本发明涉及一种应急大跨度桥，具体涉及一种轻质、高承载、大跨度带下弦增强系统的复合材料-金属组合大跨桥，属于工程领域。
背景技术：
现有的制式应急桥梁装备多数为金属结构，其中包括为数较多的钢结构和为数较少的铝合金结构。虽然钢材具有强度高、塑性和韧性好、各向受力均匀以及设计计算理论成熟等优点，但是钢制桥梁存在自重大、机动性差、运输车辆多和作业劳动强度大等缺陷，难以满足现阶段应急保障任务不断增强的苛刻需求。如抢险器材中较为常用的装配式公路钢桥，由一系列预制钢桁架片和其它拼装构件组装而成，其单片桁架片的重量约为270kg，自重荷载几乎占整个桥梁设计荷载的约1/4，严重影响了该应急桥梁的承载效率。由于自重较大、拼装连接件数量较多，致使整个桥梁的机动性能差和作业任务大，严重降低了桥梁的拼装和架设效率，不利于应急抢修快速保障作业。
无论从战时角度还是非战争救援行动角度讲，都迫切需要我们寻求新型的应急桥梁装备。结构轻型化、高强化和模块化是应急桥梁装备未来发展的主要方向，新结构的设计、新材料的应用以及新技术工艺的采用是实现结构轻型化的必由之路。轻质的复合材料具有比强度/比模量高、可设计性好、运输架设轻便和耐腐蚀性好等显著优点，其已在民用固定桥梁结构中得到了广泛的应用，比如已建桥梁的加固补强和新建结构的建造。若将这种轻质高强的复合材料应用于应急移动式桥梁器材，可在保证承载能力的前提下降低桥梁自重，提高机动性能和架设速度。
技术实现要素：
有鉴于此，针对目前制式应急桥梁装备中钢桥的一些不足，如自重大、机动性差、运输车辆多和作业劳动强度大、拼装架设效率低等，将材料与结构形式作为一个相互影响的整体，提供一种带下弦增强系统的复合材料-金属组合大跨桥。
所述的带下弦增强系统的复合材料-金属组合大跨桥包括：由一个以上中桥节依次连接所形成的桥梁主体、位于所述桥梁主体两端的边桥节以及位于所述桥梁主体下方的下弦增强系统；
所述中桥节包括：两个平行设置的空间桁架a、固定于每个空间桁架a顶部的铝合金桥面板a、用于连接两个空间桁架的一组横向连杆a以及用于连接两个铝合金桥面板a的一组加强横梁a；所述空间桁架a包括：下弦杆a、一组斜腹杆a、一组互相平行的垂向竖杆a和一组斜向竖杆a；所述下弦杆a上沿其长度方向间隔设置有一组以上由一个垂向竖杆a和两个斜向竖杆a构成的三杆结构，其中两个斜向竖杆a分别位于垂向竖杆a沿桥宽度方向的两侧，且两个斜向竖杆a的下端与垂向竖杆a的下端相连，上端向远离垂向竖杆a的方向延伸后和与其对应的铝合金桥面板a相连；每相邻两个垂向竖杆a的对角线上连接一根斜腹杆a，相邻两个斜腹杆a首尾相连；两个所述空间桁架a的下弦杆a之间通过一组沿下弦杆a长度方向间隔设置的横向连杆a相连，相邻两个所述横向连杆a的对角线上设置有一根斜向连杆a；
所述边桥节也包括两个平行设置的空间桁架b、固定于每个空间桁架顶部的铝合金桥面板b、用于连接两个空间桁架b的一组横向连杆以及用于连接两个铝合金桥面板a的一组加强横梁a；其与所述中桥节的区别在与：所述边桥节中空间桁架b的尾部增设有接地小横梁、加强小竖梁、小纵梁加强梁、接地小纵梁和接地大横梁；且所述铝合金桥面板b为斜面板，其一端与中桥节中铝合金桥面板a处于同一水平高度，另一端向下倾斜后与空间桁架b中的下弦杆b位于同一水平高度；由此所述空间桁架b中垂向竖杆b的长度沿下弦杆b长度方向按铝合金桥面板b与水平面的坡度递减，最终铝合金桥面板b连接在接地大横梁上；所述接地大横梁的两端分别设置接地小横梁，每个接地小横梁的末端设置一个接地小纵梁，所述接地小纵梁的一端与接地小横梁相连，另一端和与其对应侧的下弦杆b相连；在所述接地小纵梁与接地小横梁连接端连接有一个竖直方向的加强小竖梁，所述加强小竖梁的顶部与其正上方位置的铝合金桥面板b相连；所述小纵梁加强梁一端与接地小纵梁的底部相连，另一端斜向上连接铝合金桥面板b；
