专利名称：组合桁架梁腹杆和使用组合桁架梁腹杆的组合桁架梁节点连接结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将作结构用途的钢管用作腹杆的组合桁架梁腹杆和使用所述组 合桁架梁腹杆的组合桁架梁节点连接结构，其允许用作腹杆的钢管的外径保持为目标桥梁 整个跨度上的单一值。
背景技术：
组合桁架梁腹杆起到将梁自身重量产生的重力方向的垂直力、覆盖层负荷和如车 辆负荷等移动负荷转化为节点区域的轴向力并将其传递到桥梁支座上的结构作用。移动负荷在腹杆处产生的轴向力大小在桥梁的整个跨度上不变，但由梁自身重 量、路缘石和路面的覆盖层负荷在腹杆处产生的轴向力大小则随腹杆和桥梁支座间的距离 缩小而增大。因此，设计和建造桥梁时，在桥梁的整个跨度上通常将用作组合桁架梁腹杆的钢 管尺寸(例如，外径和厚度)设为3-5种不同类型。组合桁架梁中使用的弦杆(上弦杆和下弦杆)通过节点与腹杆耦合。在弦杆完全 用混凝土制成而仅有腹杆由钢制成的组合桁架梁中，通常使用带腹杆直接埋在弦杆内的刚 性连接的节点结构。在以刚性连接处理腹杆和弦杆的节点结构中，弦杆处产生的弯曲力矩部分传递到 腹杆上。此时，传递到腹杆上的弯曲力矩大小随用作腹杆的钢管直径增大而增大。此时，应将钢管设计为同时抗轴向力和弯曲力矩。此处，随着钢管直径增大，弯曲 力矩产生的压力增大，因此需要使用直径更大的钢管。
发明内容
工厂内用轧制卷材大量生产的现成钢管通常用于组合桁架梁腹杆。然而，有时可 使用通过直接轧制作结构用的钢板制成的预制钢管。预制钢管有利于设计者可根据需要选择钢板的强度、厚度和直径，但预制钢管比 现成钢管贵很多，并且预制钢管不确保质量一致。现成钢管比预制钢管便宜，但其尺寸(强度、直径和厚度)已设定，因此设计者在 选择钢管尺寸上受到限制。同样，为了优化用于腹杆和连接结构的钢材量，目标桥梁的整个 跨度应分为3-5个区域，各区域应使用不同尺寸的钢管。如果用于腹杆的钢管尺寸在目标桥梁的整个跨度上变化，腹杆遇到弦杆的桁架节 点区域处的连接结构应相应变化。因此，随着钢管种类增加，制作和装配腹杆和连接结构所需的成本增加。另外，如果将钢管设计为适于施加到各钢管上的局部力，位于跨度中心的钢管直 径与位于桥梁支座附近的钢管直径明显不同，这有损外观。如果减小钢管的直径差以改善 外观，考虑到压力，所用钢管的数量比实际所需数量多，这有损经济性。同时，传统组合桁架梁中，其设计为仅由钢管抵抗施加到腹杆上 的局部力(即，轴 向力和力矩)，因此在钢管直径随施加到钢管上的局部力增大而增大方面有结构限制。如果用于腹杆的钢管直径增大，腹杆遇到弦杆处的节点尺寸应相应增大。然而，如 果节点尺寸增大，用作弦杆的混凝土体积也增加，用于在节点区域相互连接腹杆的钢制连 接结构尺寸也增大，因此消耗的钢材量增加，这有损经济性。因此，用于组合桁架梁的腹杆通常设计为500mm或更小直径。有时，一起使用引起 向上力的外部未粘结预应力筋，以减小腹杆的直径。然而，如果跨度距离超过110m，基于结 构计算的所需钢管长度大大增加，几乎不可应用于组合桁架梁。本发明涉及研制一种腹杆结构，其中仅一个尺寸的预制钢管用于目标桥梁整个跨 度上的组合桁架梁腹杆，并且用于腹杆的钢材量也可优化为基于结构计算的所需值，从而 节约制作腹杆和连接结构的成本，也减少用于购买钢管的程序和成本。本发明还涉及研制一种腹杆结构，其中尽管组合桁架梁的跨度距离超过110m，但 用于腹杆的钢管直径限制在500mm内，并且可抵抗施加到腹杆上的轴向力和力矩，从而甚 至允许将组合桁架梁的可用跨度距离扩大到200m。本发明一方面提供了一种组合桁架梁腹杆，其中附加结构钢置于钢管内，于是附 加结构钢和钢管于腹杆一端在结构上形成一体，以便钢管和置于钢管内的结构钢可共用施 加到腹杆上、设计者预定大小的局部力。换言之，设计者可控制目标组合桁架梁整个跨度上的钢管抵抗的局部力的大小， 因此相同尺寸的钢管可用于整座桥梁。