一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的製作方法

2023-05-15 15:21:01 1

本實用新型屬於橋梁技術領域，具體是涉及一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁。

背景技術：

梁橋、拱橋、索橋分別是不同的橋梁結構形式，其受力特點各有不同。其中梁橋以主梁的受彎為主、拱橋以拱肋的受壓為主、索橋以索的受拉為主。拱橋和索橋跨越能力均大於梁橋，得益於其更能充分發揮材料的性能。但以受壓為主的拱橋會在拱腳處產生水平推力，建造大跨度拱橋需要較好的地質條件，使基礎能夠抵抗拱腳處的水平推力。系杆拱可以解決拱腳處水平推力的問題，通過系杆連接橋兩端拱腳，通過系杆的受拉與拱腳推力相平衡。但系杆所起的作用僅僅是平衡拱腳處水平力，對結構的承載能力毫無幫助，造成材料的極大浪費。

懸索橋是以主纜受拉為主要受力構件的橋梁，懸索橋能充分發揮鋼材抗拉強度，跨越能力大，大跨度懸索橋主纜內力較大，需要建造錨碇來平衡主纜拉力。小跨徑的懸索橋可採用自錨式，將主纜錨固在主梁上，使主梁受壓，若主纜內力過大，則主梁受力較為不利。為減小主梁受壓，自錨式懸索橋主纜通常採用較大垂跨比以減小主纜水平力分力。

可以看出，拱橋會對外部產生推力，懸索橋會對外部產生拉力，若通過結構自身解決(採用系杆拱或自錨式懸索橋)，也存在一定缺點，造成材料浪費或結構受力不利。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服上述現有技術中的不足，提供一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁。該組合式自平衡橋梁結合了拱、索受力特點，拱、索、梁三者的水平力處於自平衡狀態，不需要外部的水平向約束，不對外部產生推力或拉力。

為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是：一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：包括主梁結構、鋪裝在所述主梁結構上的橋面、設置在主梁結構上方的兩個拱圈和設置在主梁結構下方的兩個主索，所述主梁結構的一端設置有用於對其支撐的第一支座，所述主梁結構的另一端設置有用於對其支撐的第二支座，所述拱圈的一端固定在主梁結構的一端，所述拱圈的另一端固定在主梁結構的另一端，所述主索的一端固定在主梁結構的一端，所述主索的另一端固定在主梁結構的另一端，所述主梁結構通過吊索與拱圈連接，所述主索通過撐杆與主梁結構連接，所述撐杆的上端與主梁結構相鉸接，所述撐杆的下端與主索相鉸接。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述主梁結構包括多個縱梁和多個橫梁，所述縱梁的一端與第一支座連接，所述縱梁的另一端與第二支座連接，多個所述縱梁依次拼接，所述橋面鋪裝在所述縱梁上，多個所述橫梁連接在所述縱梁上且沿縱梁的延伸方向間隔布設，所述吊索的下端與橫梁的端部相連接，所述撐杆的上端與橫梁的端部相連接。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述縱梁為T形梁，所述橫梁穿過所述縱梁的腹板。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述主梁結構包括兩個縱梁和設置在兩個縱梁之間的多個橫梁，所述橫梁的一端與一個縱梁相連接，所述橫梁的另一端與另一個縱梁相連接，所述縱梁的一端與第一支座連接，所述縱梁的另一端與第二支座連接，多個所述橫梁上鋪裝有橋面板，所述橋面鋪設在所述橋面板上，所述吊索的下端與縱梁相連接，所述撐杆的上端與縱梁相連接。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述主索通過傾斜布設的穩定杆與主梁結構相連接，所述穩定杆的上端與主梁結構相鉸接，所述穩定杆的下端與主索相鉸接。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述主索上設置有用於與撐杆下端相鉸接的鉸接接頭，所述主梁結構上設置有用於與撐杆上端相鉸接的鉸接支座。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述撐杆的下端設置有兩個相互平行的下護板，所述下護板上開設有下銷孔，所述撐杆的上端設置有兩個相互平行的上護板，所述上護板上開設有上銷孔；所述鉸接接頭包括上卡板和與所述上卡板相拼接以將主索夾持的下卡板，所述上卡板的一側面設置有第一上連接板，所述上卡板的另一側面設置有第二上連接板，所述下卡板的一側面設置有第一下連接板，所述下卡板的另一側面設置有第二下連接板，所述第一上連接板和第一下連接板通過第一螺栓連接，所述第二上連接板和第二下連接板通過第二螺栓連接，所述上卡板上設置有用於插入兩個下護板之間的襯板，所述襯板上開設有鉸接孔，所述下護板和襯板通過穿過所述下銷孔和鉸接孔的下銷軸相連接；所述鉸接支座包括用於伸入兩個所述上護板之間的墊板，所述墊板上開設有連接孔，所述上護板和墊板通過穿過所述上銷孔和連接孔的上銷軸相連接。

