一种刚壁气承偏心受压杆件

摘要

本发明涉及一种刚壁气承偏心受压杆件，圆形刚性管内设有三个扇形刚性管，每个扇形刚性管内设有一个扇形气囊，两端设有扇形持力板；每个扇形气囊上设有安装充气阀门和气压计的连通口，充气阀门和气压计分别通过圆形刚性管和扇形刚性管上的气囊充气孔和气压计连通孔与扇形气囊连接；圆形刚性管的两端与螺纹盖螺纹连接，螺纹盖内设有圆形持力板，圆形持力板与扇形持力板间设有传力杆。本发明通过气囊承压将偏心受压杆件的偏心压力转化为刚壁拉应力，充分利用刚壁材料的受拉强度，使偏心受压杆件的刚壁不承受压应力，提高杆件的偏心受压稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于工程结构中的构件领域，涉及一种刚壁气承偏心受压杆件。

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。实际结构中的杆件通常是以轴向受力为主，同时承受一定的弯矩作用，即空间网格结构中的杆件是一个偏心受压或偏心受拉杆件。对于偏心受拉杆件来说，可以通过采用高强度材料来提高杆件的受拉承载力，而偏心受压杆件的承载力则是由稳定性控制，材料强度对提高偏心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。

为提高工程结构中偏心受压杆件的偏心受压承载力，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偏心受压稳定性，可充分利用材料的受拉强度，从而达到提高偏心受压杆件承载力的目的。

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偏心受压杆件，通过气囊承压将偏心受压杆件的偏心压力转化为刚壁拉应力，充分利用刚壁材料的受拉强度，使偏心受压杆件的刚壁不承受压应力，提高杆件的偏心受压稳定性。

技术方案

一种刚壁气承偏心受压杆件，其特征在于包括圆形刚性管1、扇形刚性管5、气囊7、圆形持力板3、扇形持力板6、传力杆4、充气阀门8、气压计9和螺纹盖2；圆形刚性管1内设有三个扇形刚性管5，每个扇形刚性管5内设有一个扇形气囊7，两端设有扇形持力板6；每个扇形气囊7上设有安装充气阀门和气压计的连通口，充气阀门8和气压计9分别通过圆形刚性管1和扇形刚性管5上的气囊充气孔和气压计连通孔与扇形气囊7连接；圆形刚性管1的两端与螺纹盖2螺纹连接，螺纹盖2内设有圆形持力板3，圆形持力板3与扇形持力板6间设有传力杆4，且传力杆4分别与扇形持力板6和圆形持力圆板3铰接；所述扇形持力板与扇形刚性管内壁滑动接触；所述圆形持力板与圆形刚性管内壁滑动接触；所述螺纹盖的中心预留圆形持力板与外界连接的通孔，直径小于圆形持力板直径。

所述3个气囊充气孔和3个气压计连通孔分别均匀分布在2个圆周上，每对气囊充气孔与气压计连通孔在圆形刚性管轴向一一对应，二者间的圆心距离不小于3倍最大孔径。

所述扇形刚性管和气囊7的圆心角为120度。

所述传力杆为一刚性实心或空心短杆结构。

有益效果

本发明提出的一种刚壁气承偏心受压杆件，通过气囊承压将偏心受压杆件的偏心压力转化为刚壁拉应力，充分利用刚壁材料的受拉强度，使偏心受压杆件的刚壁不承受压应力，提高杆件的偏心受压稳定性。与现有空间网格结构中应用的杆件相比具有如下有益效果：

1、本发明通过圆形持力板及与其连接的传力杆将整体杆件的偏心压力转化为3个扇形气囊的轴心压力，进而转化为扇形刚性管和圆形刚性管的拉应力，扇形刚性管和圆形刚性管不再承受压应力，提升了偏心受压杆件的整体和局部稳定性，进而提高了杆件的偏心受压承载力。

2、由于该形式的偏心受压杆件具有较好的稳定性，因此可以承受较大的轴心压力和杆端弯矩，进而提高结构整体稳定性。

3、由于扇形刚性管和圆形刚性管仅承受拉应力，因此可以充分利用高强度材料来提高杆件的偏心受压承载力。当扇形刚性管和圆形刚性管采用高强度材料时，杆件内外刚壁可以做得更薄更轻，从而降低构件的运输成本和结构自重。

4、本发明结构形式简单，易于操作，安全经济，具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明刚壁气承偏心受压杆件立体图；