另外，置于钢管内的结构钢可抵抗其他超过钢管抵 抗能力的局部力。通过调节置于钢管内的结构钢尺寸可克服局部力根据腹杆的位置变化。同时，通过安装在腹杆一端的端部连接板按指定大小将各腹杆上施加的局部力分 配到钢管和内部钢构件上。然而，对腹杆施加压缩力时，置于钢管内的钢表现出易压曲的机 构特性。为了增强钢管，将钢管装满混凝土，以便钢管和内部钢构件整体起作用。如果对腹杆施加张力，则钢管和内部钢构件并不引起压曲，但钢管装满混凝土，以 通过将钢管埋在弦杆内而提高钢管对传递到腹杆上的弯曲力矩的抵抗力。如果根据本发明所述的腹杆和节点连接结构应用于组合桁架梁，在目标桥梁的整 个跨度上可仅使用一个尺寸的预制钢管。因此，预期有以下效果第一，节约购买钢管的成 本；第二，通过简化节点连接结构而大大减少制作节点连接结构所需的成本；第三，通过露 出均勻尺寸的钢管而改善桥梁外观。另外，由于通过调节置于钢管内的结构钢尺寸可克服局部力根据腹杆位置变化， 易于将施加到整座桥梁各腹杆上的压力控制为大体相等的水平，因此与仅使用钢管作为腹 杆的传统组合桁架梁情况相比，可大大减少消耗的钢材量。
参考附图，根据以下实施例说明本发明的其他目的和其他方面将变得显而易见， 其中图1为显示根据本发明所述的组合桁架梁腹杆的截面图；图2为显示根据本发明所述的组合桁架梁节点的透视图；图3为说明根据本发明所述的节点连接结构处的力的传递过程简图；图4为显示因节点处腹杆轴线不一致而产生的额外力矩的简图；图5a_图5c说明制作本发明所述腹杆的制作顺序图； 图6a_图6c显示使用根据本发明所述的腹杆建造组合桁架梁的实施例。<图中参考数字简要说明>10:腹杆11:外部钢管12:内部钢构件13:端部连接板14 侧面连接板 15 孔16 下弦杆20 上弦杆
具体实施例方式以下，将参考附图详细说明本发明的优选实施例。描述之前，在说明书和附属权利 要中使用的术语不应理解为限于一般的和字典意义上的含义，但应根据允许发明人适当定 义术语用以最佳说明的原则，来基于本发明技术方面相应的含义和概念解释。因此，本文提 出的描述只是仅供说明用的优选实例，并不用于限制本发明的范围，因此应了解的是不脱 离本发明精神和范围下可对本发明替换和修改。图1为显示根据本发明所述的腹杆的截面图。根据本发明所述的腹杆10包括外 部钢管11、内部钢构件12和端部连接板13。如图1所示，根据本发明所述的腹杆10构造为将通过端部连接板13传递的轴向 力分别分布到外部钢管11和内部钢构件12上。通过使用所述构造，外部钢管11可克服施 加到各个位置上的腹杆10上的局部力变化，同时仅通过改变埋在钢管内的内部钢构件12 的尺寸和厚度而保持外部钢管11的尺寸不变。同样，见截面形状，端部连接板13部分插入外部钢管11，因此需要在外部钢管11 两端形成槽，以连接端部连接板13。因此，可降低外部钢管11的制造成本。图2为显示相互连接根据本发明所述的腹杆10的节点的详细结构的透视图。见 根据本发明所述的节点的详细结构，在相互靠近的腹杆10的上端部连接板或下端部连接 板13两侧焊接预定厚度的侧面连接板14，并且在侧面连接板14的前部和后部形成若干预 定尺寸的孔15。图3为显示应用根据本发明所述节点的详细结构时传递在节点处产生的力的过 程的简图。见通过侧面连接板14耦合的两根腹杆10，在结构方面，对其中一根腹杆施加压 缩力C，而对另一根腹杆施加张力T。此后，以下说明中，为方便起见，假定对右侧腹杆施加 压缩力C。施加到外部钢管11的轴向力Cl和施加到受压缩力的腹杆的内部钢构件12的轴 向力C2 —起组合为一个力(C = C1+C2)。通过焊接面再次将施加到端部连接板13上的力C传递到侧面连接板14。
