專利名稱：大跨度梁體結構及設計方法
技術領域：
本發明涉及一種大跨度梁體結構及其設計方法，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構及其設計方法。
眾所周知，大跨度梁體的應用范圍是很廣泛的，它可用于建筑方面，如室內體育館的頂梁，大跨度無柱式組裝廠房，如大型飛機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制結構梁架。現有技術中的梁體一般包括鋼筋水泥梁及鋼結構梁，其中鋼結構梁可作成較大跨度，它是由鋼架彼此鉚接，拴接或焊接構成的。這種大跨度鋼梁的不足之處在于安裝速度慢，一般需在現場將分段組裝好的鋼結構架或單體的基本構件用螺拴或鉚釘等連接成整體的梁體;此外，這種鋼梁組裝后是不能伸縮的，如一個大跨度鋼梁分幾段組裝，然后再運到現場總體組裝，由于鋼梁段不能縮短，因而體積大，給運輸及吊裝帶來不便;再從國防上考慮，在戰爭中往往需要迅速架設大跨度橋梁，以便爭取時間取得勝利，為此使用傳統的大跨度鋼梁是不能滿足要求的。
因此，本發明的目的在于提供一種新型的大跨度梁體結構及其設計方法，該梁體結構可以克服傳統大跨度鋼梁的上述種種缺點，它在組裝后可以根據需要進行伸長或縮短，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輸及吊裝簡便，其跨度可超過傳統的大跨度鋼梁，不但可用于永久性的建筑及橋梁，而且還可用于臨時性的建筑及橋梁，實現快速的安裝。
本發明的上述任務是這樣來實現的采用一種大跨度梁體結構，它是由多個桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于，該梁體結構至少由一個單元組成，構成梁體單元的每個所述桿件是等長度及相同截面的，在每個所述桿件上具有m個螺栓連接點，這些連接點將每個所述桿件的長度分成m-1個線段，各個所述桿件上的對應線段相等，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，其中一個桿件組(前或后桿件組)中的每個桿件的上m個連接點中的每個連接點分別與另一桿件組(后或前桿件組)中m個依次排列的不同桿件上的對應連接點相連接。
并且本發明還提供了這種大跨度梁體結構的設計方法，該方法分下列的步驟Ⅰ)首先根據工程要求確定梁體跨度及梁體高度;
Ⅱ)根據所需實際坡度或拱型梁底高度(尤其對于橋梁)選定曲率;
Ⅲ)根據實際負荷選擇桿件材料及截面大小，根據梁體穩定性要求選擇連接點數目，再通過應力計算最后確定出桿件的數目，長度及螺栓的材料與直徑。
為了對本發明的大跨度梁體的各種構型及優點作更深入的了解，下面將借助于附圖對本發明的優選實施例作詳細說明。其附圖為
圖1根據本發明的大跨度梁體結構一個優選實施例的局部示意圖，用以說明本發明的原理;
圖2上述梁體結構中桿件連接點的設置與梁本曲率之間的關系曲線;
圖3到5本發明的大跨度梁體結構的另一優選實施例，其中圖3表示該梁體結構完全收縮的狀態，圖4表示該梁體張開的一個中間位置，圖5表示梁體安裝到位時的狀態;
圖6根據本發明的梁體設計過程中選擇參數的圖。
圖1是本發明的大跨度梁體結構的一個優選實施例的示意圖，圖中僅表示出該梁體結構中一個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，實際上前后桿件都是等長度相同截面的桿件，這樣的多個桿件是利用螺栓在各個連接點上相互連接形成一個梁體單元的。在每個桿件上具有m個螺栓連接點，圖示的例中m＝4，即自上至下的a，b，c，d四個連接點，這些連接點就是桿件上用來穿過螺栓的孔，它們將桿件分成m-1＝3個線段，由上至下各段線分別長為H3，H2，H1，各個桿件上這些對應的線段相等，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′…，其中一個桿件組中的每個桿件上的m個連接點中的每個連接點分別地與另一個桿件組中m個依次排列的不同桿件的對應連接點相連接，例如，前桿件組中桿件3上的各個連接點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′中的各相應的連接點a1′，b2′，c3′，d4′相連接。
由上述的特征構成的梁體結構單元的頂部各點a1，a2，a3，a4…的軌跡及下部各點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度增強了，因而可以作成大跨度的梁體。
此外，由圖1可以看到，其中點劃線r經過點a1及c2，這時由a1，b1，c2組成的三角形△a1b1c2與a1，b2，c2組成的三角形△a1b1c2相對于線段r形成軸對稱，并且點d2與d3也相對于r形成軸對稱，由此可見，當桿件1與3′所夾的頂角α減小或擴大時，這種軸對稱關系依然保持，因此這種梁體結構是可以收縮和擴展的。
