一种可展拱式桥梁的制作方法

本实用新型属于土木工程技术领域，涉及桥梁结构，尤其是可展拱式桥梁结构。

背景技术：

近年来，中国西部地区地震灾害频发，地震直接造成了桥梁断裂、道路损坏，给灾区救援工作造成极大的影响。可展拱式桥梁可迅速恢复受灾地区的受阻交通，打开救援的生命线。

现有的可展桥梁多为桁架桥，在移动的集中荷载(模拟行进的汽车)下杆件间内力分布不均，材料利用率低下；另大多需要重型起重机械协助，如国外军用的折叠体系战术桥梁，需要柴油发动机作为动力源，在交通瘫痪的震区难以及时进场。

为了满足实际需求，客观上需要研发一种便于架设且可以快速投入使用的可展桥体系。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可展拱式桥梁，尤其是基于三角形剪式单元的可展拱式桥梁，受力形式更加合理、材料利用率更高，且施工方便快捷。

为达到上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种可展拱式桥梁，其桥型为系杆拱桥，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用，形成自平衡体系，使拱端支座不产生水平推力，将水平推力转化为拉杆弦受拉。拱与弦间通过与闭合框架的两端铰接而联结固定。这种拱桥内部为超静定体系，外部可看做静定体系，因此支座墩台的不均匀沉降对桥体受力无影响。

车辆荷载施加后，系杆拱桥中拱肋整体受压，拱端部有外张趋势，因而拱底需要水平力约束其外张，在拱肋端部设置支座与地面固接。系杆拱桥中弦受拉，这里所需的水平拉力由桥面板以及预应力拉索两者共同受拉提供，即桥面板旁布置预先张紧的钢丝索，预加拉力钢丝索可以抵消部分拉力以维持受力平衡。

本实用新型的可展拱式桥梁，只需要在机构的端部设置制动装置，使两个三角形剪式单元相互分离运动，到达桥对岸的指定位置后施加节点约束使其稳定，就能快速展开为一个稳定的拱桥结构，且在使用后收缩、回收构件，体积变小，方便运输及再搭建。展开后的结构通过构造措施的处理，形成稳定的结构。该结构的承载力与稳定性已通过模型加载和有限元 软件计算验证，满足使用要求。

具体的，一种可展拱式桥梁，其桥型为系杆拱桥，包括结合了共同承受荷载的拱与梁两种基本结构形式，通过梁受弯、拱受压的组合作用，形成自平衡体系，避免拱端支座产生水平推力，将水平推力转化为拉杆弦受拉；拱与弦间通过与闭合框架的两端铰接而联结固定；所述可展拱式桥梁包括：可展主拱肋、拱顶水平支撑、拱顶斜向支撑、柔性吊杆、可展桥面和桥面活合页套管、刚性横梁、预拉力拉索，其中：拱顶刚性支撑由拱顶水平支撑、拱顶斜向支撑组成，拱顶水平支撑可同拱肋一起伸缩；拱顶斜向支撑采取二次安装，形成稳定的桥体结构以保证拱肋平面外的稳定性；可展拱肋通过拱顶水平支撑和拱顶斜向支撑连接，共同组成拱肋结构；所述可展桥面通过柔性吊杆在可展主拱肋中剪式单元的钝角顶点处连接；所述桥面活合页套管位于每段可展桥面板的两端，通过桥面活合页套管实现桥面板的连接和折叠。

进一步，所述可展拱式桥梁内部为超静定体系，外部可看做静定体系来分析。

所述可展拱肋为可在平面内折叠伸缩的结构。

处于水平面的可展桥面板连接桥长方向的两个端点，可展主拱肋位于桥面板外侧的两个竖直平面内，在桥长方向的两端与所述可展桥面板的边缘连接，以达到展开时可展主拱肋与可展桥面板作为可展桥的主要受力构件、收缩时两者可以同时收缩的目的；