传递到侧面连接板14上的力C分别分为水平力Ch和垂直力Cv。水平力Ch通过 位于端部连接板13前面的混凝土支承压力传递到混凝土弦杆16、20。同时，垂直力Cv结合通过混凝土弦杆16、20传递的部分剪力(Tv = Cv+V)，然后通 过侧面连接板14再次传递到安装在左侧腹杆10处的端部连接板13。所述过程中，在沿腹 杆倾斜方向的左端部连接板13上产生张力，在侧面连接板14上产生水平力Th。水平力Th通过位于端部连接板13前面的混凝土的支承力(R = Th+Ch)传递到混 凝土弦杆16、20，传递到左端连接板13的张力T分为分别施加到左侧腹杆外部钢管11的力 和施加到内部钢构件12的力。如从上述说明所了解，根据本发明所述节点的详细结构中，钢制侧面连接板抵抗 对混凝土弦杆造成有害作用的垂直力，位于端部连接板前面的混凝土支承力抵抗节点的水 平力。这样，与现有节点结构相比，大大提高了位于节点区域的混凝土弦杆的安全性。同时，在结构特性方面最有利的是，位于节点两侧的腹杆轴线与弦杆轴线交于一 点。然而，在实际结构中，因用于腹杆的钢管直径和角度或弦杆的截面形状，3条轴线往往并 不交于一点。如图4所示，如果上述3个构件的轴线不交于一点，则会引起偏心e。从而，因施加 到两根腹杆上的垂直力而在节点区域产生额外弯曲力矩。在侧面连接板14的前部和后部形成若干预定尺寸的孔15，以便侧面连接板14及 其周围的混凝土弦杆16、20可一体产生相对于弯曲力矩M的旋转应变。同时，确定预制孔 的尺寸和数量，以产生对由弯曲力矩M产生的耦合力R的抵抗力。图5a_图5c说明制作根据本发明所述腹杆的顺序。首先，将外部钢管11、内部钢构件12和端部连接板13制成合适形状。之后，如参 考数字18所示，将外部钢管11和端部连接板13焊接在一起，然后如参考数字19所示，相 互焊接插入外部钢管11的内部钢构件12和端部连接板13。图6a_图6c说明使用根据本发明所述的腹杆建造组合桁架梁的实施例。首先，把在工厂内制好的腹杆10运到桥梁施工现场，然后将侧面连接板14焊接到 腹杆的端部连接板13上，从而形成桁架梁腹框架。其次，建造混凝土下弦杆16，然后将混凝土下弦杆16与桁架梁腹框架整合。再次，各腹杆10装满混凝土，然后建造混凝土上弦杆20，以完全制作组合桁架梁。已详细说明了根据本发明所述的组合桁架梁腹杆、节点连接结构和建造组合桁架 梁的方法。然而，应了解的是由于从详细说明中显然可见，对于所属领域的技术人员，在本 发明的精神和范围内可作各种改变和更改，在指出本发明优选实施例的同时，仅以示例的 方式给出详细说明和具体实施例。
权利要求
一种组合桁架梁腹杆，包括钢管；端部连接板，焊接在所述钢管一端；内部钢构件，沿所述钢管长度方向插入所述钢管，一端焊接在所述端部连接板上；其中所述钢管和所述内部钢构件一起抵抗施加于其上的外力。
2.根据权利要求1所述的组合桁架梁腹杆，其中所述钢管装满混凝土，以便所述钢管 和所述内部钢构件一起产生整体抗压曲和抗弯曲的结构特性。
3.一种组合桁架梁的节点连接结构，包括 钢管；端部连接板，焊接在所述钢管一端；内部钢构件，沿所述钢管长度方向插入所述钢管，一端焊接在所述端部连接板上；侧面连接板，焊接在所述端部连接板两侧；其中所述钢管和所述内部钢构件一起抵抗施加于其上的外力；其中所述端部连接板和所述侧面连接板埋在混凝土弦杆内，以形成刚性节点。
全文摘要
本发明涉及组合桁架梁腹杆和使用组合桁架梁腹杆的组合桁架梁节点连接结构。一种组合桁架梁腹杆包括钢管，附加结构钢置于所述钢管内。所述钢管和所述结构钢与所述腹杆一端在结构上形成一体，以共用施加到所述腹杆上、设计者预定大小的局部力。所述钢管装满混凝土，以提高所述腹杆对其上施加的轴向力和力矩的抵抗力。因此，一个尺寸的预制钢管可用作整座桥梁的腹杆，从而节约购买钢管的成本，通过简化节点连接结构降低制造成本，并通过使用均匀尺寸的钢管改善外观。
文档编号E04B1/58GK101864724SQ20101014890
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月20日
发明者元大渊 申请人:桥梁永恒创新有限责任公司;元大渊