專利名稱：大跨度梁體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種大跨度梁體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，尤其是涉及一種主要用于建筑及橋梁的可伸縮并能快速安裝到位的大跨度梁體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
眾所周知，大跨度梁體的應(yīng)用范圍是很廣泛的，它可用于建筑方面，如室內(nèi)體育館的頂梁，大跨度無柱式組裝廠房，如大型飛機(jī)組裝車間或大跨度無柱式化庫的頂梁；它也可用于橋梁方面，如用作拱形公路橋或鐵路橋的梁體；還可以用于各種隧道工程，如作地下隧道或礦井隧道的預(yù)制結(jié)構(gòu)梁架?，F(xiàn)有技術(shù)中的梁體一般包括鋼筋水泥梁及鋼結(jié)構(gòu)梁，其中鋼結(jié)構(gòu)梁可作成較大跨度，它是由鋼架彼此鉚接，栓接或焊接構(gòu)成的。這種大跨度鋼梁的不足之處在于安裝速度慢，一般需在現(xiàn)場(chǎng)將分段組裝好的鋼結(jié)構(gòu)架或單體的基本構(gòu)件用螺栓或鉚釘?shù)冗B接成整體的梁體；此外，這種鋼梁組裝后是不能伸縮的，如一個(gè)大跨度鋼梁分幾段組裝，然后再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)總體組裝，由于鋼梁段不能縮短，因而體積大，給運(yùn)輸及吊裝帶來不便；再從國(guó)防上考慮，在戰(zhàn)爭(zhēng)中往往需要迅速架設(shè)大跨度橋梁，以便爭(zhēng)取時(shí)間取得勝利，為此使用傳統(tǒng)的大跨度鋼梁是不能滿足要求的。
因此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該梁體結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)大跨度鋼梁的上述種種缺點(diǎn)，它在組裝后可以根據(jù)需要進(jìn)行伸長(zhǎng)或縮短，能作到一次施工到位，以使得建筑或橋梁工程的工期大為縮短及降低了成本，并且這種大跨度梁體的運(yùn)輸及吊裝簡(jiǎn)便，其跨度可超過傳統(tǒng)的大跨度鋼梁，不但可用于永久性的建筑及橋梁，而且還可用于臨時(shí)性的建筑及橋梁，實(shí)現(xiàn)快速的安裝。
本實(shí)用新型的上述任務(wù)是這樣來實(shí)現(xiàn)的采用一種大跨度梁體結(jié)構(gòu)，它是由多個(gè)桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于，該梁體結(jié)構(gòu)至少由一個(gè)單元組成，構(gòu)成梁體單元的每個(gè)所述桿件是等長(zhǎng)度及相同截面的，在每個(gè)所述桿件上具有m個(gè)螺栓連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)將每個(gè)所述桿件的長(zhǎng)度分成m－1個(gè)線段，各個(gè)所述桿件上的對(duì)應(yīng)線段相等，并且位于梁體上方的線段依次地大于下方的線段，及位于梁體上方相鄰線段的差依次地大于位于下方相鄰線段的差，每個(gè)梁體單元是這樣連接的，即將該單元中所有桿件分成等量的前桿件組及后桿件組，其中一個(gè)桿件組(前或后桿件組)中的每個(gè)桿件的上m個(gè)連接點(diǎn)中的每個(gè)連接點(diǎn)分別與另一桿件組(后或前桿件組)中m個(gè)依次排列的不同桿件上的對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)相連接。
并且本實(shí)用新型還提供了這種大跨度梁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方法分下列的步驟Ⅰ)首先根據(jù)工程要求確定梁體跨度及梁體高度；Ⅱ)根據(jù)所需實(shí)際坡度或拱型梁底高度(尤其對(duì)于橋梁)選定曲率；Ⅲ)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷選擇桿件材料及截面大小，根據(jù)梁體穩(wěn)定性要求選擇連接點(diǎn)數(shù)目，再通過應(yīng)力計(jì)算最后確定出桿件的數(shù)目，長(zhǎng)度及螺拴的材料與直徑。
為了對(duì)本實(shí)用新型的大跨度梁體的各種構(gòu)型及優(yōu)點(diǎn)作更深入的了解，下面將借助于附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。其附圖為