所述下弦增强系统包括：竖向撑杆、斜向拉杆、纵向拉杆和螺杆调节装置；所述纵向拉杆沿桥梁长度方向设置，纵向拉杆的两端均设置有竖向撑杆和斜向拉杆，纵向拉杆的端部通过螺杆调节装置与竖向撑杆的底部相连，竖向撑杆的顶部与该位置正上方的下弦杆相连；所述斜向拉杆的一端通过螺杆调节装置与竖向撑杆的底部相连，另一端通过螺杆调节装置和双耳座与边桥节的下弦杆b相连；
所述中桥节中的斜向连杆a、横向连杆a、下弦杆a、斜腹杆a、垂向竖杆a和斜向竖杆a均为纤维增强树脂基复合材料连杆；所述边桥节中的斜向连杆b和横向连杆b均为纤维增强树脂基复合材料连杆；所述边桥节中的下弦杆b、斜腹杆b、垂向竖杆b、斜向竖杆b、接地横梁、加强小竖梁、小纵梁加强梁、接地小纵梁、接地大横梁均为纤维增强树脂基复合材料连杆或铝合金梁。
有益效果：
(1)本发明组合大跨桥采用双车辙式结构构型，其中每个车辙采用板-桁组合结构的倒三角截面形式桁梁，即桁架与桥面板共同作用形成车辙桁，这种桥跨形式综合了箱型梁和传统桁架的优点，可以发挥结构各部分材料的性能，有利于节省材料从而减轻桥跨结构重量。
(2)本发明组合大跨桥采用上部加强横梁以及下部横向连杆和斜向连杆将两个空间桁架联系起来，增强了桥跨结构的截面整体性和在竖向偏心荷载下的抗扭性能。
(3)本发明组合大跨桥在单个车辙三角桁梁的桥面板和下弦之间沿纵向间隔设置了垂向竖杆，改善了桥面板的受力状态并减轻了桥面板的重量，另外还增强了双车辙整体结构的抗弯和抗扭刚度。
(4)本发明组合大跨桥将轻质高强的纤维增强树脂基复合材料拉挤型材应用于中桥节中除桥面板之外的所有桁杆单元，充分发挥桁架结构杆件的受力特点，可以大幅度降低桥跨结构的自重，极大地提高了该组合空间桁架桥的承载效率。
(5)本发明组合大跨桥采用模块化设计构型，全桥结构由若干个模块化桥节单元组成，模块化桥节之间采用单双耳接头进行连接。另外，设计了下弦增强系统保障复合材料-金属组合桥梁跨度过大时出现的刚度和强度不足的情况，故可通过选用不同数量的模块化桥节配套不同设计位置的下弦增强系统来适应不同跨径的障碍，扩大了该空间桁架桥的使用范围。
(6)本发明组合大跨桥结构重量轻、模块化程度高、连接方便，整个桥跨可借助轻型吊车完成快速拼装，可以采用专用导梁结构辅助架设。
附图说明
图1为本发明带下弦增强系统的复合材料-金属组合大跨桥的结构总图；
图2为中桥节的主视图；
图3为中桥节的左视图；
图4为中桥节的俯视图；
图5为边桥节的主视图；
图6和图7分别为边桥节两端的端面视图；
图8为边桥节的俯视图；
图9为下弦增强系统的左视图；
图10和图11为下弦增强系统的局部放大图；
图12为螺杆调节装置的结构示意图。
其中：1-中桥节、2-边桥节、3-下弦增强系统、4-空间桁架a、5-铝合金桥面板a、6-加强横梁a、7-斜向连杆a、8-横向连杆a、9-下弦杆a、10-斜腹杆a、11-垂向竖杆a、12-斜向竖杆a、13-竖向撑杆、14-斜向拉杆、15-纵向拉杆、16-螺杆调节装置、17-单耳螺杆、18-右旋螺母、19-调整螺母、20-左旋螺母、21-双耳螺杆、22-金属传力顶块a、23-附属金属连接座a、24-单双耳结构、26-接地小横梁、27-加强小竖梁、28-小纵梁加强梁、29-接地小纵梁、30-接地大横梁、35-铝合金桥面板b、36-加强横梁b、37-斜向连杆b、38-横向连杆b、39-下弦杆b、40-斜腹杆b、41-垂向竖杆b、42-斜向竖杆b、43-金属传力顶块b、44-附属金属连接座b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
应急桥梁的自重、跨度与结构形式等因素之间往往相互影响和制约，所以在应急桥梁设计中需要将材料与结构形式作为一个相互影响的整体。鉴于空间桁架的传力机理较为明确、杆件传力路径相对单一，是一种承载效率较高的结构形式。而纤维增强树脂基拉挤复合材料纤维含量高，材料利用率高，具有优异的单向力学性能。若将纤维增强树脂基拉挤型材与桁架结构进行联合设计，则可充分发挥二者的优势，从而达到大幅减重的目的。另外，合理的选材和组合设计同样能够提高桥梁结构的承载力，其中若将复合材料与传统金属材料在结构进行组合设计，可充分发挥不同材料的利用效率，达到继续减重的目的。为进一步提高桥梁的跨越能力，提出了使用下弦增强系统来进行桥梁主体外增强，并可以根据在桥梁主体安全范围内变化跨度，从而提高应急桥梁装备适应实际复杂地形任务的灵活性与快速性。