圖2表示桿件連接點的設置變化與梁體曲率之間的關系曲線，其橫座標X＝C2-C1(C2＝H3-H2，C1＝H2-H1)增加時，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H3＝H2＝H1時，有C2-C1＝0，這時K＝0，說明該梁體此時為水平梁體。
上述梁體結構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，高強度輕質合金，如鋁合金，或用高強度的人造材料，如高強度玻璃鋼。所述桿件中的連接點m應大于或等于3，從理論上講，其上限沒有限制，但由實際試驗表明，連接點取3至5為佳。
圖3至圖5表示本發明的大跨度梁體結構的另一優選實施例，它是用作一個能伸縮的并可快速安裝的拱型橋梁的一個梁體單元，該拱型橋梁是由多個這種梁體單元并列構成的。圖3是該橋梁體單元收縮到最短距離時的狀況，由該圖可以看到，該梁體單元的基本結構與圖1中的相同。另外還在梁體的兩端設有端部連接件A，B，為了便于收縮及展開，這些端部連接件僅與兩端的某個桿件固定在一起，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，以增加強度。這個梁體單元中的桿件是由鋼材、如槽鋼作成的。在每個桿件的頂部均設有可轉動的頂板P，它們也是用其下端的連接點與桿件上部的連接點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，其長度略大于該梁體單元安裝到位后(見圖5)兩個相鄰桿件頂部連接點之間的距離。前桿件的頂板朝一個方向(如圖中順時針方向)轉動，后桿件的頂板則向另一方向(圖中所示的逆時針方向)轉動，以便在安裝到位后由這些頂板形成該梁體的與負載接觸的頂面。圖4是該橋梁體單元在吊裝過程中張開到的一個中間狀態，由該圖可見，如果吊裝時對底部的E及F點施以向上的力時，該橋梁體單元會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處應設有拉索，該拉索可用一棘輪機構逐漸放開。當該橋梁單元伸展到額定跨度時，將所有的連接點上的螺栓擰緊及在相鄰的下連接點之間設置拉桿，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，對于固定永久橋梁，每個連接點(包括上頂板兩端處)將用焊接加固，并且各個并列的梁體單元之間焊接連接成體，方能允許載荷。
這樣并列設置的多個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合，如在國防中使用。另一種實施形式是將這樣的橋梁體單元以一定間隔放置，再在其上鋪設橋面板，橋面板可使用一定厚度的鋼板，它們可用螺栓與橋梁體單元的頂板相互連接，進行安裝。相似地，這樣結構的大跨度梁體單元也可用于建筑上，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頂部蓋板。
現在來說明本發明的大跨度梁體結構的設計方法。該方法分以下步驟Ⅰ)首先根據工程要求確定梁體跨度及梁體高度;
Ⅱ)根據所需實際坡度或拱型梁氏高度(尤其是對于橋梁)選定曲率;
Ⅲ)根據實際負荷選擇桿件材料及截面大小，根據穩定性要求選擇連接點數目，再通過應為計算最后確定出桿件的數目，長度以及螺栓的材料與直徑。
為了更進上步地了解這些步驟，現在借助圖6來說明，假如要在S，T兩點之間架設橋梁，實際上就表明了該橋梁體結構的跨度至少應為S，T兩點間的距離。再由橋洞要求的高度h，可以根據公式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的曲徑半徑為R＝r+H。接著根據橋梁的實際負荷并考慮加上梁體的自重(先預設一個自重，最后再校核)選擇桿件材料及截面大小，這種選擇的依據是以預先的試驗及計算為基礎的。
根據穩定性確定連接點的數目也是以試驗為基礎的，例如所選桿件為型號20b至22a的槽鋼時，根據穩定性試驗當跨度小于200米時，一般采用3個連接點的方式，當跨度在200米與500米之間時采用4個或5個連接點方式;當跨度大于500米或有特殊要求時采用5個連接點方式。
現在假定該橋梁跨度ST＝100米，則選用3個連接點形式。桿件的數目及長度可用試算的方法如下地確定即先選取一個桿件數n，這時將上弧線U分成n個等份，再由各劃分點U0，U1，…Un與曲率中心O連接，交下弧線V與V0，V1，…Vn點，連接U0，V1;U1，V2，…UUn-1，Vn及U1，V0;U2，V1;…Un，Vn-1;即得到這個梁體單元的桿件分布結構圖，由此就求得桿件的長度，即為Un-1，Vn之間的距離。(對于5連接點方式，則連接Un-2，Vn及UnVn-2，余類推;對于連接點為偶數時，需在下弧線V上作出V0，V1，…n各點之間的中點，這些中點將為桿件的下端)。
最后作應力校核計算，如果對危險截面(如拱型梁中間截面)所求得的桿件彎曲應力及螺栓的剪切應力均大于所選桿件與螺栓的額定應力時，則就要增加桿件數目及重新選擇螺栓參數(反之，減小桿件數目)，再通過相同的計算步驟最后確定出桿件的數目，長度及螺栓參數。
作為實際的例子，在負荷為1000kg/cm2的情況下，對跨度為50M至500M的本發明大跨度梁體結構作出了計算，其計算結果如下所示