圖1根據(jù)本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的局部示意圖，用以說明本實(shí)用新型的原理；圖2上述梁體結(jié)構(gòu)中桿件連接點(diǎn)的設(shè)置與梁體曲率之間的關(guān)系曲線；圖3到5本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中圖3表示該梁體結(jié)構(gòu)完全收縮的狀態(tài)，圖4表示該梁體張開的一個(gè)中間位置，圖5表示梁體安裝到位時(shí)的狀態(tài)；圖6根據(jù)本實(shí)用新型的梁體設(shè)計(jì)過程中選擇參數(shù)的圖。
圖1是本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，圖中僅表示出該梁體結(jié)構(gòu)中一個(gè)梁體單元中的一部分，其中用雙線表示的桿件1，2，3，4…為前桿件，用單線表示的桿件1′，2′，3′，4′…為后桿件，實(shí)際上前后桿件都是等長(zhǎng)度相同截面的桿件，這樣的多個(gè)桿件是利用螺栓在各個(gè)連接點(diǎn)上相互連接形成一個(gè)梁體單元的。在每個(gè)桿件上具有m個(gè)螺栓連接點(diǎn)，圖示的例中m＝4，即自上至下的a，b，c，d四個(gè)連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)就是桿件上用來穿過螺栓的孔，它們將桿件分成m－1＝3個(gè)線段，由上至下各段線分別長(zhǎng)為H3，H2，H1，各個(gè)桿件上這些對(duì)應(yīng)的線段相等，而位于梁體上方的線段大于下方的線段即H3＞H2＞H1，并且位于梁體上方相鄰線段的差依次地大于位于下方相鄰線段的差，即C2＝H3－H2＞C1＝H2－H1，每個(gè)梁體單元是這樣連接的，即將單元中所有桿件分成等量的前桿件組1，2，3，4，…及后桿件組1′。2′，3′，4′…，其中一個(gè)桿件組中的每個(gè)桿件上的m個(gè)連接點(diǎn)中的每個(gè)連接點(diǎn)分別地與另一個(gè)桿件組中m個(gè)依次排列的不同桿件的對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)相連接，例如，前桿件組中桿件3上的各個(gè)連接點(diǎn)a3，b3，c3，d3分別地與后桿件組中依次排列的不同桿件1′，2′，3′，4′中的各相應(yīng)連接點(diǎn)a1′，b2′，c3′，d4′相連接。
由上述的特征構(gòu)成的梁體結(jié)構(gòu)單元的頂部各點(diǎn)a1，a2，a3，a4…的軌跡及下部各點(diǎn)d1，d2，d3，d4…的軌跡均為拱形或弧形，如
圖1中虛線所示，這樣就使梁體的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)了，因而可以作成大跨度的梁體。
此外，由
圖1可以看到，其中點(diǎn)劃線r經(jīng)過點(diǎn)a1及c2，這時(shí)由a1，b1，c2組成的三角形△a1b1c2與a1，b2，c2組成的三角形△a1b2c2相對(duì)于線段r形成軸對(duì)稱，并且點(diǎn)d2與d3也相對(duì)于r形成軸對(duì)稱，由此可見，當(dāng)桿件1與3′所夾的頂角α減小或擴(kuò)大時(shí)，這種軸對(duì)稱關(guān)系依然保持，因此這種梁體結(jié)構(gòu)是可以收縮和擴(kuò)展的。
圖2表示桿件連接點(diǎn)的設(shè)置變化與梁體曲率之間的關(guān)系曲線，其橫座標(biāo)X＝C2－C1(C2＝H3－H2，C1＝H2－H1)增加時(shí)，則該拱形梁體的曲率(一般指梁體上弧線的曲率)K也增加；當(dāng)H3＝H2＝H1時(shí)，有C2－C1＝0，這時(shí)K＝0，說明該梁體此時(shí)為水平梁體。
上述梁體結(jié)構(gòu)中的桿件的截面形狀可以是矩形，槽形和角形的，其材料視用途而定可以是鋼材，高強(qiáng)度輕質(zhì)合金，如鋁合金，或用高強(qiáng)度的人造材料，如高強(qiáng)度玻璃鋼。所述桿件中的連接點(diǎn)m應(yīng)大于或等于3，從理論上講，其上限沒有限制，但由實(shí)際試驗(yàn)表明，連接點(diǎn)取3至5為佳。
圖3至圖5表示本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)選實(shí)施例，它是用作一個(gè)能伸縮的并可快速安裝的拱型橋梁的一個(gè)梁體單元，該拱型橋梁是由多個(gè)這種梁體單元并列構(gòu)成的。圖3是該橋梁體單元收縮到最短距度時(shí)的狀況，由該圖可以看到，該梁體單元的基本結(jié)構(gòu)與