优选地，所述可展桥面板在长度方向上按节间划分为五部分，每两部分之间与刚性横梁套管连接而成，桥面板每一部分的端部与可展主拱肋的节点在同一竖直平面内；该平面内设置有一个闭合框架，该框架由竖向的两个柔性吊杆、位于桥宽方向水平的刚性横梁和拱顶水平支撑组成。

所述柔性吊杆位于主拱肋和桥面板外侧所在的竖直平面内，柔性吊杆上部与主拱肋和拱顶水平支撑的节点通过螺栓连接，下部与位于桥面水平平面内的刚性横梁也是螺栓连接；优选地，所述闭合框架沿桥长共设置有四个；在拱肋端部设置支座；桥面板下设置预应力拉索以在拱受压拱端部外张的时候提供水平拉力以维持其平衡。

所述拱顶水平支撑、拱顶斜向支撑在桥宽方向上连接两个可展主拱肋对应的节点，其中拱顶斜向支撑采取二次安装即展开后再进行安装；优选地，所有支撑形成了闭合的三角形，为可展拱肋提供拱圈平面外的支撑，避免发生平面外失稳。

所述可展主拱肋由两类规格不同的三角形剪式单元拼合组成，在可展主拱肋的端部采用第一剪式单元，中间部分则采用第二剪式单元；第一剪式单元采用两个尺寸不同的三角形构成，在两个所述三角形的钝角顶点处铰接构成可展剪式单元，顶点连接后两个所述三角形可以绕铰接的钝角顶点相互转动；所述三角形的锐角节点可与下一个剪式单元连接；第二剪式单元采用两个尺寸相同的三角形连接，三角形单元间的连接方式与第一剪式单元相同，连接 三角形的对应钝角顶点，其它的锐角节点可与其它的剪式单元锐角节点连接；第一剪式单元和第二剪式单元可以绕着中间的节点向一侧收缩，剪式单元相互折叠而收缩实现平面内的收缩；将第一剪式单元和第二剪式单元的锐角节点铰接连接，拼合形成一个完整的主拱肋；

优选地，所述三角形剪式单元的杆件采用箱型截面；优选地，所述箱型截面尺寸为50×80×6×4；

优选地，所述两个主拱肋之间的拱顶水平支撑、拱顶斜向支撑采用圆管；

优选地，所述拱顶水平支撑采用φ38×2.5的圆管，拱顶斜向支撑采用φ32×3.5的圆管。

所述第二剪式单元由两个三角形单元连接组成，两个三角形单元端部留置孔洞，孔洞中穿过销轴，通过螺母和安全销固定，螺母和三角形单元之间垫上弹簧垫片。

沿桥长方向的可展桥面在端部焊接留置孔洞的耳板，耳板的孔洞中穿过沿桥宽方向的刚性横梁，桥面梁间垫上耳板，穿过孔洞的刚性横梁与柔性吊杆通过全透焊接连在一起。

由于采用上述方案，本实用新型的有益效果是：可伸缩，适应多变的环境，展开后能形成比较大跨度的稳定的桥梁结构，尤其适用于灾区抗震救援和交通疏导工作。桥梁搭建快速方便,收合后便于运输，拱式桥梁的结构稳定性和承载力高；以及：

