本發(fā)明屬于土木工程領域，交通運輸方面，涉及機構與可展結構，尤其涉及一種基于剪式鉸單元的快速可展拱橋。

背景技術：

可展結構可由緊湊的折疊狀態(tài)快速展開成型，引起設計師和工程師的廣泛關注，并已逐漸在航空航天領域的太陽能帆板、衛(wèi)星天線，機械領域的先機機構與機器人，土木工程領域的可開啟屋蓋、快速可展橋梁等諸多領域得到了工程應用。例如，近年來，中國西部地區(qū)地震災害頻發(fā)，地震直接造成了橋梁斷裂、道路損壞，給災區(qū)救援工作造成極大的影響?？焖倏烧箻蛄嚎裳杆倩謴褪転牡貐^(qū)的受阻交通，打開救援的生命線。因此，開發(fā)新型高效、可靠、經濟的快速可展橋梁具有非常重要的意義。

目前已經出現(xiàn)了幾種類型的可展機構單元，其中剪式鉸單元是可展結構中較為常見的基本單元。目前也出現(xiàn)了一些基于剪式鉸單元設計的橋梁。但是，現(xiàn)階段基于剪式鉸單元設計的橋梁的橋面多為平面梁橋形式，也有較少的幾個簡單的下承式拱橋或桁架橋形式，但尚未出現(xiàn)綜合設置有拉索、折疊橋面板的可展拱橋形式。為此，設計一種新型的基于剪式鉸單元的可展拱橋對于豐富可展橋梁的多樣性將具有重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明提供一種展開折疊方式簡單、驅動便捷、跨越能力較好的基于剪式鉸單元的快速可展拱橋，具備設計和安裝制作方便等優(yōu)勢，以便較好地滿足臨時性、半永久性、或特種橋梁對快速展開、折疊功能的要求。

技術方案：本發(fā)明的基于剪式鉸單元的快速可展拱橋，包括主體拱結構和設置在所述主體拱結構上側的倒v形折疊橋面板；所述主體拱結構包括m榀平行設置的可展拱單元，其中m不小于2；所述可展拱單元包括n組沿著橋梁的跨度方向依次相連的剪式鉸單元、連接首尾兩個剪式鉸單元的拉索，其中n不小于4，所述剪式鉸單元由交叉連接的第三梁桿和第四梁桿組成，所述第三梁桿和第四梁桿交叉連接處設置有樞軸節(jié)點，兩相鄰剪式鉸單元件之間通過第三梁桿端部與第四梁桿端部連接，其中第三梁桿上側端部與第四梁桿上側端部的連接點為上弦節(jié)點，第三梁桿下側端部與第四梁桿下側端部的連接點為下弦節(jié)點，m榀可展拱單元中的對應樞軸節(jié)點分別通過第一橫向連桿連接，每個剪式鉸單元中，連桿的上弦節(jié)點至樞軸節(jié)點的距離與該連桿由樞軸節(jié)點至下弦節(jié)點的距離的比值范圍為大于等于1至小于等于3；所述拉索與可展拱單元中首尾兩個剪式鉸單元外側的上弦節(jié)點鉸接。所述倒v形折疊橋面板包括沿著橋梁的跨度方向依次相連的橋面板單元，每組橋面板單元均由兩塊剛性板單元通過僅可單方向折疊的鉸鏈連接而成，使每組橋面板單元只能夠倒v形折疊，且橋面板單元完全展開后通過在折疊鉸鏈上表面設置的限位裝置形成一塊矩形面板，每個橋面板單元兩側的四個節(jié)點均與主體拱結構的上弦節(jié)點鉸接。

進一步的，本發(fā)明快速可展拱橋中，v形折疊橋面板包括n組依次連接的橋面板單元，所述主體拱結構包括m*n組剪式鉸單元，2n-1根橫向連桿，以及m根拉索，每一榀可展拱單元中，包括n+1個上弦節(jié)點，n個樞軸節(jié)點，n-1個下弦節(jié)點。

進一步的，本發(fā)明快速可展拱橋中，剪式鉸單元為極線剪式單元，即兩根連桿交點不在連桿中點的剪式鉸單元，每個剪式鉸單元中，連桿的上弦節(jié)點至樞軸節(jié)點的距離與該連桿由樞軸節(jié)點至下弦節(jié)點的距離的比值為24∶23。