基于上述机理所提出的带下弦增强系统的复合材料-金属组合大跨桥如图1所示，该组合大跨桥包括：由一个以上中桥节1和两个边桥节2组成的桥梁主体和下弦增强系统3；其中中桥节1和边桥节2均采用模块化设计。
所述中桥节1的结构如图2-4所示，中桥节1为二组三弦桁架结构经过加强横梁6、斜向连杆7以及横向连杆8连接形成的桁架组合箱式结构，三弦桁架的中间形成三角形截面空间。所述中桥节1具体包括：两个平行设置的空间桁架a4、固定于每个空间桁架a4顶部的铝合金桥面板a5、位于空间桁架a4底部用于连接两个空间桁架a4的一组横向连杆a8、用于连接两个铝合金桥面板a5的一组加强横梁a6。两个空间桁架a4分别位于桥宽度方向的两侧，所述空间桁架a4包括：下弦杆a9、一组斜腹杆a10、一组互相平行的垂向竖杆a11和一组斜向竖杆a12；其中下弦杆a9沿桥的长度方向水平设置，下弦杆a9长度方向上每间隔相同距离连接一个竖直向上的垂向竖杆a11和两个斜向竖杆a12，其中两个斜向竖杆a12分别设于垂向竖杆a11沿桥宽度方向的两侧，且两个斜向竖杆a12的下端与垂向竖杆a11的下端相连，上端向远离垂向竖杆a11的方向延伸，由此形成截面为三角形三弦桁架结构。每相邻两个垂向竖杆a11的对角线上连接一根斜腹杆a10，多个斜腹杆a10依次首尾相连，由此一组斜腹杆a10形成锯齿状。两个空间桁架a4的下弦杆a9之间通过一组沿下弦杆a9长度方向均匀间隔设置的横向连杆a8相连，横向连杆a8与垂向竖杆a11位置一一对应。相邻两个横向连杆a8的对角线上设置有一根斜向连杆a7，多个斜向连杆a7相互平行。每个空间桁架a4的顶部铺设铝合金桥面板a5，两个铝合金桥面板a5之间通过一组沿下弦杆a9长度方向均匀间隔设置的加强横梁a6连接，由此桥面形成双车辙式结构形式，如图4所示。所述加强横梁a6为工字型钢梁或槽型钢梁；所述横向连杆a8和斜向连杆a7采用铰接或固结方式与下弦杆a9连接；所述加强横梁a6与铝合金桥面板a5采用固结连接；所述铝合金桥面板a5的端部设有金属传力顶块a22，铝合金桥面板a5在其与下部复合材料杆件交叉位置设有起连接过渡作用的附属金属连接座a23；所述斜向连杆a7、横向连杆a8、下弦杆a9、斜腹杆a10、垂向竖杆a11、斜向竖杆a12均为纤维增强树脂基复合材料连杆。
所述边桥节2的结构如图5-8所示，边桥节2为二组三弦过渡四弦组合桁架结构经过加强横梁b36、斜向连杆b37、横向连杆b38构造连接形成桁架组合箱式结构，二组三弦过渡四弦组合桁架的中间形成三角形过渡成矩形截面空间。边桥节2的空间桁架在中桥节1中空间桁架构造基础上增加尾部接地加强端的接地小横梁26、加强小竖梁27、小纵梁加强梁28、接地小纵梁29和接地大横梁30。具体为：包括两个设置在桥宽度方向两侧相互平行的空间桁架b34、固接于每个空间桁架b34顶部的铝合金桥面板b35、位于空间桁架b34底部用于连接两个空间桁架b34的一组横向连杆b38、用于连接两个铝合金桥面板b35的一组加强横梁b36。所述空间桁架b34包括：下弦杆b39、一组斜腹杆b40、一组互相平行的垂向竖杆b41、一组斜向竖杆b42以及尾部接地加强端的接地小横梁26、加强小竖梁27、小纵梁加强梁28、接地小纵梁29、接地大横梁30；其中下弦杆b39沿桥的长度方向水平设置，下弦杆b39长度方向上每间隔相同距离连接一个竖直向上的垂向竖杆b41和两个斜向竖杆b42，其中两个斜向竖杆b42分别设于垂向竖杆b41沿桥宽度方向的两侧，且两个斜向竖杆b42的下端与垂向竖杆b41的下端相连，上端向远离垂向竖杆b41的方向延伸，由此形成截面为三角形三弦桁架结构。每相邻两个垂向竖杆b41的对角线上连接一根斜腹杆b40，多个斜腹杆b40依次首尾相连。两个空间桁架b34的下弦杆b39之间通过一组沿下弦杆b39长度方向均匀间隔设置的横向连杆b38相连，设置横向连杆b38与垂向竖杆b41位置一一对应。