一种刚壁气承轴心受压杆件

摘要

本发明涉及一种刚壁气承轴心受压杆件，刚壁气承轴心受压杆件包括刚性管、气囊、气压计、持力板和螺纹盖，所述刚性管在其管壁预留气囊充气孔和气压计连通孔，所述气囊沿刚性管内部轴向放置，所述气压计安装在刚性管管壁预留连通孔处并与气囊连通，所述持力板位于气囊两端内切于刚性管内壁，所述螺纹盖与刚性管两端分别用螺纹连接。本发明在正常工作状态时，杆件的刚壁不承受压力，轴向压力完全由气囊承受，并进而转化为刚壁的环向拉应力，因此提高了杆件的轴向受压承载力，并可充分利用刚壁材料的抗拉强度，达到轻质高强的目的。本发明结构形式简单，安全经济，具有良好的市场应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于工程结构中的构件领域，具体涉及一种刚壁气承轴心受压杆件。

背景技术

网架、网壳等空间网格结构形式在体育场馆、火车站、航站楼及一些特种结构中均有大量应用。空间网格结构是由不同长度的刚性杆件按一定的拓扑关系组合而成。通常，结构中的杆件是以轴向受力为主，当采用铰接节点时，构件则仅承受轴力作用。对于受拉杆件来说，可以通过采用高强度材料来提高杆件的受拉承载力，而受压杆件的承载力则是由稳定性控制，材料强度对受压杆件的承载力影响不大。受长细比的限制，受压杆件不能较好地传递较长距离的压力，此外，这也限制了高强度材料在空间网格结构中的应用。

为提高工程结构中杆件的轴心受压承载力，充分利用高强度材料，有必要发明一种新形式的杆件，该形式的杆件具有较高的轴心受压稳定性，可充分利用材料的受拉强度，从而达到为工程结构减重的目的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种刚壁气承轴心受压杆件，通过气囊承压将轴心受压杆件轴向压力转化为刚壁拉应力，充分利用刚壁材料的受拉强度，提高杆件的轴心受压承载力。

技术方案

一种刚壁气承轴心受压杆件，其特征在于包括刚性管1、气囊6、气压计5、持力板3和螺纹盖2；气囊6沿轴向放置于刚性管1内，气囊6的充气阀门4通过刚性管1管壁的充气孔伸出刚性管1外侧并固定；气压计5通过刚性管1管壁的连通孔与气囊6相连通；气囊6的两端设有持力板3，两个螺纹盖2与刚性管1两端通过螺纹紧密连接；所述两个持力板3在刚性管1内为移动接触；所述气囊6的长度和直径分别与刚性管的长度和内径相一致；螺纹盖的中心预留用于持力板与外界连接的圆形孔洞，孔洞的直径小于持力板的直径。

所述刚性管1上、连通气囊6的充气孔和气压计连通孔的柱面中心间距不能少于3倍最大孔洞直径。

所述两个连通孔的周围进行加强设计。

所述气囊6的材料采用具有收缩性的膜材。

所述持力板材料采用刚性材料。

有益效果

本发明提出的一种刚壁气承轴心受压杆件，刚壁气承轴心受压杆件包括刚性管、气囊、气压计、持力板和螺纹盖，所述刚性管在其管壁预留气囊充气孔和气压计连通孔，所述气囊沿刚性管内部轴向放置，所述气压计安装在刚性管管壁预留连通孔处并与气囊连通，所述持力板位于气囊两端内切于刚性管内壁，所述螺纹盖与刚性管两端分别用螺纹连接。本发明在正常工作状态时，杆件的刚壁不承受压力，轴向压力完全由气囊承受，并进而转化为刚壁的环向拉应力，因此提高了杆件的轴向受压承载力，并可充分利用刚壁材料的抗拉强度，达到轻质高强的目的。本发明结构形式简单，安全经济，具有良好的市场应用前景。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有空间网格结构中应用的受压杆件相比具有如下有益效果：

1、本发明通过气囊承压将轴心受压杆件的轴向压力转化为刚壁的拉应力，刚壁不再承受轴向压力，提升了受压杆件的整体和局部稳定性，进而提高了杆件的轴心受压承载力。

2、由于杆件具有较好的稳定性，因此可以制作得更长，从而减少工程结构中节点的数量，进而降低结构的自重，也可降低施工难度并提高建造速度。

3、由于刚壁仅承受拉应力，因此可以充分利用高强度材料来提高杆件的受压承载力。当刚壁采用高强度材料时，杆件刚壁可以做得更薄更轻，从而降低构件的运输成本。

4、本发明结构形式简单，安全经济，具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明刚壁气承轴心受压杆件立体图；

