8是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件圓形持力板示意圖；

圖9是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件氣囊示意圖；

圖10是本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件圓形持力板受力示意圖；

圖中：1-圓形剛性管、2-螺紋蓋、3-圓形持力板、4-傳力桿、5-扇形剛性管、6-扇形持力板、7-氣囊、8-充氣閥門、9-氣壓計、10-氣壓計連通口。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明采用以下技術(shù)實施方案：剛壁氣承偏心受壓桿件立體圖、縱向剖面圖和橫向剖面圖見圖1-3，包括圓形剛性管1(見圖4)、螺紋蓋2(見圖7)、圓形持力板3(見圖8)、傳力桿4、扇形剛性管5(見圖5)、扇形持力板6(見圖6)、氣囊7(見圖9)、充氣閥門8、氣壓計9、氣壓計連通孔10。

所述圓形剛性管為材料強度較高的空心圓管，兩端外壁均帶有螺紋，在其剛壁上預(yù)留有3個氣囊充氣孔和3個氣壓計連通孔，3個氣囊充氣孔和3個氣壓計連通孔分別均勻分布在2個圓周上，氣囊充氣孔和氣壓計連通孔在圓形剛性管軸向一一對應(yīng)，二者間的圓心距離不小于3倍最大孔徑，孔洞周圍須加強設(shè)計。

所述扇形剛性管的圓心角為120度，為材料強度較高的空心管，扇形剛性管柱面外表面曲率與圓形剛性管內(nèi)表面曲率相同。在其柱面環(huán)向中心處預(yù)留氣囊充氣孔和氣壓計連通孔，并與圓形剛性管氣囊充氣孔和氣壓計連通孔相對應(yīng)，孔洞周圍需加強設(shè)計。

所述氣囊沿扇形管內(nèi)部軸向放置；形狀與扇形剛性管內(nèi)表面相一致的扇形柱體，材料可選用氣密性好的膜材，并具有一定的強度和收縮性。氣囊沿扇形剛性管內(nèi)部軸向放置，預(yù)設(shè)有充氣閥門和氣壓計連通口，分別與扇形剛性管預(yù)留充氣孔和氣壓計連通孔位置相對應(yīng)。

所述扇形持力板位于氣囊兩端內(nèi)切于扇形剛性管內(nèi)壁；采用具有一定厚度的扇形板，材料可為鋼材或性能較好的其它材料，其尺寸略小于扇形剛性管的內(nèi)面尺寸，扇形持力板與扇形剛性管內(nèi)壁接觸的部分應(yīng)光滑，保證扇形持力板可在扇形剛性管內(nèi)壁軸向自由滑動。

所述圓形持力板位于扇形剛性管兩端內(nèi)切于圓形剛性管內(nèi)壁；采用具有一定厚度的圓形板，材料可為鋼材或性能較好的其它材料，其直徑略小于圓形剛性管內(nèi)徑，圓形持力板與圓形剛性管接觸的部分應(yīng)光滑，保證圓形持力板可在圓形剛性管軸向自由滑動。

所述傳力桿分別與扇形持力板和圓形持力板鉸接；為一剛性實心或空心短桿，須能承受來自圓形持力板和扇形持力板的軸向壓力。

所述螺紋蓋為一種傳力裝置，可將來自圓形持力板的壓力傳遞給圓形剛性管；在螺紋蓋的中心預(yù)留圓形孔洞，用于圓形持力板與外界連接，孔洞直徑要比圓形持力板直徑小，保證圓形持力板與螺紋蓋具有足夠的傳力面積。螺紋蓋的螺紋規(guī)格與圓形剛性管兩端螺紋規(guī)格相匹配。

所述氣壓計安裝在圓形剛性管的預(yù)留氣壓計連通孔旁，并通過圓形剛性管和扇形剛性管的預(yù)留氣壓計連通孔與氣囊連通；所述螺紋蓋與圓形剛性管兩端分別用螺紋連接。

具體裝配為：將三根扇形剛性管5沿軸向放置于圓形剛性管1內(nèi)，使3個扇形剛性管的預(yù)留氣囊充氣孔和氣壓計連通孔分別與圓形剛性管的3組預(yù)留氣囊充氣孔和氣壓計連通孔一一對應(yīng)；將3個氣囊7沿軸向放置于扇形剛性管5內(nèi)，每個氣囊7的充氣閥門8均穿過扇形剛性管5和圓形剛性管1的預(yù)留氣囊充氣孔并固定在圓形剛性管管壁上，每個氣囊7的氣壓計連通孔10均穿過扇形剛性管5和圓形剛性管1的預(yù)留氣壓計連通孔與氣壓計9連通；6塊扇形持力板6分別置于3個氣囊7的兩端，每塊扇形持力板6分別通過傳力桿4與圓形持力板3相連，傳力桿4兩端與扇形持力板和圓形持力板均為鉸接，最后將兩個螺紋蓋2與圓形剛性管1兩端通過螺紋緊密連接。