該可展拱橋為上承式拱橋結構，橋面板鋪于拱的上端，行人、車輛可直接從拱上部通行，所述的快速可展拱橋在工作狀態(tài)下為超靜定結構。每榀可展拱單元所基于的剪式鉸單元為極線剪式單元，即兩根連桿交點不在中點的剪式鉸單元，所述的剪式鉸單元中每一根連桿的上弦節(jié)點至樞軸節(jié)點的距離與由樞軸節(jié)點至下弦節(jié)點的距離的比值范圍為大于等于1至小于等于3。

每榀可展拱單元沿著與跨度方向一致的平面內折疊、展開，運動過程中每榀拱單元所在平面始終平行；橋面板的倒v形折疊與剪式鉸單元的折疊始終保持幾何相容，橋面板下緣與剪式鉸單元上弦的連接節(jié)點保持平齊，在橋面板完全折疊時剪式鉸單元也完全折疊、相互緊密接觸，在展開至工作狀態(tài)下，橋面板恰好完全展開，且此時每組橋面板沿跨度方向的長度等于剪式鉸單元相鄰上部節(jié)點之間的水平距離。

該可展拱橋包括了橋面板、拱、連桿和拉索等四種基本結構形式，通過板受彎、拱受壓、拉索受拉的組合作用共同承受荷載，形成穩(wěn)定的自平衡體系，避免拱端支座產生水平推力，將水平推力轉化為拉索受拉。

該拱橋為單跨、單自由度可展結構，通過電機牽引連接節(jié)點的拉索，實現(xiàn)快速展開、折疊，能適應惡劣地形，起到搶險救災等效果。

本發(fā)明中，每榀可展拱單元沿著與跨度方向一致的平面內折疊、展開，運動過程中每榀拱單元所在平面始終平行；橋面板的倒v形折疊與剪式鉸單元的折疊始終保持幾何相容，橋面板下緣與剪式鉸單元上弦的連接節(jié)點保持平齊，在橋面板完全折疊時剪式鉸單元也完全折疊、相互緊密接觸，在展開至工作狀態(tài)下，橋面板恰好完全展開，且此時每組橋面板沿跨度方向的長度等于剪式鉸單元相鄰上部節(jié)點之間的水平距離。

本發(fā)明可展拱橋包括了橋面板、拱、連桿和拉索等四種基本結構形式，通過板受彎、拱受壓、拉索受拉的組合作用共同承受荷載，形成穩(wěn)定的自平衡體系，避免拱端支座產生水平推力，將水平推力轉化為拉索受拉。

本發(fā)明可展拱橋為上承式拱橋結構，橋面板鋪于拱的上端，行人、車輛可直接從拱上部通行，所述的快速可展拱橋在工作狀態(tài)下為超靜定結構。本發(fā)明拱橋為單跨、單自由度可展結構，通過電機牽引連接節(jié)點的拉索，實現(xiàn)快速展開、折疊，能適應惡劣地形，起到搶險救災等效果。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本可展拱橋具有單自由度運動特性，驅動方式簡單，構造合理、簡潔明快，安裝制作和實現(xiàn)折疊展開性能的代價非常低。

(2)本可展拱橋可由緊湊的折疊狀態(tài)快速展開為一定跨度的完全工作狀態(tài)，正常發(fā)揮中小跨度橋梁的功能作用，且整個運動過程連續(xù)、可逆、幾何相容，不會產生構件變形或不可預計的內力，能反復、可靠地使用。

(3)本可展拱橋在完全展開狀態(tài)下占用空間很小，相較于平直可展橋，本可展拱橋具有一定凈高，不會影響橋下船只通行。且質量輕，因為所采用鋁合金等金屬材料的密度遠小于鋼筋混凝土，便于運輸或存儲。

(4)本可展拱橋采用合理拱軸而非平直橋面，傳力優(yōu)秀，在豎向荷載作用下，支座向拱肋提供水平反力，這種水平反力將大大抵消拱肋內由荷載引起的彎矩。受力后拱橋充分受壓，并且相對的彎矩、剪力、變形都要小很多。結構簡單，造型美觀。