上述的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，其特徵在於：所述第一上連接板上設置有多個第一上凹口和多個第一上凸起，所述第二上連接板上設置有多個第二上凹口和多個第二上凸起，所述第一上凹口和第一上凸起在第一上連接板上呈交錯布設，所述第二上凹口和第二上凸起在第二上連接板上呈交錯布設；所述第一下連接板上設置有多個供第一上凸起一一對應卡入的第一下凹口和多個用於一一對應卡入第一上凹口的第一下凸起，所述第一下凹口和第一下凸起在第一下連接板上呈交錯布設，所述第二下連接板上設置有多個供所述第二上凸起一一對應卡入的第二下凹口和多個用於一一對應卡入所述第二上凹口的第二下凸起，所述第二下凹口和第二下凸起在第二下連接板上呈交錯布設。

本實用新型與現有技術相比具有以下優點：

1、本實用新型主索的拉力既起到平衡拱圈拱腳推力的作用，又起到了承擔恆載和活載的作用，充分發揮了主索的材料性能。

3、本實用新型主索的拉力能夠將拱圈拱腳的壓力平衡掉，主索富餘的拉力會傳遞給縱梁，能夠使縱梁處於適度受壓狀態，從而可以使主梁結構的彎矩減小，使得縱梁的梁截面能夠減小，減小結構自重，有利於預製工廠化施工。

4、本實用新型的拱圈、主梁結構和主索共同受力，結構冗餘度高，結構整體安全性較高，單個構件的失效不會造成整個結構的破壞，也為構件的檢修、更換提供了方便。

5、本實用新型通過布設穩定杆，能夠對主索進行有效的定位，避免主索在風力的作用下沿橫梁延伸方向的產生搖晃，從而確保主索承受荷載的能力不會因為風力的原因而造成影響。

6、本實用新通過設置鉸接接頭，能夠快速、有效的實現撐杆與主索的鉸接連接，通過設置鉸接支座，能夠快速、有效的實現撐杆與主梁結構的鉸接連接。

7、本實用新型通過對鉸接接頭的特殊設計，能夠使得撐杆和主索有效、快速的連接起來，一方面方便了施工安裝，另一方面能夠確保撐杆與主索的連接強度。

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本實用新型橋梁實施例1的結構示意圖。

圖2為圖1中的A-A剖視圖。

圖3為圖2中的B-B剖視圖。

圖4為本實用新型橋梁實施例1中撐杆的結構示意圖。

圖5為圖4的左視圖。

圖6為本實用新型橋梁實施例1中鉸接接頭的結構示意圖。

圖7為本實用新型橋梁實施例1中鉸接接頭上卡板的結構示意圖。

圖8為本實用新型橋梁實施例1中鉸接接頭下卡板的結構示意圖。

圖9為本實用新型橋梁實施例1中鉸接支座與主梁結構的連接關係示意圖。

圖10為用於施工本實用新型的方法流程圖。

圖11為本實用新型實施例2中主梁結構的結構示意圖。

附圖標記說明:

1—拱圈； 2—吊索； 3—主梁結構；

3-1—縱梁； 3-2—橫梁； 4—第一支座；

5—第一橋墩； 6—撐杆； 6-1—下護板；

6-2—上護板； 6-3—下銷孔； 6-4—上銷孔；

7—主索； 8—第二橋墩； 9—第二支座；

10—穩定杆； 11—鉸接接頭； 11-1—上卡板；

11-2—下卡板； 11-3—第一上連接板； 11-3-1—第一上凹口；

11-3-2—第一上凸起； 11-4—第二上連接板； 11-5—第一下連接板；

11-5-1—第一下凹口； 11-5-2—第一下凸起； 11-6—第二下連接板；

11-6-1—第二下凹口； 11-6-2—第二下凸起； 11-7—第一螺栓；

11-8—第二螺栓； 11-9—襯板； 11-10—鉸接孔；

12—鉸接支座； 12-1—墊板； 12-2—連接孔。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示的一種拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁，包括主梁結構3、鋪裝在所述主梁結構3上的橋面、設置在主梁結構3上方的兩個拱圈1和設置在主梁結構3下方的兩個主索7，所述主梁結構3的一端設置有用於對其支撐的第一支座4，所述主梁結構3的另一端設置有用於對其支撐的第二支座9，所述拱圈1的一端固定在主梁結構3的一端，所述拱圈1的另一端固定在主梁結構3的另一端，所述主索7的一端固定在主梁結構3的一端，所述主索7的另一端固定在主梁結構3的另一端，所述主梁結構3通過吊索2與拱圈1連接，所述主索7通過撐杆6與主梁結構3連接，所述撐杆6的上端與主梁結構3相鉸接，所述撐杆6的下端與主索7相鉸接。

本實施例中，所述第一支座4安裝在第一橋墩5的上端，所述第二支座9安裝在第二橋墩8的上端。

如圖2和圖3所示，所述主梁結構3包括多個縱梁3-1和多個橫梁3-2，所述縱梁3-1的一端與第一支座4連接，所述縱梁3-1的另一端與第二支座9連接，多個所述縱梁3-1依次拼接，所述橋面鋪裝在所述縱梁3-1上，多個所述橫梁3-2連接在所述縱梁3-1上且沿縱梁3-1的延伸方向間隔布設，所述吊索2的下端與橫梁3-2的端部相連接，所述撐杆6的上端與橫梁3-2的端部相連接。

本實施例中，該拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的受力情況是，橋面系的恆載及活載直接由縱梁3-1承擔，縱梁3-1將荷載傳遞給縱梁3-1梁端的第一支座4、第二支座9以及橋中間的橫梁3-2。橫梁3-2兩端橋面以上由吊索2將荷載傳遞給拱圈1，使拱圈1處於受壓狀態，同時在拱圈1的拱腳處產生向外的推力(如圖1中的F和F』)。另外，橫梁3-2兩端在橋面以下通過撐杆6將荷載傳遞給主索7，使主索7受拉。由於主索7的拉力(如圖1中的F1和F2)和拱圈1拱腳的壓力方向相反，於是，主索7的拉力能夠將拱圈1拱腳的壓力平衡掉，主索7富餘的拉力會傳遞給縱梁3-1，能夠使縱梁3-1處於適度受壓狀態，從而可以使主梁結構3的彎矩減小，使得縱梁3-1的梁截面能夠減小，減小結構自重，有利於預製工廠化施工。並且，由於主索7的拉力既起到平衡拱圈1拱腳推力的作用，又起到了承擔恆載和活載的作用，充分發揮了主索7的材料性能。

本實施例中，該拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的拱圈1、主梁結構3和主索7共同受力，結構冗餘度高，結構整體安全性較高，單個構件的失效不會造成整個結構的破壞，也為構件的檢修、更換提供了方便。

本實施例中，所述縱梁3-1為T形梁，所述橫梁3-2穿過所述縱梁3-1的腹板。通過採用T形梁作為縱梁3-1，並將橫梁3-2穿過縱梁3-1的腹板的連接方式，使縱梁3-1和橫梁3-2能夠有效的、牢固的連接在一起。

如圖2所示，所述主索7通過傾斜布設的穩定杆10與主梁結構3相連接，所述穩定杆10的上端與主梁結構3相鉸接，所述穩定杆10的下端與主索7相鉸接。

本實施例中，通過布設穩定杆10，能夠對主索7進行有效的定位，避免主索7在風力的作用下沿橫梁3-2延伸方向的產生搖晃，從而確保主索7承受荷載的能力不會因為風力的原因而造成影響。

本實施例中，所述主索7上設置有用於與撐杆6下端相鉸接的鉸接接頭11，所述主梁結構3上設置有用於與撐杆6上端相鉸接的鉸接支座12。通過設置鉸接接頭11，能夠快速、有效的實現撐杆6與主索7的鉸接連接，通過設置鉸接支座12，能夠快速、有效的實現撐杆6與主梁結構3的鉸接連接。

如圖4和圖5所示，所述撐杆6的下端設置有兩個相互平行的下護板6-1，所述下護板6-1上開設有下銷孔6-3，所述撐杆6的上端設置有兩個相互平行的上護板6-2，所述上護板6-2上開設有上銷孔6-4。