(1)展开成型速度快，打通救援的生命线。

(2)无需重型施工机械进场协助，完全适用于震区不便的交通状况。

(3)展开过程平缓稳定，展开过程不存在侧向稳定问题。

(4)杆件利用率高，在量产的情况下可以节省材料。

(5)外形可靠、美观。

附图说明

图1为本实用新型实施例空间可展拱桥的组成示意图。

图2是本实用新型实施例空间可展拱桥的主拱肋的组成示意图。

图3是本实用新型实施例空间可展拱桥的主拱肋的半收缩示意图。

图4是本实用新型实施例空间可展拱桥的主拱肋的完全收缩示意图。

图5是本实用新型实施例空间可展拱桥的桥面板半收缩状态示意图。

图6是本实用新型实施例空间可展拱桥的半收缩示意图。

图7是本实用新型实施例空间可展拱桥的完全收缩示意图。

图8是本实用新型实施例空间可展拱桥的三角形单元连接形成剪式单元的节点示意图(俯视)。

图9是图8中所示1-1剖面图。

图10是可展桥面4与柔性吊杆3和刚性横梁6连接节点示意图。

图11是图10中所示2-2剖面图。

图中标号：1为可展拱肋；2为拱顶刚性支撑(包括拱顶水平支撑2-1、拱顶斜向支撑2-2两部分)；3为柔性吊杆；4为可展桥面；5为桥面活合页套管；6为刚性横梁；7为预拉力拉索；8为三角形单元(包括8-1，8-2,8-3三种)；9和10分别为第一、第二三角形剪式单元(包括9-1,9-2以及10-1,10-2,10-3,10-4)；11为5mm厚弹簧垫片；12为销轴；13为带有孔洞的耳板，14为连接节点的安全销

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型提出的可展拱式桥梁，包括：可展主拱肋1、拱顶水平支撑2-1、拱顶斜向支撑2-2、柔性吊杆3、可展桥面4和桥面活合页套管5、刚性横梁6、预拉力拉索7，其中：所述两片可展拱肋1是可折叠伸缩的结构，可在平面内伸缩。所述拱顶刚性支撑2由拱顶水平支撑2-1、拱顶斜向支撑2-2组成，其中拱顶水平支撑2-1可同拱肋一起伸缩；拱顶斜向支撑2-2采取二次安装，即展开后再进行安装，其作用是形成稳定的桥体结构，保证拱肋平面外的稳定性,拆卸下后可展桥方能收缩。所述两片可展拱肋1通过拱顶水平支撑2-1和拱顶斜向支撑2-2连接，共同组成了拱肋结构。所述可展桥面4通过柔性吊杆3在可展主拱肋1中剪式单元的钝角顶点处(图2中剪式单元10的钝角顶点)连接。桥面活合页套管5位于每段可展桥面板4的两端，通过桥面活合页套管5实现桥面板的连接和折叠。所述“柔性”表示刚度不需要特别大的支撑，没有特定的刚度范围，柔性应该是相对的柔性，这里只表示属于柔性支撑。

一种可展拱式桥梁，其桥型为系杆拱桥，系杆拱桥是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用，形成自平衡体系，使拱端支座不产生水平推力，转化为拉杆弦(桥面板4)受拉承担。拱(可展主拱肋1)与弦(桥面板4)间通过与闭合框架(柔性吊杆3)铰接联结而成。这种拱桥内部为超静定体系，外部可看做静定，因此支座墩台不均匀沉降对桥体受力无影响。

车辆荷载施加后，系杆拱桥中拱肋整体受压，拱端部有外张趋势，因而拱底需要水平力约束其外张，在拱肋端部设置支座(可采用地锚螺栓或者砌石混凝土)与地面固接。系杆拱桥中弦受拉，这里所需的水平拉力由桥面板4以及预应力拉索7两者共同受拉提供，即桥面板4旁预先布置张紧的钢丝索7，钢丝索7可以抵消部分拉力以维持其平衡。

图1是空间可展拱桥的组成示意图，可展拱桥由受力部分和附属部分组成，受力部分包 括件可展主拱肋1，连接受力构件柔性吊杆3，桥面受力构件包括可展桥面4、桥面活合页套管5、刚性横梁6、预拉力拉索7；附属构件包括拱顶水平支撑2-1、拱顶斜向支撑2-2。