(5)本可展拱橋相較于平直拱橋受力合理，主體結構使用拱造型以顯著降低行人、車輛等橫向荷載產生的彎矩，并巧妙地在下部設置拉索連接主體拱結構的兩端，使得整個結構形成自平衡體系，不但起到了可展拱橋接近展開態(tài)的限位作用，還充分發(fā)揮了拉索的高強抗拉性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構的示意圖，其中101為橋面板單元，201、202、203、204等均為剪式鉸單元中的梁桿單元，205、206為每榀可展拱單元的兩端部剪式鉸單元中較短的一根梁桿單元，301、302為連接相鄰兩榀可展拱單元的橫向連桿，401為下部的拉索；

圖2(a)為本發(fā)明基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構中剪式鉸單元的樞軸連接節(jié)點示意圖，圖2(b)為普通梁桿單元示意圖，其中203、204為剪式鉸單元中的每根普通梁桿單元，302為連接相鄰兩榀可展拱單元的橫向連桿，節(jié)點b為剪式鉸單元中的樞軸節(jié)點，也是橫向連桿的端部連接點；

圖3為本發(fā)明基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構中三種具有代表性的不同類型連接節(jié)點的示意圖，其中節(jié)點a為橋面板周邊頂點與剪式鉸單元上弦節(jié)點的連接節(jié)點示意，節(jié)點b為剪式鉸單元中的樞軸節(jié)點，節(jié)點c為相鄰剪式鉸單元下弦節(jié)點處與連桿端部的連接節(jié)點；

圖4(a)為可展拱橋折疊狀態(tài)，圖4(b)為可展拱橋展開過程，圖4(c)為可展拱橋完全展開狀態(tài)描述了本發(fā)明的快速可展拱橋由緊湊的折疊狀態(tài)逐漸展開為設計態(tài)下的拱橋結構的運動過程。

圖5為剪式鉸單元中連桿的上弦節(jié)點a至樞軸節(jié)點b的距離與由樞軸節(jié)點b至下弦節(jié)點c的距離的比值為1時，展開運動過程示意圖。

圖6為剪式鉸單元中連桿的上弦節(jié)點a至樞軸節(jié)點b的距離與由樞軸節(jié)點b至下弦節(jié)點c的距離的比值為3時，展開運動過程示意圖。

圖中有：101-橋面板單元；201-第一梁桿；202-第二梁桿；203-第三梁桿；204-第四梁桿；205-第五梁桿；206-第六梁桿；301-第一橫向連桿；302-第二橫向連桿；401-拉索。

具體實施方式

下面參照說明書附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明：

圖1、圖2分別為本發(fā)明基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構的示意圖和主要組成部分的細節(jié)示意圖。

本發(fā)明的基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構，包括主體拱結構和設置在所述主體拱結構上側的倒v形折疊橋面板；所述主體拱結構包括m榀平行設置的可展拱單元，其中m不小于2；所述可展拱單元包括n組沿著橋梁的跨度方向相連的剪式鉸單元，其中n不小于4。其中剪式鉸單元上端依次連接上弦節(jié)點a，下端依次連接下弦節(jié)點c，兩根連桿通過樞軸節(jié)點b相連，其中ab間距離與bc間距離的比值的范圍為大于等于1至小于等于3，在圖1中，所述的ab間距離與bc間距離的比值為24∶23。每根拉索連接于每榀可展拱單元兩端的節(jié)點a，使用鉸接連接。每根連桿的兩端分別連接剪式鉸單元的樞軸節(jié)點b或下弦節(jié)點c，每組橋面板單元由兩塊可呈倒v形折疊的剛性板單元101通過僅可單方向折疊鉸鏈連接而成，且完全展開后通過在折疊鉸鏈上表面的限位裝置形成一塊矩形面板，該限位裝置利用三角形兩短邊之和大于第三邊原理，約束橋面板上拱而不下塌。所述的單方向折疊鉸鏈使得每組橋面板單元只能凸向上方、呈倒v形折疊；所述的每個橋面板單元最外周的四個節(jié)點與主體拱結構上弦節(jié)點a鉸接。