結合圖4、圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示，所述鉸接接頭11包括上卡板11-1和與所述上卡板11-1相拼接以將主索7夾持的下卡板11-2，所述上卡板11-1的一側面設置有第一上連接板11-3，所述上卡板11-1的另一側面設置有第二上連接板11-4，所述下卡板11-2的一側面設置有第一下連接板11-5，所述下卡板11-2的另一側面設置有第二下連接板11-6，所述第一上連接板11-3和第一下連接板11-5通過第一螺栓11-7連接，所述第二上連接板11-4和第二下連接板11-6通過第二螺栓11-8連接，所述上卡板11-1上設置有用於插入兩個下護板6-1之間的襯板11-9，所述襯板11-9上開設有鉸接孔11-10，所述下護板6-1和襯板11-9通過穿過所述下銷孔6-3和鉸接孔11-10的下銷軸相連接；所述鉸接支座12包括用於伸入兩個所述上護板6-2之間的墊板12-1，所述墊板12-1上開設有連接孔12-2，所述上護板6-2和墊板12-1通過穿過所述上銷孔6-4和連接孔12-2的上銷軸相連接。

本實施例中，通過對鉸接接頭11的特殊設計，能夠使得撐杆6和主索7有效、快速的連接起來，一方面方便了施工安裝，另一方面能夠確保撐杆6與主索7的連接強度。

如圖6、圖7和圖8所示，所述第一上連接板11-3上設置有多個第一上凹口11-3-1和多個第一上凸起11-3-2，所述第二上連接板11-4上設置有多個第二上凹口和多個第二上凸起，所述第一上凹口11-3-1和第一上凸起11-3-2在第一上連接板11-3上呈交錯布設，所述第二上凹口和第二上凸起在第二上連接板11-4上呈交錯布設；所述第一下連接板11-5上設置有多個供第一上凸起11-3-2一一對應卡入的第一下凹口11-5-1和多個用於一一對應卡入第一上凹口11-3-1的第一下凸起11-5-2，所述第一下凹口11-5-1和第一下凸起11-5-2在第一下連接板11-5上呈交錯布設，所述第二下連接板11-6上設置有多個供所述第二上凸起一一對應卡入的第二下凹口11-6-1和多個用於一一對應卡入所述第二上凹口的第二下凸起11-6-2，所述第二下凹口11-6-1和第二下凸起11-6-2在第二下連接板11-6上呈交錯布設。

本實施例中，所述第一上連接板11-3上的第一上凹口11-3-1與第一下連接板11-5上的第一下凸起11-5-2卡接配合，所述第一上連接板11-3上的第一上凸起11-3-2與第一下連接板11-5上的第一下凹口11-5-1卡接配合，同理，所述第二上連接板11-4上的第二上凹口與第二下連接板11-6上的第二下凸起11-6-2卡接配合，所述第二上連接板11-4上的第二上凸起與第二下連接板11-6上的第二下凹口11-6-1卡接配合。通過這種凹口和凸起的卡接配合，能夠在安裝鉸接接頭11時，使得上卡板11-1上供第一螺栓11-7穿過的螺栓孔和下卡板11-2上供第一螺栓11-7穿過的螺栓孔能夠快速對齊，同理，也能使得上卡板11-1上供第二螺栓11-8穿過的螺栓孔和下卡板11-2上供第二螺栓11-8穿過的螺栓孔能夠快速對齊，從而提高了鉸接接頭11的安裝速度，進而提高了撐杆6與主索7的連接速度。

如圖10所示，本實施例還提供了拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的一種施工方法，包括以下步驟：

步驟一、橋臺或橋墩施工；

步驟二、支座施工：在一側橋臺或橋墩上設置第一支座4，在另一側橋臺或橋墩上設置第二支座9；

步驟三、主梁結構施工3：在所述第一支座4和第二支座9之間設置主梁結構3，使所述主梁結構3的一端支撐在所述第一支座4上，使所述主梁結構3的另一端支撐在所述第二支座9上；

步驟四、拱圈1施工：在所述主梁結構3上方設置兩個拱圈1，並使所述拱圈1的一端固定在所述主梁結構3的一端，使所述拱圈1的另一端固定在所述主梁結構3的另一端；

步驟五、吊索2施工：在所述拱圈1與主梁結構3之間設置多個吊索2，並使所述吊索2的上端與所述拱圈1固定連接，使所述吊索2的下端與所述主梁結構3固定連接；

步驟六、橋面施工：在所述主梁結構3上鋪裝橋面；

步驟七、張拉吊索2，張拉吊索2時包括以下具體步驟：

步驟701、吊索2張拉力計算：擬定成橋時吊索2的索力ti，成橋時主索7的索力F，並計算吊索2的索力ti改變與主索7的索力F變化之間的關係，假設當吊索2的索力改變量為δti時，則引起主索7的索力改變量為δF，建立以下關係式：