相邻两个横向连杆b38的对角线上设置有一根斜向连杆b37，多个斜向连杆b37相互平行。每个空间桁架b34的顶部铺设铝合金桥面板b35，两个铝合金桥面板b35之间通过一组沿下弦杆b39长度方向均匀间隔设置的加强横梁b36连接。由于边桥节2位于桥的两侧，所述铝合金桥面板b35为斜面板，其一端与中桥节1中铝合金桥面板a5处于同一水平高度，另一端向下倾斜后与下弦杆b39位于同一水平高度，所述垂向竖杆b41的长度沿下弦杆b39长度方向按铝合金桥面板b35与水平面的坡度递减，最终铝合金桥面板b35与下弦杆b39交汇连接在接地大横梁30上。接地大横梁30的两端各设置接地小横梁26，所述接地小横梁26的长度与该侧的斜向竖杆b42在水平方向延伸的距离相等，每个接地小横梁26的末端设置一个接地小纵梁29，接地小纵梁29的一端与接地小横梁26相连，另一端和与其对应侧的下弦杆b39相连，由此将接地大横梁30与下弦杆b39连接起来；在接地小纵梁29与接地小横梁26连接端连接有一个竖直方向的加强小竖梁27，加强小竖梁27的顶部与其正上方位置的铝合金桥面板b35相连，小纵梁加强梁28一端与接地小纵梁29的底部相连，另一端斜向上连接铝合金桥面板b35。所述加强横梁b36为工字型钢梁，所述横向连杆b38和斜向连杆b37采用铰接或固结方式与下弦杆b39连接；所述加强横梁b36与铝合金桥面板b35采用固结连接；所述铝合金桥面板b35端部设有金属传力顶块b43，铝合金桥面板b35在其与下部复合材料杆件交叉位置设有起连接过渡作用的附属金属连接座b44；所述斜向连杆b37、横向连杆b38均为纤维增强树脂基复合材料连杆，下弦杆b39、斜腹杆b40、垂向竖杆b41、斜向竖杆b42、接地小横梁26、加强小竖梁27、小纵梁加强梁28、接地小纵梁29、接地大横梁30均为纤维增强树脂基复合材料连杆或铝合金梁。
本发明的模块化桥节单元(即中桥节1和边桥节2)的优选长度为6米；在实际使用中，也可根据实际需要采用其它长度作为单元结构的长度。使用时，依据实际需要将一个以上中桥节1拼装在一起，然后在桥跨主体两端分别拼装边桥节2形成桥梁主体，由此对于6米长的模块化桥节单元可拼装成18米、24米、30米、36米、42米、48米、54米等不同长度的应急桥梁。
为进一步提高桥梁的跨越能力，在桥梁主体的下方增加下弦增强系统来进行桥梁主体外增强，所述下弦增强系统3如图9-图11所示，桥梁主体宽度方向的两侧均设置有下弦增强系统3，下弦增强系统3包括：竖向撑杆13、斜向拉杆14、纵向拉杆15和螺杆调节装置16；所述螺杆调节装置16如图11所示，包括：单耳螺杆17、右旋螺母18、调整螺母19、左旋螺母20、双耳螺杆21；其中调整螺母19的两端分别设置有右旋螺母18和左旋螺母20，单耳螺杆17与右旋螺母18螺纹连接，双耳螺杆21与左旋螺母20螺纹连接。所述斜向拉杆14、纵向拉杆15均是通过单双耳结构24把节段长度杆件连接成整体杆件，斜向拉杆14和纵向拉杆15的长度依据所要架设的应急桥梁的长度而定。所述纵向拉杆15沿桥梁长度方向设置，纵向拉杆15的两端均设置有竖向撑杆13和斜向拉杆14，纵向拉杆15的端部通过螺杆调节装置16与竖向撑杆13的底部相连，竖向撑杆13的顶部与该位置正上方的下弦杆相连；所述斜向拉杆14的一端通过螺杆调节装置16与竖向撑杆13的底部相连，另一端通过螺杆调节装置16和双耳座25连接到边桥节2的下弦杆b39上；所述竖向撑杆13均为槽钢；所述斜向拉杆14、纵向拉杆15均为纤维增强树脂基复合材料连杆。
最后需要说明的是，本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现；以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照本实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。