圖1中的相同。另外還在梁體的兩端設(shè)有端部連接件A，B，為了便于收縮及開展，這些端部連接件僅與兩端的某個(gè)桿件固定在一起，而在安裝到位后，端部的另外一些桿件也固定到該端部連接件A，B上，在增加強(qiáng)度。這個(gè)梁體單元中的桿件是由鋼材、如槽鋼作成的。在每個(gè)桿件的頂部均設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的頂板P，它們也是用其下端的連接點(diǎn)與桿件上部的連接點(diǎn)借助于螺栓相互連接的。它們可由矩形截面的鋼材或槽鋼或角鋼制作，其長(zhǎng)度略大于該梁體單元安裝到位后(見圖5)兩個(gè)相鄰桿件頂部連接點(diǎn)之間的距離。前桿件的頂板朝一個(gè)方向(如圖中順時(shí)針方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，后桿件的頂板則向另一方向(圖中所示的逆時(shí)針方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在安裝到位后由這些頂板形成該梁體的與負(fù)載接觸的頂面。圖4是該橋梁體單元在吊裝過程中張開到的一個(gè)中間狀態(tài)，由該圖可見，如果吊裝時(shí)對(duì)底部的E及F點(diǎn)施以向上的力時(shí)，該橋梁體單元會(huì)在自重的作用下自行張開；因而在吊裝過程中底部的兩端兩側(cè)處應(yīng)設(shè)有拉索，該拉索可用一棘輪機(jī)構(gòu)逐漸放開。當(dāng)該橋梁?jiǎn)卧煺沟筋~定跨度時(shí)，將所有的連接點(diǎn)上的螺栓擰緊及在相鄰的下連接點(diǎn)之間設(shè)置拉桿，并將其兩端的連接件A，B固定到橋頭的墩基C，D上，如圖5所示。必須指出，對(duì)于固定永久橋梁，每個(gè)連接點(diǎn)(包括上頂板兩端處)將用焊接加固，并且各個(gè)并列的梁體單元之間焊接連接成體，方能允許載荷。
這樣并列設(shè)置的多個(gè)橋梁體單元就組成了一定橋面寬度的橋梁，這種橋梁特別適用于需快速架橋的場(chǎng)合，如在國(guó)防中使用。另一種實(shí)施形式是將這樣的橋梁體單元以一定間隔放置，再在上鋪設(shè)橋面板，橋面板可使用一定厚度的鋼板，它們可用螺拴與橋梁體單元的頂板相互連接，進(jìn)行安裝。相似地，這樣結(jié)構(gòu)的大跨度梁體單位也可用于建筑上，例如作大跨度廠房的頂梁，它們間隔地放置，在相鄰的梁體單元上再鋪設(shè)頂部蓋板。
現(xiàn)在來說明本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。該方法分以下步驟Ⅰ)首先根據(jù)工程要求確定梁體跨度及梁體高度；Ⅱ)根據(jù)所需實(shí)際坡度或拱型梁氏高度(尤其是對(duì)于橋梁)選定曲率；Ⅲ)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷選擇桿件材料及截面大小，根據(jù)穩(wěn)定性要求選擇連接點(diǎn)數(shù)目，再通過應(yīng)為計(jì)算最后確定出桿件的數(shù)目，長(zhǎng)度以及螺栓的材料與直徑。
為了更進(jìn)上步地了解這些步驟，現(xiàn)在借助圖6來說明，假如要在S，T兩點(diǎn)之間架設(shè)橋梁，實(shí)際上就表明了該橋梁體結(jié)構(gòu)的跨度至少為S，T兩點(diǎn)間的距離。再由橋洞要求的高度h，可以根據(jù)公式h=r-r2-(ST/2)2]]>求得梁體下弧形軌跡V的曲率半徑r,如果根據(jù)橋梁頂部高度的要求得到梁的高度為H，則梁體上弧形軌跡U的曲半徑為R＝r＋H。接著根據(jù)橋梁的實(shí)際負(fù)荷并考慮加上梁體的自重(先預(yù)設(shè)一個(gè)自重，最后再校核)選擇桿件材料及截面大小，這種選擇的依據(jù)是以預(yù)先的試驗(yàn)及計(jì)算為基礎(chǔ)的。
根據(jù)穩(wěn)定性確定連接點(diǎn)的數(shù)目也是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的，例如所選桿件為型號(hào)20b至22a的槽鋼時(shí)，根據(jù)穩(wěn)定性試驗(yàn)當(dāng)跨度小于200米時(shí)，一般采用3個(gè)連接點(diǎn)的方式，當(dāng)跨度在200米與500米之間時(shí)采用4個(gè)或5個(gè)連接點(diǎn)方式；當(dāng)跨度大于500米或有特殊要求時(shí)采用5個(gè)連接點(diǎn)方式。