处于水平面的可展桥面板4连接了桥长方向的两个端点，圆弧形的可展主拱肋1位于桥面板外侧的两个竖直平面内，在桥长方向的两端与可展桥面板4的边缘连接(具体连接节点示意图见图10与图11)，以达到展开时可展主拱肋1与可展桥面板4作为可展桥的主体受力构件，收缩时两者可以同时收缩的目的。可展桥面板4在长度方向上按节间划分为五部分，每两部分之间与刚性横梁6套管连接而成，桥面板4每一部分的端部与可展主拱肋1的节点在同一竖直平面内。该平面内设置了一个闭合框架，该框架由竖向的两个的柔性吊杆3、位于桥宽方向水平的刚性横梁6和拱顶水平支撑2-1组成，这样的闭合框架沿桥长设置共四个。柔性吊杆3位于主拱肋1和桥面板4外侧所在的竖直平面内，柔性吊杆3上部与主拱肋1和拱顶水平支撑2-1的节点通过螺栓连接，下部与位于桥面的水平向刚性横梁6也是螺栓连接。这样的闭合框架沿桥长设置共四个。当车开到桥面板上时，桥面板4受弯产生向下的挠度作用在水平刚性杆6上，柔性吊杆3因与水平刚性杆6连接而受拉力将车辆荷载传递到可展拱肋的节点。可展拱肋1节点受向下的拉力，拱肋整体受压，拱端部有外张趋势，因而拱底需要水平力约束其外张，在拱肋端部设置支座。这里所需的水平力由桥面板下的预应力拉索7提供，即桥面板下布置预先张紧的钢丝索，可以在拱受压拱端部外张的时候提供水平拉力以维持其平衡。此外，拱顶水平支撑2-1、拱顶斜向支撑2-2在桥宽方向上连接了两个可展主拱肋对应的节点，其中拱顶斜向支撑2-2采取二次安装即展开后再进行安装。所有支撑形成闭合的三角形，其主要作用是为可展拱肋提供拱圈平面外的支撑，保证其不发生平面外破坏及侧向失稳。该可展拱桥的各个受力部件长度与截面尺寸符合钢结构设计规范要求，在合理施工的前提下结构安全。

图2是可展主拱肋1的组成示意图。主拱肋1由两类规格不同的三角形剪式单元拼合组成(第一剪式单元9，第二剪式单元10)。在可展主拱肋的端部采用第一剪式单元9，中间部分则采用第二剪式单元10。第一剪式单元9采用两个尺寸不同的三角形8-1、8-2构成，在三角形8-1、8-2的钝角顶点处铰接构成可展剪式单元9，顶点连接后两个三角形8-1、8-2可以绕铰接的钝角顶点相互转动。三角形的锐角节点可与下一个剪式单元连接；第二剪式单元10采用两个尺寸相同的三角形8-3连接，连接方式与第一剪式单元9类似，即“在两个所述三角形的钝角顶点处铰接构成可展剪式单元，顶点连接后两个所述三角形可以绕铰接的钝角顶点相互转动；所述三角形的锐角节点可与下一个剪式单元连接”，连接三角形8-3的对应钝角顶点，其它的锐角节点可与其他的剪式单元锐角节点连接。剪式单元(第一剪式单元9和第二剪式单元10)可以绕着中间的节点向一侧收缩，剪式单元相互折叠而收缩(收缩过程见图3和图4)，依靠这种方式实现平面内的收缩。将第一剪式单元9和第二剪式单元10的锐角节 点铰接连接，即可拼合形成一个完整的主拱肋1。当面对不同跨度的需要时，保证主拱肋两端为第一剪式单元9，调节中间的第二剪式单元10的数量，便可以实现桥梁跨度的改变，从容面对各种桥跨需求。

一种实施例中，其中三角形单元的杆件采用箱型截面，尺寸为50×80×6×4。两个主拱肋之间的拱顶水平支撑2-1采用φ38×2.5的圆管，拱顶斜向支撑2-2采用φ32×3.5的圆管。

图3是可展拱桥的主拱肋1的半收缩示意图。图中表示了剪式单元相对转动(即三角形单元的相互张开)，主拱肋半收缩的状态。图中的剪式单元相互铰接，可看出主拱肋1由第二剪式单元10和第一剪式单元9组成。其中两端采用相同的第一剪式单元9-1和9-2，中间采用相同的四个第二剪式单元10-1、10-2、10-3、10-4。

图4是可展拱桥的主拱肋1的完全收缩示意图。图中的剪式单元相对转动至完全收缩(即三角形单元的相互张开至最大)，主拱肋完全收缩。主拱肋两端采用相同的第二剪式单元10-1和10-2，中间采用相同的四个第一剪式单元10-1、10-2、10-3、10-4。