图2是本发明刚壁气承偏心受压杆件纵向剖面图；

图3是本发明刚壁气承偏心受压杆件横向剖面图；

图4是本发明刚壁气承偏心受压杆件圆形刚性管示意图；

图5是本发明刚壁气承偏心受压杆件扇形刚性管示意图；

图6是本发明刚壁气承偏心受压杆件扇形持力板示意图；

图7是本发明刚壁气承偏心受压杆件螺纹盖示意图；

图8是本发明刚壁气承偏心受压杆件圆形持力板示意图；

图9是本发明刚壁气承偏心受压杆件气囊示意图；

图10是本发明刚壁气承偏心受压杆件圆形持力板受力示意图；

图中：1-圆形刚性管、2-螺纹盖、3-圆形持力板、4-传力杆、5-扇形刚性管、6-扇形持力板、7-气囊、8-充气阀门、9-气压计、10-气压计连通口。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术实施方案：刚壁气承偏心受压杆件立体图、纵向剖面图和横向剖面图见图1-3，包括圆形刚性管1(见图4)、螺纹盖2(见图7)、圆形持力板3(见图8)、传力杆4、扇形刚性管5(见图5)、扇形持力板6(见图6)、气囊7(见图9)、充气阀门8、气压计9、气压计连通孔10。

所述圆形刚性管为材料强度较高的空心圆管，两端外壁均带有螺纹，在其刚壁上预留有3个气囊充气孔和3个气压计连通孔，3个气囊充气孔和3个气压计连通孔分别均匀分布在2个圆周上，气囊充气孔和气压计连通孔在圆形刚性管轴向一一对应，二者间的圆心距离不小于3倍最大孔径，孔洞周围须加强设计。

所述扇形刚性管的圆心角为120度，为材料强度较高的空心管，扇形刚性管柱面外表面曲率与圆形刚性管内表面曲率相同。在其柱面环向中心处预留气囊充气孔和气压计连通孔，并与圆形刚性管气囊充气孔和气压计连通孔相对应，孔洞周围需加强设计。

所述气囊沿扇形管内部轴向放置；形状与扇形刚性管内表面相一致的扇形柱体，材料可选用气密性好的膜材，并具有一定的强度和收缩性。气囊沿扇形刚性管内部轴向放置，预设有充气阀门和气压计连通口，分别与扇形刚性管预留充气孔和气压计连通孔位置相对应。

所述扇形持力板位于气囊两端内切于扇形刚性管内壁；采用具有一定厚度的扇形板，材料可为钢材或性能较好的其它材料，其尺寸略小于扇形刚性管的内面尺寸，扇形持力板与扇形刚性管内壁接触的部分应光滑，保证扇形持力板可在扇形刚性管内壁轴向自由滑动。

所述圆形持力板位于扇形刚性管两端内切于圆形刚性管内壁；采用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，其直径略小于圆形刚性管内径，圆形持力板与圆形刚性管接触的部分应光滑，保证圆形持力板可在圆形刚性管轴向自由滑动。

所述传力杆分别与扇形持力板和圆形持力板铰接；为一刚性实心或空心短杆，须能承受来自圆形持力板和扇形持力板的轴向压力。

所述螺纹盖为一种传力装置，可将来自圆形持力板的压力传递给圆形刚性管；在螺纹盖的中心预留圆形孔洞，用于圆形持力板与外界连接，孔洞直径要比圆形持力板直径小，保证圆形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圆形刚性管两端螺纹规格相匹配。

所述气压计安装在圆形刚性管的预留气压计连通孔旁，并通过圆形刚性管和扇形刚性管的预留气压计连通孔与气囊连通；所述螺纹盖与圆形刚性管两端分别用螺纹连接。

具体装配为：将三根扇形刚性管5沿轴向放置于圆形刚性管1内，使3个扇形刚性管的预留气囊充气孔和气压计连通孔分别与圆形刚性管的3组预留气囊充气孔和气压计连通孔一一对应；将3个气囊7沿轴向放置于扇形刚性管5内，每个气囊7的充气阀门8均穿过扇形刚性管5和圆形刚性管1的预留气囊充气孔并固定在圆形刚性管管壁上，每个气囊7的气压计连通孔10均穿过扇形刚性管5和圆形刚性管1的预留气压计连通孔与气压计9连通；6块扇形持力板6分别置于3个气囊7的两端，每块扇形持力板6分别通过传力杆4与圆形持力板3相连，传力杆4两端与扇形持力板和圆形持力板均为铰接，最后将两个螺纹盖2与圆形刚性管1两端通过螺纹紧密连接。