使用時：

按照上述技術(shù)方案將剛壁氣承偏心受壓桿件安裝完成后，使用充氣泵分別連接氣囊充氣閥門8，同時對三個氣囊7進行充氣，充氣至三個氣囊7內(nèi)氣壓均達到設(shè)計范圍，停止充氣。三個氣壓計9用于監(jiān)測每個氣囊的氣壓。在對氣囊7進行充氣時，氣囊7隨著氣壓增大而膨脹，對扇形管管壁和位于其兩端的扇形持力板6產(chǎn)生壓力作用，扇形持力板6在氣囊壓力作用下向扇形剛性管兩端滑動，扇形持力板6進一步通過傳力桿4將氣囊壓力傳遞給圓形持力板3，圓形持力板3在氣囊壓力作用下向圓形剛性管兩端滑動，并與螺紋蓋2緊密接觸，最終將氣囊壓力通過螺紋蓋2傳遞給圓形剛性管。在此平衡狀態(tài)下，扇形剛性管5的管壁僅承受環(huán)向拉應(yīng)力作用，圓形剛性管1的管壁同時承受環(huán)向拉應(yīng)力和軸向拉應(yīng)力作用。

本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件在正常工作狀態(tài)時，該偏心受壓桿件會受到來自外部的偏心壓力作用F₀，偏心距為e₀。偏心壓力F₀直接作用在圓形持力板3上，在此狀態(tài)下，圓形持力板3同時承受來自3個氣囊7的壓力F₁、F₂、F₃和來自外部的偏心壓力F₀，二者方向相反，此外，圓形持力板3還將承受來自螺紋蓋2的非均勻壓力，上半部分螺紋蓋2和下半部分螺紋蓋2作用在圓形持力板3上的合力分別為F_g1、F_g2，圓形持力圓板3受力示意圖見圖10，在圖中6個力的作用下，圓形持力板3處于平衡狀態(tài)，平衡方程如下：

∑F＝0，F(xiàn)₁+F₂+F₃＝F₀+F_g1+F_g2 (1)

ΣM＝0，F(xiàn)₁×l₁-(F₂+F₃)×l₂＝F₀×e₀+F_g1×(e₀+e₁)-F_g2×e₂ (2)

桿件圓形剛性管管壁的受力情況分為以下幾種工作狀態(tài)進行說明：工作狀態(tài)(1)當圓形持力板3承受的來自外部的偏心壓力F₀大于零但小于來自3個氣囊7的膨脹壓力合力，且每根傳力桿所受軸力(F₁、F₂、F₃)均不超過初始軸力時，圓形持力板3與螺紋蓋2緊貼，并通過螺紋蓋2向圓形剛性管1傳遞軸向拉力，在此狀態(tài)下，桿件圓形剛性管承受軸向非均勻拉應(yīng)力；工作狀態(tài)(2)當圓形持力板3承受的來自外部的偏心壓力F₀大于零但小于來自3個氣囊7的膨脹壓力合力，但已經(jīng)出現(xiàn)一根傳力桿的軸力(F₁或F₂或F₃)大于氣囊壓力時，與之相對應(yīng)的扇形持力板6將向桿件內(nèi)部移動，壓縮氣囊7，氣囊7體積縮小壓力增大，當氣囊壓力與相對應(yīng)的傳力桿軸力相等時達到平衡，在此狀態(tài)下圓形持力板3與螺紋蓋2之間出現(xiàn)零壓力區(qū)，圓形剛性管管壁在軸向出現(xiàn)不受拉區(qū)域；工作狀態(tài)(3)隨著偏心壓力F₀的繼續(xù)增加，余下的傳力桿軸力相繼出現(xiàn)大于氣囊壓力的情況，所有扇形持力板都將向桿件內(nèi)部移動，當氣囊壓力與相對應(yīng)的傳力桿軸力相等時再次達到平衡，此時圓形剛性管全截面無軸向拉應(yīng)力。在工作狀態(tài)(1)(2)(3)中扇形剛性管5均不承受軸向拉應(yīng)力，而只有承受環(huán)向拉應(yīng)力，且距離偏心壓力作用點近的扇形剛性管所受環(huán)向拉應(yīng)力大。工作狀態(tài)(3)可通過對氣囊充氣向工作狀態(tài)(2)轉(zhuǎn)變，工作狀態(tài)(2)也可通過對氣囊充氣向工作狀態(tài)(1)轉(zhuǎn)變，反之，當氣囊氣壓下降時，工作狀態(tài)(1)將逐漸向工作狀態(tài)(2)(3)轉(zhuǎn)變。

綜上所述，在三種工作狀態(tài)中，本發(fā)明剛壁氣承偏心受壓桿件雖受到來自外部的偏心壓力作用，但該桿件扇形剛性管和圓形剛性管均并不承受壓應(yīng)力，來自外部的偏心壓力首先轉(zhuǎn)化為內(nèi)部3根扇形桿件的軸心壓力，并最終完全由桿件內(nèi)部的高壓氣囊承受，高壓氣囊進一步將偏心壓力轉(zhuǎn)化為扇形剛性管和圓形剛性管的拉應(yīng)力，達到了充分利用剛壁材料受拉強度，提高桿件偏心受壓承載力的目的。