面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁 |
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| 申请号 | CN201710495627.2 | 申请日 | 2017-06-26 | 公开(公告)号 | CN107190626B | 公开(公告)日 | 2019-11-05 |
| 申请人 | 北京交通大学; | 发明人 | 桂成中; 雷俊卿; 黄祖慰; 曹珊珊; 刘昊苏; | ||||
| 摘要 | 一种面板自动 水 平的预应 力 钢 ‑ 石膏 / 混凝土 组合桁架梁，其特征在于，其包括：纵向钢管组合梁，其两端被 支撑 在承载铰支座上；承载面支撑 纵梁 ，其设置在所述纵向钢管组合梁上方的横向两侧；承载面支撑构架，其支撑所述承载面支撑纵梁；自水平面板，其可以自动水平地坐落在所述承载面支撑构架上；以及偏转调整限位 连杆 ，其一端铰接在所述承载面支撑构架或所述承载面支撑纵梁上，另外一端铰接在调整铰支座上。根据本 发明 ，即使偏心荷载作用较大或者支座发生了变位，其整体结构偏转或局部截面扭转较大，面板结构也随之产生较大 变形 ，也可以很容易地把 桥梁 承载结构调回正常的使用状态。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁，其特征在于，其包括： |
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| 说明书全文 | 面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁技术领域[0001] 本发明涉及一种面板自动水平的预应力钢-石膏组合桁架梁，或涉及一种面板自动水平的预应力钢-混凝土组合桁架梁，尤其是面板因可整体偏转而自水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁，特别是呈三角形横截面的组合桁架梁，其因支座变位而造成结构整体偏转，但其面板具有可自动呈水平状态的体系，用于建造梁桥或建筑的承载结构，属于桥梁工程或建筑工程领域。 背景技术[0002] 现有技术中，三角形桁架梁应用广泛，无论是上承式还是下承式，其横向偏转是这类桥关注的焦点，特别是上承式三角形桁架。当偏心荷载作用较大或者支座变位时，其整体结构偏转或局部截面扭转较大，面板结构也随之产生较大变形，影响桥梁承载的正常使用状态。基于此，面板的结构应设计为适应三角形桁架支座变位引起的偏转影响的自平衡体系，不影响正常使用状态。然而，现有技术中并没有这样的面板结构体系。 [0003] 控制自平衡过程需要考虑的三大安全要素，包括：滑动机制、平衡控制幅度和控制速度。限位装置在桥梁结构或建筑结构中用于控制结构整体变位，即变形幅度；在相对滑动面之间设置表面阻尼，如阻尼垫或阻尼涂料，可方便控制滑动幅度和速度。 [0004] 一般桁架梁桥的两个纵梁采用钢杆件或采用预应力混凝土杆件，钢管混凝土组合结构一般主要用于桥梁或建筑结构的承压构件中，其在工程运用中存在的最大问题为相对于纵向刚度，其横向刚度小，作为梁构件时其内部混凝土极容易开裂而使得整个结构承载能力急剧下降，致使抗弯承载力下降。众多案例表明，灌注混凝土后混凝土凝结收缩，混凝土与钢管壁脱空现象屡见不鲜。混凝土三向应力的理论状态并未形成。为解决这一问题，选择石膏替代混凝土，并采用预应力钢- 石膏组合结构体系来实现钢管-石膏组合梁，以协同承受抗弯承载力。 [0005] 选择石膏主要基于石膏的材料特性。石膏在建筑结构工程和装饰工程中广泛运用,在 GB/T9776-2008《建筑石膏》规范中有相应规定。