使用时：

按照上述技术方案将刚壁气承偏心受压杆件安装完成后，使用充气泵分别连接气囊充气阀门8，同时对三个气囊7进行充气，充气至三个气囊7内气压均达到设计范围，停止充气。三个气压计9用于监测每个气囊的气压。在对气囊7进行充气时，气囊7随着气压增大而膨胀，对扇形管管壁和位于其两端的扇形持力板6产生压力作用，扇形持力板6在气囊压力作用下向扇形刚性管两端滑动，扇形持力板6进一步通过传力杆4将气囊压力传递给圆形持力板3，圆形持力板3在气囊压力作用下向圆形刚性管两端滑动，并与螺纹盖2紧密接触，最终将气囊压力通过螺纹盖2传递给圆形刚性管。在此平衡状态下，扇形刚性管5的管壁仅承受环向拉应力作用，圆形刚性管1的管壁同时承受环向拉应力和轴向拉应力作用。

本发明刚壁气承偏心受压杆件在正常工作状态时，该偏心受压杆件会受到来自外部的偏心压力作用F₀，偏心距为e₀。偏心压力F₀直接作用在圆形持力板3上，在此状态下，圆形持力板3同时承受来自3个气囊7的压力F₁、F₂、F₃和来自外部的偏心压力F₀，二者方向相反，此外，圆形持力板3还将承受来自螺纹盖2的非均匀压力，上半部分螺纹盖2和下半部分螺纹盖2作用在圆形持力板3上的合力分别为F_g1、F_g2，圆形持力圆板3受力示意图见图10，在图中6个力的作用下，圆形持力板3处于平衡状态，平衡方程如下：

∑F＝0，F₁+F₂+F₃＝F₀+F_g1+F_g2>

ΣM＝0，F₁×l₁-(F₂+F₃)×l₂＝F₀×e₀+F_g1×(e₀+e₁)-F_g2×e₂>

杆件圆形刚性管管壁的受力情况分为以下几种工作状态进行说明：工作状态(1)当圆形持力板3承受的来自外部的偏心压力F₀大于零但小于来自3个气囊7的膨胀压力合力，且每根传力杆所受轴力(F₁、F₂、F₃)均不超过初始轴力时，圆形持力板3与螺纹盖2紧贴，并通过螺纹盖2向圆形刚性管1传递轴向拉力，在此状态下，杆件圆形刚性管承受轴向非均匀拉应力；工作状态(2)当圆形持力板3承受的来自外部的偏心压力F₀大于零但小于来自3个气囊7的膨胀压力合力，但已经出现一根传力杆的轴力(F₁或F₂或F₃)大于气囊压力时，与之相对应的扇形持力板6将向杆件内部移动，压缩气囊7，气囊7体积缩小压力增大，当气囊压力与相对应的传力杆轴力相等时达到平衡，在此状态下圆形持力板3与螺纹盖2之间出现零压力区，圆形刚性管管壁在轴向出现不受拉区域；工作状态(3)随着偏心压力F₀的继续增加，余下的传力杆轴力相继出现大于气囊压力的情况，所有扇形持力板都将向杆件内部移动，当气囊压力与相对应的传力杆轴力相等时再次达到平衡，此时圆形刚性管全截面无轴向拉应力。在工作状态(1)(2)(3)中扇形刚性管5均不承受轴向拉应力，而只有承受环向拉应力，且距离偏心压力作用点近的扇形刚性管所受环向拉应力大。工作状态(3)可通过对气囊充气向工作状态(2)转变，工作状态(2)也可通过对气囊充气向工作状态(1)转变，反之，当气囊气压下降时，工作状态(1)将逐渐向工作状态(2)(3)转变。

综上所述，在三种工作状态中，本发明刚壁气承偏心受压杆件虽受到来自外部的偏心压力作用，但该杆件扇形刚性管和圆形刚性管均并不承受压应力，来自外部的偏心压力首先转化为内部3根扇形杆件的轴心压力，并最终完全由杆件内部的高压气囊承受，高压气囊进一步将偏心压力转化为扇形刚性管和圆形刚性管的拉应力，达到了充分利用刚壁材料受拉强度，提高杆件偏心受压承载力的目的。