图5是桥面板4半收缩状态示意图。可展桥面4与刚性横梁6通过合页5连接(合页5的芯轴中留设有圆孔道，刚性横梁6从圆孔道中穿过)，故相互可以转动。一种实施例中，刚性横梁6的尺寸为φ70×5.0。每段可展桥面板4之间通过合页5连接，两个可展桥面板像两扇门一样被合页5连接，合页的铰接构造使可展桥面完成分段的折叠进而达到伸缩目的。桥面宽度在满足通行汽车轮胎宽度的情况下，可以不用布满桥面。

图6是可展拱桥的半收缩示意图。图6表示了主拱肋1和桥面板4一起到达半收缩的状态。主拱肋1通过剪式单元的相对转动而收缩(转动机理如图3和图4所示)。桥面板4相互折叠而收缩(折叠机理如图5所示)，由桥面活合页套管5、刚性横梁6连接的相邻桥面板相互叠合收缩。在可展桥收缩之前需要拆卸拱顶斜向支撑2-2，收缩过程中只包含拱顶水平支撑2-1；同理，展开后要二次安装拱顶斜向支撑2-2。

图7是可展拱桥的完全收缩示意图。图中表示了主拱肋1和桥面板4一起到达完全收缩的状态。主拱肋1通过剪式单元的相对转动缩小至最小体积。桥面板4也相互折叠至最小。拱顶斜向支撑2-2在可展桥梁展开后二次施工安装，即在桥梁完全展开后借助螺栓将支撑端部与可展拱圈如图所示节点连接。

图8是三角形单元连接形成剪式单元的连接节点示意图(俯视)。两个三角形单元8-3端部留置孔洞，孔洞中穿过销轴12，通过螺母13和安全销10固定，螺母13和三角形单元8-3之间垫上5毫米厚的弹簧垫片。两个三角形单元8-3通过这样的连接组成了剪式单元10。这样的连接保证了两个三角形单元8-3之间可以在桥长方向的平面内转动，保证主拱肋的稳定运动。

图9是图8中所示1-1剖面的详图。

图10是可展桥面4与柔性吊杆3和刚性横梁6连接节点示意图(侧视)。沿桥长方向的可展桥面4在端部焊接留置孔洞的耳板13，耳板13的孔洞中穿过沿桥宽方向的刚性横梁6，桥面梁间垫上6毫米厚耳板，这样可以保证桥面梁能绕刚性横梁自由转动，实现桥面伸缩。穿过孔洞的刚性横梁6与柔性吊杆3通过全透焊接连在一起。

图11是图10中所示2-2剖面的详图，即该连接节点的俯视图。

综上，本实用新型一种可展拱式桥梁，可展桥的两榀拱肋1都可在平面内伸缩。收缩时需要在拱肋一端控制端部三角形单体8-1和8-2之间的相对角度即可实现拱桥的伸展与收缩。可展桥面4与拱肋1通过柔性吊杆3连接，同步伸缩。桥面板4收缩时采用相互折叠的方式，具体的折叠方式见图5，保证与拱肋的同步折叠。需要注意的是，在收缩前要拆卸拱顶斜向支撑2-2。

相比常规装配式救灾桥梁，本实用新型的拱桥外形受力更加合理，材料利用率高。结构展开速度远远大于桥梁装配速度，且施工方便快捷，无需大型机械进场协助。尤其适用于解决地震灾区道路桥梁受损，交通阻断给救援工作带来的难题，使紧急情况下的车辆、物资迅速跨越障碍。本实例中三角形单元8的边长和角度可以根据实际应用的情况作出调整。桥梁的跨度不同，三角形单元8的高宽比可以不同，进而三角形的个数也要作出调整。当可展桥梁的运用情况不同时，荷载工况不同，都可以对三角形单元的形状以及构件的尺寸作出调整，来适应不同的应用要求。

上述对实施例子的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。