現(xiàn)有假定該橋梁跨度度ST＝100米，則選用3個(gè)連接點(diǎn)形式。桿件的數(shù)目及長(zhǎng)度可用試算的方法如下地確定即先選取一個(gè)桿件數(shù)n，這時(shí)將上弧線U分成n個(gè)等份，再由各是劃分點(diǎn)U0，U1，…與曲率中心O連接，交下弧線V與V0，V1，…Vn點(diǎn)，連接U0，V1；U1，V2，…UUn－1，Vn及U1，Vo；U2，V1；…Un，Vn-1；即得到這個(gè)梁體單元的桿件分布結(jié)構(gòu)圖，由此就求得桿件的長(zhǎng)度，即為Un－1，Vn之間的距離。(對(duì)于5連接點(diǎn)方式，則連接Un－2，Vn及UnVn-2，余類推；對(duì)于連接點(diǎn)為偶數(shù)時(shí)，需在下弧線V上作出Vo，V1，…n各點(diǎn)之間的中點(diǎn)，這些中點(diǎn)將為桿件的下端)。
最后作應(yīng)力校核計(jì)算，如果對(duì)危險(xiǎn)截面(如拱型梁中間截面)所求得的桿件彎曲應(yīng)力及螺栓的剪切應(yīng)力均大于所選桿件與螺栓的額定應(yīng)力時(shí)，則就要增加桿件數(shù)目及重新選擇螺栓參數(shù)(反之，減小桿件數(shù)目)，再通過相同的計(jì)算步驟最后確定出桿件的數(shù)目，長(zhǎng)度及螺栓參數(shù)。
作為實(shí)際的例子，在負(fù)荷為100kg／cm2的情況下，對(duì)跨度為50M至500M的本實(shí)用新型大跨度梁體結(jié)構(gòu)作出了計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如下所示
以上所述的一些例子都是等曲率梁的情況，在需要使用變曲率梁的情況下，可采用彼此曲率不同的多個(gè)梁體單元(每單元梁體是等曲率的)以拼接的方式來實(shí)施。這時(shí)為了便于整個(gè)梁體的收縮，在各單元交界處的桿件上設(shè)置長(zhǎng)孔形式的連接點(diǎn)。
必須指出，以上的實(shí)施例主要用于說明本實(shí)用新型的構(gòu)思，對(duì)于該領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在本實(shí)用新型的構(gòu)思之下，顯然還可作了一些改型，例如該拱型梁體是可以伸縮的，因而就可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出通過動(dòng)力裝置調(diào)整拱長(zhǎng)及拱底高度的橋梁，所有這些變型均應(yīng)在本實(shí)用新型的被保護(hù)范圍之內(nèi)。
本實(shí)用新型的大跨度橋梁體結(jié)構(gòu)的重要意義和優(yōu)點(diǎn)舊結(jié)如下1)能加快建筑或橋梁工程，尤其是大跨度建筑物或橋梁的施工速度，可作到一次施工到位，將工期縮短多倍，對(duì)加快建筑，交通，體育及國(guó)防事業(yè)的建設(shè)及降低工程成本有極大價(jià)值；2)對(duì)橋梁而言，采用本實(shí)用新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，可節(jié)省橋墩柱數(shù)目，因而使建橋成本更為降低，并可在任何地基上快速建立大跨度橋梁；3)在國(guó)防上，例如在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，可根據(jù)需要在占區(qū)迅速建起多座橋梁，這些臨時(shí)戰(zhàn)備橋的戰(zhàn)后既便于拆除，又便于加固形成永久橋；4)本實(shí)用新型的大跨度梁體在100M以內(nèi)的跨度時(shí)，可使用動(dòng)力裝置調(diào)整拱長(zhǎng)，以滿足特殊的需要，如解決一些梁坡度和橋洞高度的矛盾；5)本實(shí)用新型的大跨度梁體作成的橋梁在遇到地質(zhì)變化，如地震后遇到某些程度的破壞時(shí)，可施加橋梁補(bǔ)救方法。
6)本實(shí)用新型的大跨度梁體在地下施工，如地鐵工程，及隧道工程中具有廣泛的使用價(jià)值。
7)此外，本實(shí)用新型的大跨度梁體還適用于作城市簡(jiǎn)便立交橋，不但占地少，而且施工特別快。