所述的快速可展拱橋共包括n組橋面板單元，m*n組剪式鉸單元，2n-1根橫向連桿，以及m根拉索組成。所述的每一榀可展拱單元中，包括n+i個上弦節(jié)點a，n個樞軸節(jié)點b，還包括n-1個下弦節(jié)點c。因此，本發(fā)明所公開的主體拱結構單元中，連接節(jié)點共包括三種類型，其中上弦節(jié)點見圖3(a)中a點，用于連接橋面板外周頂點以及剪式鉸單元的上弦節(jié)點；樞軸節(jié)點見圖3(b)中b點，用于連接剪式鉸單元的樞軸節(jié)點和連桿；下弦節(jié)點見圖3(c)中c點，為兩根連桿的共用頂點。如圖1和圖3所示，主體拱結構的每一榀均具有n+1個第一類型節(jié)點，n個第二類型節(jié)點，n-1個第三類型節(jié)點，本發(fā)明示例圖中n＝7。所述的快速可展拱橋結構可由合金材料、高強鋼絞線等輕質材料制作而成。如圖3所示，所述的剪式鉸單元為極線剪式單元，在折疊展開過程中，連接各剪式鉸單元上下節(jié)點的連線始終匯交于同一點；每根梁桿上上下階段長度比例滿足：由上弦節(jié)點a至樞軸節(jié)點b的距離與由樞軸節(jié)點b至下弦節(jié)點c的距離的比值范圍大于1且小于3。

圖4所示為本發(fā)明基于剪式鉸單元的快速可展拱橋結構的展開運動過程示意圖。結構的整個折疊-展開運動過程是單自由度、幾何相容、可逆向的，并且結構下部拉索逐漸由完全松弛狀態(tài)轉化為完全緊繃狀態(tài)。該類型的可展拱橋為上承式拱橋結構，橋面板鋪于拱的上端，行人、車輛可直接從拱上部通行，所述的快速可展拱橋在工作狀態(tài)下為超靜定結構。此外，圖5為剪式鉸單元中連桿的上弦節(jié)點a至樞軸節(jié)點b的距離與由樞軸節(jié)點b至下弦節(jié)點c的距離的比值為1時，結構的展開運動過程示意圖。圖6為剪式鉸單元中連桿的上弦節(jié)點a至樞軸節(jié)點b的距離與由樞軸節(jié)點b至下弦節(jié)點c的距離的比值為3時，結構的展開運動過程示意圖。

每榀可展拱單元沿著與跨度方向一致的平面內折疊、展開，運動過程中每榀拱單元所在平面始終平行；橋面板的倒v形折疊與剪式鉸單元的折疊始終保持幾何相容，橋面板下緣與剪式鉸單元上弦的連接節(jié)點保持平齊，在橋面板完全折疊時剪式鉸單元也完全折疊、相互緊密接觸，在展開至工作狀態(tài)下，橋面板恰好完全展開，且此時每組橋面板沿跨度方向的長度等于剪式鉸單元相鄰上部節(jié)點之間的水平距離。

該可展拱橋包括了橋面板、拱、連桿和拉索等四種基本結構形式，通過板受彎、拱受壓、拉索受拉的組合作用共同承受荷載，形成穩(wěn)定的自平衡體系，避免拱端支座產生水平推力，將水平推力轉化為拉索受拉。

該拱橋為單跨、單自由度可展結構，通過電機牽引連接節(jié)點的拉索，實現(xiàn)快速展開、折疊，能適應惡劣地形，起到搶險救災等效果。

與現(xiàn)有橋梁及可展梁橋、桁架橋等相比，本發(fā)明所述的快速可展拱橋具有顯著的優(yōu)勢特點。該可展拱橋具有單自由度運動特性，驅動方式簡單，構造合理、簡潔明快，安裝制作和實現(xiàn)折疊展開性能的代價非常低。能夠由緊湊的折疊狀態(tài)快速展開為一定跨度的完全工作狀態(tài)，正常發(fā)揮中小跨度橋梁的功能作用，且整個運動過程連續(xù)、可逆、幾何相容，不會產生構件變形或不可預計的內力，能反復、可靠地使用。需指出，由于該可展拱橋在完全展開狀態(tài)下占用空間很小，且質量輕，便于運輸或存儲。此外，本發(fā)明的可展拱橋受力合理，主體結構使用拱造型以顯著降低行人、車輛等橫向荷載產生的彎矩，并巧妙地在下部設置拉索連接主體拱結構的兩端，使得整個結構形成自平衡體系，不但起到了可展拱橋接近展開態(tài)的限位作用，還充分發(fā)揮了拉索的高強抗拉性能。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。