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梁體單元(每單元梁體是等曲率的)以拼接的方式來實施。這時為了便于整個梁體的收縮，在各單元交界處的桿件上設置長孔形式的連接點。
必須指出，以上的實施例主要用于說明本發明的構思，對于該領域的技術人員來說，在本發明的構思之下，顯然還可作出一些改型，例如該拱型梁體是可以伸縮的，因而就可以在此基礎上設計出通過動力裝置調整拱長及拱底高度的橋梁，所有這些變型均應在本發明的被保護范圍之內。
本發明的大跨度梁體結構的重要意義和優點舊結如下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，對加快建筑，交通，體育及國防事業的建設及降低工程成本有極大價值;
2)對橋梁而言，采用本發明的大跨度梁體結構，可節省橋墩柱數目，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)在國防上，例如在戰爭時，可根據需要在戰區迅速建起多座橋梁，這些臨時戰備橋在戰后既便于拆除，又便于加固形成永久橋;
4)本發明的大跨度梁體在100M以內的跨度時，可使用動力裝置調整拱長，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)本發明的大跨度梁體作成的橋梁在遇到地質變化，如地震后遇到某些程度的破壞時，可施加橋梁補救方法。
6)本發明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值。
7)此外，本發明的大跨度梁體還適用于作城市簡便立交橋，不但占地少，而且施工特別快。
權利要求
1.一種大跨度梁體結構，它是由多個桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于該梁體結構至少由一個單元組成，構成梁體單元的每個所述桿件是等長度及相同截面的，在每個所述桿件上具有m個螺栓連接點，這些連接點將每個所述桿件的長度分成m-1個線段(H3，H2，H1)，各個所述桿件上的對應線段相等，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′，……)，其中一個桿件組(前或后桿件組)中的每個桿件上的m個連接點中的每個連接點分別與另一桿件組(后或前桿件組)中m個依次排列的不同桿件上的對應連接點相連接。
2.根據權利要求1所述的大跨度梁體結構，其特征在于所梁體結構中的桿件可為矩形，槽形和角形的，其材料視用途定可用鋼材，高強度輕質合金，如鋁合金，或用高強度人造材料，如高強度玻璃鋼。
3.根據權利要求1所述的大跨度梁體結構，其特征在于其中所述桿件的連接點m應大于或等于3，即m≥3，并且m取3至5為佳。
4.根據權利要求1所述的大跨度梁體結構，其特征在于在所每個桿件的頂部均設有可轉動的頂板(P)，它們用其下端的連接點與桿件上部的連接點借助螺栓相互連接，它們是截面為矩形、槽形或角形的材料作成的，其長度略大于所述梁體單元安裝到位后，兩個相鄰桿件頂部連接點之間的距離，前桿件的頂板朝一個方向(如順時針方向)轉動，后桿件的頂板則向另一方向(如逆時針方向)轉動，以便在安裝到位后由這些頂板形成該梁體的與負載接觸的頂面。
5.根據權利要求4所述的大跨度梁體結構，其特征在于該梁結構是由多個所述梁體單元并列設置組成的。
6.根據權利要求4所述的大跨度梁體結構，其特征在于所述梁體單元以一定間隔放置，再在其中鋪設頂板件，這些頂板件可用螺栓與梁體單元的頂板相互連接，進行安裝。
7.根據權利要求1或4所述的大跨度梁體結構，其特征在于該梁體結構可采用彼此曲率不同的多個梁體單元以拼按的方式組成變曲率梁，其中每單元梁體是等曲率的，為了便于整個梁體的收縮，在各單元交界處的桿件上設置長孔形式的連接點。
8.根據權利要求1或4所述的大跨度梁體結構，其特征在于所述梁體單元可以通過動力裝置調整梁體長度及梁體底的高度。
9.一種大跨度梁體結構的設計方法，其特征在于該方法包括以下的步驟ⅰ)首先根據工程要求確定梁體跨度及梁體高度;ⅱ)根據所需實際坡或拱型梁底高度(尤其是對于橋梁)選定曲率;ⅲ)根據實際負荷選擇桿件材料及截面大小，根據穩定性要求選擇連接點數目，再通過應力計算最后確定出桿件的數目、長度以及螺栓的材料與直徑。
全文摘要
本發明涉及一種新型的大跨度梁體結構及其設計方法，該梁體結構是由多個桿件通過螺栓相互連接而成的，其特征在于，所述的桿件是等長度及相同截面的，每個桿件上具有m個連接點，它們將所述桿件長度分成m-1個線段，各個桿件上對應線段相等，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，其中一個桿件組中的每個桿件上的m個連接點中的每個連接點分別與另一桿件組中m個依次排列的不同桿件上的對應連接點相連接。
文檔編號E04C3/40GK1076237SQ9310210
公開日1993年9月15日 申請日期1993年3月3日 優先權日1993年3月3日
發明者于漢榮 申請人:于漢榮