權(quán)利要求1.一種大跨度梁體結(jié)構(gòu)，它是由多個(gè)桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于該梁體結(jié)構(gòu)至少由一個(gè)單元組成，構(gòu)成梁體單元的每個(gè)所述桿件是等長(zhǎng)度及相同截面的，在每個(gè)所述桿件上具有m個(gè)螺栓連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)將每個(gè)所述桿件的長(zhǎng)度分成m-1個(gè)線段(H3，H2，H1)，各個(gè)所述桿件上的對(duì)應(yīng)線段相等，并且位于梁體上方的線段依次地大于下方的線段(H3＞H2＞H1)，及位于梁體上方相鄰線段的差依次地大于位于下方相鄰線段的差(H3-H2＞H2-H1)，每個(gè)梁體單元是這樣連接的，即將該單元中所有桿件分成等量的前桿件組(1，2，3，4，……)及后桿件組(1′，2′，3′，4′，……)，其中一個(gè)桿件組(前或后桿件組)中的每個(gè)桿件上的m個(gè)連接點(diǎn)中的每個(gè)連接點(diǎn)分別與另一桿件組(后或前桿件組)中m個(gè)依次排列的不同桿件上的對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于所梁體結(jié)構(gòu)中的桿件可為矩形，槽形和角形的，其材料視用途定可用鋼材，高強(qiáng)度輕質(zhì)合金，如鋁合金，或用高強(qiáng)度人造材料，如高強(qiáng)度玻璃鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述桿件的連接點(diǎn)m應(yīng)大于或等于3，即m≥3，并且m取3至5為佳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于在每個(gè)桿件的頂部均設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的頂板(P)，它們用其下端的連接點(diǎn)與桿件上部的連接點(diǎn)借助螺栓相互連接，它們是截面為矩形、槽形或角形的材料作成的，其長(zhǎng)度略大于所述梁體單元安裝到位后，兩個(gè)相鄰桿件頂部連接點(diǎn)之間的距離，前桿件的頂板朝一個(gè)方向(如順時(shí)針方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，后桿件的頂板則向另一方向(如逆時(shí)針方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在安裝到位后由這些頂板形成該梁體的與負(fù)載接觸的頂面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于該梁結(jié)構(gòu)是由多個(gè)所述梁體單元并列設(shè)置組成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述梁體單元以一定間隔放置，再在其中鋪設(shè)頂板件，這些頂板件可用螺栓與梁體單元的頂板相互連接，進(jìn)行安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于該梁體結(jié)構(gòu)可采用彼此曲率不同的多個(gè)梁體單元以拼接的方式組成變曲率梁，其中每單元梁體是等曲率的，為了便于整個(gè)梁體的收縮，在各單元交界處的桿件上設(shè)置長(zhǎng)孔形式的連接點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的大跨度梁體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述梁體單元可以通過動(dòng)力裝置調(diào)整梁體長(zhǎng)度及梁體底的高度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型的大跨度梁體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該梁體結(jié)構(gòu)是由多個(gè)桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于，所述的桿件是等長(zhǎng)度及相同截面的，每個(gè)桿件上具有m個(gè)連接點(diǎn)，它們將所述桿件長(zhǎng)度分成m-1個(gè)線段，各個(gè)桿件上對(duì)應(yīng)線段相等，位于梁體上方的線段依次地大于下方的線段，且位于梁體上方相鄰線段的差依次地大于位于下方相鄰線段的差，每個(gè)梁體單元中所有桿件分成等量的前桿件組及后桿件組，其中一個(gè)桿件組中的每個(gè)桿件上的m個(gè)連接點(diǎn)中的每個(gè)連接點(diǎn)分別與另一桿件組中m個(gè)依次排列的不同桿件上的對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)相連接。
文檔編號(hào)E04C3/38GK2149441SQ9320446
公開日1993年12月15日 申請(qǐng)日期1993年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月3日
發(fā)明者于漢榮 申請(qǐng)人:于漢榮