其中，建筑石膏的密度一般为2500-2800kg/m3，与普通混凝土的密度等级2000-2800kg/m3相近。石膏材料具有凝结硬化快、硬化时体积微膨胀、孔隙率大等特性。为解决石膏凝结过快硬化问题，故在石膏粉中加入适量缓凝剂，可使缓凝时间达2小时，使得石膏浆能通过压浆机注入钢管内部。当采用高强石膏时，如α型高强度石膏，其抗压强度可达40MPa以上，达到普通混凝土抗压强度，甚至在烘干后，其抗压强度能达到500MPa，超过部分钢材强度。 [0006] 另外，钢管-石膏组合梁截面的钢管将石膏封闭在内部空间，克服了石膏耐水性、抗渗性和抗冻性等缺点，也防止了薄壁钢管发生局部屈曲。石膏硬化时体积微膨胀，大大改善了钢管与石膏之间的脱空情况。预应力钢管-石膏组合结构体系使石膏处于三向受压，这种技术使得钢管-石膏组合梁能够协同承担外部荷载作用，且充分发挥预应力受拉承载性能，提高了结构承载力。 [0007] 然而，现有技术中还从来没有出现过以预应力钢管-石膏组合结构作为杆件元素的桥梁或建筑结构承载桁架。事实上，现有技术中，本领域的技术人员形成了钢管混凝土组合结构的思维惯性，难以突破传统技术上的偏见想到以预应力钢管-石膏组合结构构成的桁架梁，更难以想到面板结构适应因支座变位引起整体偏转的预应力钢管-石膏组合结构构成桥梁承载或建筑结构中三角形桁架结构。 [0008] 特别是，即使想到以预应力钢管-石膏组合结构作为桥梁承载桁架的元素，在施工工艺等方面也需要克服重重技术难关才能实现本发明，并不是显而易见的。 发明内容[0009] 本发明的目的是提供一种面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁，用于解决梁桥或建筑结构中上承式三角形桁架梁面板结构体系发生偏转后自水平的问题，其构造美观、通行便利、受力合理、施工方便，是新型市政桥梁或建筑结构的承载部件。 [0010] 为此，根据本发明的第一方面，提供了一种面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁，其特征在于，其包括： [0011] 纵向钢管组合梁，其两端被支撑在承载铰支座上； [0012] 承载面支撑纵梁，其设置在所述纵向钢管组合梁上方的横向两侧； [0013] 承载面支撑构架，其支撑所述承载面支撑纵梁； [0014] 自水平面板，其可以自动水平地坐落在所述承载面支撑构架上；以及[0015] 偏转调整限位连杆，其一端铰接在所述承载面支撑构架或所述承载面支撑纵梁上，另外一端铰接在调整铰支座上。 [0016] 优选地，所述钢管组合梁为预应力钢管-石膏组合梁，或者预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁；和/或，所述承载面支撑纵梁为箱形纵梁或方形钢管纵梁。 [0017] 优选地，沿着所述纵向钢管组合梁的长度方向，所述承载面支撑构架包括多个横向倒三角形支撑架，其下顶点与所述纵向钢管组合梁相连，两个上顶点分别与所述承载面支撑纵梁相连，每个横向倒三角形支撑架包括两个斜向横梁和一个弧形梁，该弧形梁呈凹形，该弧形梁的两端分别与所述斜向横梁的顶端相连。 [0018] 优选地，所述弧形梁的凹面上沿桁架梁的纵向设有相互间隔的多个圆柱体滚轴，自水平面板的底面可滑动或辊动地与这些圆柱体滚轴相接触；所述弧形梁的凹面上设有与所述自水平面板的底面相接触部位的表面阻尼装置和/或横纵向限位装置；或者，所述自水平面板的一个侧边缘铰接在所述承载面支撑构架或所述承载面支撑纵梁上。 [0019] 优选地，所述圆柱体滚轴为弧形梁的纵向次梁。 [0020] 优选地，所述承载面支撑构架在所述斜向横梁的外侧安装有镂空樱花图案面板；所述承载面支撑构架呈倒三角形或菱形。 [0021] 优选地，所述纵向预应力钢管-石膏组合梁的横截面积大于所述承载面支撑纵梁的横截面积；在钢管内充满地设有掺入缓凝剂的石膏浆或者轻质高强混凝土；以及在钢管内设有张拉预应力筋。 [0022] 优选地，所述偏转调整限位连杆上设有双向长度调节器。 [0023] 根据本发明的第二方面，根据本发明的所述面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁用于桥梁工程或建筑工程。 [0024] 根据本发明的第三方面，提供了一种面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：在预制场焊接好三角形桁架，包括纵向预应力钢管、箱形钢纵梁、弧形梁及斜向横梁；安装纵向预应力钢管的预应力筋及端部锚头，张拉预应力筋至设计值；采用压力机从钢管锚固端灌注掺入缓凝剂的石膏浆，形成内部无气泡的钢管；待石膏终凝后，整体吊装至施工现场，将三角形组合桁架铰接在支撑铰支座上；再将偏转调整限位连杆的一端铰接在所述承载面支撑构架或所述承载面支撑纵梁上，另外一端铰接在调整铰支座上；架设圆柱体滚轴、弧形梁中的限位装置和表面阻尼；然后铺设自水平面板。 [0025] 根据本发明的第四方面，提供了一种面板自动水平的预应力钢-石膏/混凝土组合桁架梁的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：在施工现场无偏转状态下组装桁架结构，预应力钢管截面安装在纵向可转动的支承铰支座上，与连杆相连的纵梁端部放置于设有斜向调整支座一侧；安装镂空樱花图案面板；使用千斤顶使得桁架结构体系偏转就位，保持桥面板水平位置；迅速用连杆连接纵向主梁端部和斜向铰支座；预应力钢管中的预应力筋张拉就位；然后，从预应力钢管的端部灌注轻质混凝土。 [0026] 根据本发明，现有技术中一直存在但始终没有得到解决的桥梁横向偏转问题得到了解决。 [0028] 图1为根据本发明一个实施例的用于建造梁桥或建筑结构的面板体系自水平的预应力钢-石膏组合三角形桁架梁的立体图。 [0029] 图2为如图1所示的预应力钢-石膏组合三角形桁架梁在一端观测时的立体图。 [0030] 图3为如图1所示的预应力钢-石膏组合桁架梁的面板结构与弧形梁之间自水平及控制机制的示意图。 [0031] 图4为如图1所示的预应力钢管-石膏组合桁架梁的横截面结构示意图。 [0032] 图5为根据本发明另外一个实施例的用于建造梁桥的带偏转结构的预应力钢-混组合桁架梁的立体图。 [0033] 图6为如图5所示的带偏转结构的预应力钢-混组合桁架梁的在一端观测的立体图。 [0034] 图7为如图5所示的预应力钢管混凝土组合桁架梁的横截面结构示意图。 具体实施方式[0035] 根据本发明的一个实施例，如图1-4所示，预应力钢-石膏组合桁架梁主要包括：面板体系1、纵向预应力钢管-石膏组合梁2、箱形钢纵梁3、弧形梁4、斜向横梁5、圆柱体滚轴6、铰支座7 及其连杆8。根据本实施例的施工方法，其具体步骤为，在预制场焊接好三角形桁架纵、横梁，包括纵向预应力钢管-石膏组合梁2的钢管、箱形钢纵梁3、弧形梁4及斜向横梁5。三角形钢桁架焊接后，安装纵向预应力钢管-石膏组合梁2的预应力筋及端部锚头，张拉预应力筋至设计值，从钢管锚固端采用压力机灌注掺入缓凝剂的石膏浆，形成内部无气泡的钢管。待石膏终凝后整体吊装三角形组合桁架至现场。采用铰支座7及连杆8安装固定三角桁架梁后，架设圆柱体滚轴6、弧形梁4中的限位装置、表面阻尼c和可转角度a、以及面板体系1。 [0036] 图4中，在钢管210内设置预应力筋230，并且灌注充满石膏220。 [0037] 本发明第一实施例提供了一种面板自水平的预应力钢-石膏组合三角形桁架梁，用于建造桥梁或建筑结构的预制件、现场组装或组焊部件，主要包括面板体系、纵向预应力钢管-石膏组合梁、箱形钢纵梁、弧形梁、斜向横梁、圆柱滚轴、铰支座及其连杆。该组合桁架梁为上承式结构体系，面板结构表面位置高于支座位置。其特点是能够在三角形桁架存在一定范围内的整体横向偏转角度，面板结构在自重作用下，弧形梁与面板之间形成横向相对转角，保持面板结构荷载作用面始终保持水平位置，同时通过限位装置及横向表面阻尼限定面板变位幅度和速度。面板结构下部与铰支座相连采用纵向预应力钢管-石膏组合梁，主要承担桁架中受压、受拉和受弯等耦合作用，能够提高截面横向刚度、改善承受外部横向荷载能力、改善钢管与填充料脱空情况以及有效预防预应力筋的腐蚀问题。弧形梁与斜向横梁形成稳定的三角形结构，与基础相连。调整铰支座和连杆用于模拟三角形桁架偏转情况，该类型结构体系可用于公路、公园、园林、游乐场等。 [0038] 一种面板自水平的预应力钢-石膏组合三角形桁架梁，其特征在于：主要包括面板体系1，纵向预应力钢管-石膏组合梁2、箱形钢纵梁3、弧形梁4、斜向横梁5、圆柱体滚轴6、铰支座7及其连杆8。在模拟偏转的铰支座7及其连杆8变位引起的偏转条件下，面板体系1在自平衡作用下处于水平位置，可适应一定范围的上承式桁架整体偏转角。 [0039] 纵向预应力钢管-石膏组合梁2为本三角形桁架的主要受力构件，钢管内灌注掺入适量缓凝剂的石膏浆并张拉预应力筋，以提高组合梁横向刚度、改善承受外部横向荷载能力、改善钢管与其内填充物脱空情况以及增强预应力筋的耐腐蚀性。纵向预应力钢管-石膏组合梁2与箱形钢纵梁3 为三角形桁架纵梁体系，主要承受纵向受压、受拉及受弯荷载作用。弧形梁4与面板体系1通过圆柱体滚轴6提供面板体系滑动机制，弧形梁4上设置有横纵向限位装置及弧形梁4及面板底部的斜向横梁5接触部位设置表面阻尼控制面板自平衡幅度与速度。弧形梁4与斜向横梁5形成稳定的三角形桁架结构，以提供结构的整体刚度。圆柱体滚轴6可设置为为弧形梁4的纵向次梁，提高结构整体刚度。铰支座7及其连杆8用于提供三角形桁架边界条件，也可以用于模拟三角形桁架整体偏转变位情况。 [0040] 根据本发明的另外一个实施例，如图5-7所示，预应力钢-混组合桁架梁主要包括：钢桥面板体系21、纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁22、方形钢管纵梁23、斜向横梁 24、镂空樱花图案面板25、铰支座26及其连杆27，其中，纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁22在钢管内灌注轻质混凝土，能减小自重、提高钢管横向刚度，以防止钢管局部屈曲、有效传递预应力筋与钢管之间的内力、以及预防预应力筋的腐蚀；预应力张拉锚头设置在支座端部，用以承受上部结构荷载向下传递的拉力，同时预应力筋与钢管混凝土形成一种内力自平衡状态；两斜向横梁24 和钢桥面板体系21的横梁形成一个横向稳定的三角形桁架，上部两斜向横梁24可根据上部利用空间而调整钢桥面板体系21的位置，并保证与桥面下三角形桁架结构形成稳定的受力结构，以增大结构刚度。镂空樱花图案面板25提供横梁之间的横向联系，以增大结构整体刚度，防止斜向剪切变形。本桥铰支座26设置在该桥两端，具有完全横向平转和一定的纵向竖转能力，并在一根纵向主梁端部设置斜向连杆27，该连杆27用以承担结构横向荷载及保证结构的稳定性。 [0041] 图7中，在钢管221内设置预应力筋223，并且灌注充满轻质混凝土222。 [0042] 根据该实施例，镂空樱花图案面板25的设置强调了与环境的协调，即：在日光及月光照射下，桥面1上及桥底形成樱花图案，极大增添了视觉美感。 [0043] 根据本实施例，采用预应力钢管-轻质混凝土结构梁，充分发挥了三种材料力学特性，减小了结构挠度且可预防预应力筋腐蚀问题；采用斜向桁架形式，突出了空间感；强调了与环境的协调性。根据本实施例的施工方法，可在施工现场无偏转状态下组装桁架结构的各杆件，包括桥面板横梁，其中，预应力钢管混凝土组合主梁中钢管截面安装在纵桥向可转动的铰支座上，与连杆相连的纵梁端部放置于同侧另一斜向支座位置处，镂空樱花图案面板安装完成之后，在桁架结构体系偏转角较小一侧使用千斤顶偏转就位，保持桥面板水平位置，迅速用连杆连接纵向主梁端部和斜向铰支座。预应力筋张拉就位，完成张拉，并从端部灌注轻质混凝土。 [0044] 在本发明中，所谓“轻质高强混凝土组合梁”中，所谓“轻质”混凝土的密度等级一般为 300-1800kg/m3，小于普通混凝土的密度等级2000-2800kg/m3。所谓“高强”，一般将强度等级为 C60以上的混凝土认定为高强混凝土。 [0045] 根据本发明，也可以采用“预应力钢-石膏组合梁”，石膏的膨胀特性得到应用。 [0046] 现有技术中，桥梁结构中一般采用钢-混组合截面，如箱型、工字形、槽型等截面梁；部分桥梁中也采用预应力钢-混凝土组合梁桥。建筑结构中也采用过型钢-石膏。但本发明的“预应力钢管- 石膏”组合截面，尚未找到相关研究及报道。 [0047] 根据本发明中，采用弧形梁和斜向主梁形成三角形桁架，面板体系可与弧形梁相互横向滑动。 [0048] 本发明中，斜向横梁5所在的面板可以是镂空樱花图案，也可为其他面板图案，可以用于桁架斜向横梁中，例如为了美观；当然也可撤除面板。 [0049] 本发明的实施例中，三角形桁架在整体偏转情况下面板自水平，各种变型实施例均符合本发明的构思。传统技术中，单跨梁与桥墩之间均设置四个支座；本发明的该主桁结构中也采用了四个支座。 [0050] 带偏转机构的预应力钢-混组合桁架梁，用于建造桥梁的预制件、现场组装或阻焊部件，主要包括钢桥面体系、纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁、方形钢管纵梁、斜向横梁、镂空樱花图案面板、铰支座及其连杆。该组合桁架梁可根据上部利用空间、桥面板位置和宽度，灵活设置整体横向偏转角度。纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁能够提高横向刚度、改善承受外部横向荷载能力、以及有效预防预应力筋的腐蚀问题。桥面板体系与斜向横梁形成稳定的三角形结构，与基础相连。镂空樱花图案面板参与结构的整体受力，可提高结构承载能力及增添视觉美感，可用于公园、园林、游乐场等。 [0051] 一种带偏转机构的预应力钢-混组合桁架梁，其特征在于：主要包括钢桥面板体系21，纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁22、方形钢管纵梁23、斜向横梁24、镂空樱花图案面板25、铰支座26及其连杆27。根据上部结构使用空间需求，保证在钢桥面板体系21处于水平位置的条件下，该桁架梁可根据桥面板宽度，灵活设置整体偏转角度，突出空间感。正常使用状态下纵向预应力钢管-轻质高强混凝土组合梁22钢管内灌注轻质高强混凝土并张拉预应力筋，以提高组合梁横向刚度、改善承受外部横向荷载能力、以及增强预应力筋的耐腐蚀性。 [0052] 钢桥面板体系21与斜向横梁24形成稳定的三角形结构，以提高结构的整体刚度。镂空樱花图案面板25参与结构的整体受力，以提高结构的承载能力，同时增添视觉美感。连杆27与铰支座26参与结构的整体受力和保证结构的整体稳定性。 |
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