令ΔT＝[δt1,δt2…δti]，A＝[a1,a2…ai]T，則上式可寫為ΔTA＝δF，根據有限元模型依次改變各吊索2的索力，並根據吊索2的索力改變量δti與主索7的索力改變量δF的關係，可逐個求得吊索2的索力對主索7索力的影響係數ai，最終求得吊索2索力對主索7索力的影響矩陣A；

按照公式T＝T0+ΔT確定吊索2的張拉力T，

其中，T0＝[t1,t2…ti]為設計時確定的成橋狀態下的吊索索力，為已知

量，另外，ΔT可由下式求得：

ΔT＝[δt1,δt2…δti]＝FA-1

其中F為設計時確定的成橋階段主索索力，為已知量，於是可以通過上式T＝T0+ΔT求得吊索的張拉力T；

步驟702、根據吊索2的張拉力T，對每根吊索2進行張拉；

步驟八、主索7施工：在所述主梁結構3下方安裝兩個主索7，並使所述主索7的一端固定在所述主梁結構3的一端，所述主索7的另一端固定在所述主梁結構3的另一端，同時確保主索7張緊，使主索7的索力為零；本步驟中，通過對主索7施加微小的張拉力，進而確保主索7的索力接近零或等於零；

步驟九、撐杆6施工：在所述主索7和主梁結構3之間設置撐杆6，並使所述撐杆6的上端與主梁結構3相鉸接，使所述撐杆6的下端與主索7相鉸接；

步驟十、釋放吊索2索力：釋放每個吊索2的索力，吊索2索力釋放量等於ΔT，此時吊索索力由T0+ΔT降為T0，而主索7的索力則由零自動增加至F；

至此，所述吊索2和主索7均達到了預定的受力狀態。

本實施例中，該施工方法能夠通過吊索2索力對主索7的索力進行有效的調節，由於主索7的索力遠大於吊索2的索力，因此通過張拉主索7來達到既定的主索7索力在實際施工時非常困難。而該施工方法可以解決張拉巨大的主索7所帶來的施工困難，僅對主索7施加一個使其張緊的初拉力。再通過釋放吊索2索力來使主梁結構3的荷載分配到主索7上，從而使吊索2與主索7均達到預定的受力狀態，使橋梁達到合理成橋狀態，該施工方法，巧妙的解決了張拉巨大的主索7所帶來的施工困難，有效提高了拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的成橋效率，降低了施工難度，節約了工期。

實施例2

如圖11所示，本實施例與實施例1的不同之處在於：所述主梁結構3包括兩個縱梁3-1和設置在兩個縱梁3-1之間的多個橫梁3-2，所述橫梁3-2的一端與一個縱梁3-1相連接，所述橫梁3-2的另一端與另一個縱梁3-1相連接，所述縱梁3-1的一端與第一支座4連接，所述縱梁3-1的另一端與第二支座9連接，多個所述橫梁3-2上鋪裝有橋面板，所述橋面鋪設在所述橋面板上，所述吊索2的下端與縱梁3-1相連接，所述撐杆6的上端與縱梁3-1相連接。

本實施例中，該拱橋和懸索橋組合式自平衡橋梁的受力情況是，橋面系的恆載及活載直接由橫梁3-2承擔，橫梁3-2將荷載傳遞給縱梁3-1，縱梁3-1上承受的荷載分三部分進行傳遞，其中一部分荷載傳遞給縱梁3-1梁端的第一支座4和第二支座9，另一部分荷載通過吊索2傳遞給拱圈1，使拱圈1處於受壓狀態，同時在拱圈1的拱腳處產生向外的推力。第三部分荷載通過撐杆6傳遞給主索7，使主索7受拉。由於主索7的拉力和拱圈1拱腳的壓力方向相反，於是，主索7的拉力能夠將拱圈1拱腳的壓力平衡掉，主索7富餘的拉力會傳遞給縱梁3-1，能夠使縱梁3-1處於適度受壓狀態，從而可以使主梁結構3的彎矩減小，使得縱梁3-1的梁截面能夠減小，減小結構自重，有利於預製工廠化施工。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限制，凡是根據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。