图2是本发明刚壁气承轴心受压杆件纵向剖面图；

图3是本发明刚壁气承轴心受压杆件横向剖面图；

图4是本发明刚壁气承轴心受压杆件刚性管示意图；

图5是本发明刚壁气承轴心受压杆件气囊示意图；

图6是本发明刚壁气承轴心受压杆件持力板示意图；

图7是本发明刚壁气承轴心受压杆件螺纹盖示意图；

图8是本发明刚壁气承轴心受压杆件持力板受力图；

图中：1-刚性管，2-螺纹盖，3-持力板，4-充气阀门，5-气压计，6-气囊

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

刚壁气承轴心受压杆件立体图见图1，包括刚性管1(见图4)、气囊2(见图5)、气压计3、持力板4(见图6)、螺纹盖5(见图7)。具体布置为将气囊2纵向沿刚性管1轴向放置，使气囊充气阀门位置与刚性管1的管壁预留充气孔位置相对应并固定充气阀门，气压计3安装在刚性管管壁预留连通孔旁并与气囊相连通，然后将两块持力板4分别置于刚性管1两端，再将两个螺纹盖5与刚性管1两端通过螺纹紧密连接。

所述刚性管为材料强度较高的空心圆管，两端外壁均需带有螺纹，且在其刚壁预留气囊充气孔和气压计连通孔，两孔之间要有间距，孔洞周围需加强设计。

所述的气囊为圆柱状，其长度和直径与刚性管的长度和内径相一致，材料可选用气密性好的膜材，并具有一定的强度和收缩性。气囊沿刚性管内部轴向放置，预设有充气阀门和气压计连通口，分别与刚性管管壁预留充气孔和气压计连通孔相对应。

所述的持力板为具有一定厚度的圆形板，材料可为钢材或性能较好的其它材料，其直径略小于刚性管内径，持力板与刚壁接触的部分应光滑，保证持力板可在刚壁轴向自由滑动。

所述的螺纹盖为一种传力装置，可将来自持力板的压力传递给杆件刚壁；在螺纹盖的中心预留环形孔洞，用于持力板与外界连接，孔洞直径要比持力板直径小，保证持力板与螺纹盖具有足够的传力面积。螺纹盖的螺纹规格与刚性管两端螺纹规格相匹配。

按照上述技术方案将刚壁气承轴心受压杆件安装完成后，使用充气泵连接气囊充气阀门对气囊2进行充气，充气至气囊2内气压达到设计范围，停止充气。在充气时气囊2随着气压增大而膨胀，对刚性管管壁和位于其两端的持力板4产生压力作用，持力板4由于受压力作用滑动至刚性管1两端，持力板4进一步将压力传递给螺纹盖5，螺纹钢盖5的压力与刚性管所受轴向拉力平衡。在此平衡状态下，刚性管1的管壁受环向的拉力作用和轴向的拉应力作用。

刚壁气承轴心受压杆件在正常工作状态时，该轴心受压杆件会受到来自外部的轴向压力作用F₁(见图8)，该压力直接作用在持力板4的中心区域，在此状态下，持力板4同时承受来自气囊2膨胀产生的轴向压力F₂(见图8)和来自外部的轴向压力F₁，二者方向相反。持力板受力详图见图8，杆件刚性管管壁受力状况分为以下几种工作状态说明：

状态1：当持力板4承受的来自气囊2膨胀压力F₂大于零小于来自外部的轴向压力F₁时，持力板4向中间滑动压缩气囊2，气囊2体积缩小压力增大，当气囊压力与轴向压力相等时达到平衡，在此状态下杆件刚壁只受环向拉应力不受压力；

状态2：当持力板4承受的来自气囊2膨胀压力F₂等于来自外部的轴向压力F₁时，持力板4不移动保持平衡，此状态下杆件刚壁只受环向拉力不受轴力；

状态3：当持力板4承受的来自气囊2膨胀压力F₂大于来自外部的轴向压力F₁时，持力板4向刚性管1两端滑动至与螺纹盖紧贴，此状态下杆件刚壁既受环向拉力又受轴力拉力。

当工作状态为状态1或状态2时，也可以通过向气囊充气增加气囊压力达到工作状态3。

综上所述，在三种工作状态中，本发明刚壁气承轴心受压杆件虽受到来自外部轴向的压力作用，但该杆件刚壁却并不承受压应力，来自外部的轴向压力完全由构件内部的高压气囊承受，高压气囊进一步将压力转化为刚壁的环向拉应力，达到了充分利用刚壁材料受拉强度，提高杆件轴心受压承载力的目的。