文摘

基于剪刀的可部署的桥梁结构是一种有效的方法在自然和人为灾害后迅速恢复交通。剪刀结构存储率高的优点,轻便,方便储存和运输。然而,当剪刀结构作为承重结构,其刚度和承载力很低。在这项研究中,一个三维部署提出了基于cable-strengthened剪刀结构的桥梁。除了快速扩张,钢铁电缆被用来加强剪刀结构提高刚度和承载力。此外,静态加载对比试验cable-strengthened剪刀结构和传统剪刀结构(cable-free剪刀结构)进行。结果表明,cable-free剪刀结构的刚度小,成员的弯矩是大,应力分布不均匀。cable-strengthened剪刀结构的刚度显著提高;成员的弯矩显著降低;和会员部分的应力分布更加均匀。 It is proved that cables can be used to improve the stiffness and load-bearing capacity of scissor structures without affecting the deployability.

1。介绍和背景

部署桥快速交通系统是一个理想的解决方案自然和人为灾害后恢复。这座桥应该快速运输的特点,方便安装,和快速拆除,以满足快速安装和multiarea重用的要求在指定的区域,和剪刀结构可以实现这一目标。剪刀结构是由几个剪刀单位,每个剪刀单元是由两个成员组成的连接通过旋转接头(枢纽)。单位通过铰链在他们结束节点相互连接。这样,剪刀结构有一定的自由度,这从一个紧凑的封装状态可以扩展到一个大型部署状态。这种结构是一种理想的解决方案部署的桥梁。

剪刀结构已经广泛应用,几何和运动学结构主要研究在过去的几年中。作为可部署结构的一个子类,剪刀结构存储率高的优点,简单的转换,和轻量级。剪刀结构广泛应用于小型结构如移动帐篷和天线和轻微移动剧院等大型结构1],穹顶[2),和避难所3]。由于低刚度和承载力的要求是需要剪刀结构在大多数应用程序中,研究主要集中在几何和运动学的结构。皮尼罗是第一个介绍的概念剪刀单位(1]。使用简单的剪刀单位,他设计了一种移动剧院和赢得了1961年在伦敦建筑设计竞赛。皮尼罗后,Escrig和Valcarcel开发新的空间网格和模式由两个和三方剪刀可部署的拱门,穹顶和大规模的雨伞4,5]。霍伯曼提出了一个新颖的概念使成角组成的元素,导致径向部署闭环结构的设计(6,7]。Pellegrino你带霍伯曼概念进一步发现广义使成角元素用作构建块(8]。Feray马登和开尔文Roovers等人给平面开环剪刀结构的设计方法和空间点阵剪刀结构,分别为(9,10]。毛去掉外壳,Yaozhi罗,钟你讨论了平面闭环剪刀的可动性结构(11]。建国Cai和姚晨等人研究了平面的运动轨迹和运动奇点闭环剪刀结构(12,13]。Yenal Akgun和恩典j·甘特图提出了修改scissor-like元素(M-SLE),它可以改变整个系统的几何不改变酒吧或跨度的大小(14,15]。

很少使用剪刀结构桥梁的承重结构或建筑工程,和相应的力学性能研究不够。伊戈尔·拉斯金和约翰Roorda的力学性能进行了一系列的研究剪刀列。首先,抗压和抗弯刚度的线性排列的几何线性的假设下导出了剪刀列(16]。第二,剪刀列相当于分段列连接通过一个酒吧无限抗弯刚度和酒吧之间的弹簧;然后压屈曲能力的计算方法给出了分段列[17]。最后,压缩变形的几何非线性分析的剪刀列。李Bo和刀具王等人研究了压缩屈曲能力考虑自重的剪刀列(18]。拉斯金和Roorda六剪刀结构的刚度不同单元几何(19]。玉等人从理论上证明了钢电缆可以提高剪刀结构的刚度和承载力(20.]。近年来,徐怀钰Chikahiro和Ario一郎等人从事研究和开发基于剪刀的可部署的桥梁结构,进行了一系列的理论研究、数值模拟、轻型汽车负载测试的全面的桥梁。根据先前的研究,提出了额外的强化成员提高桥梁的承载能力在静态和动态负载下(21- - - - - -25]。

在这项研究中,一个三维部署提出了桥梁结构基于cable-strengthened剪刀。而传统剪刀结构(即。,cable-free scissor structures), the load-bearing capacity and stiffness of the proposed cable-strengthened scissor structure were greatly improved. Previous studies have confirmed that when scissor structures are used as load-bearing structures, the bending moment of members is large, the stress distribution in the member section is uneven, and load-bearing capacity of structures is reduced. In this study, the use of steel cables to the strengthen scissor structure was proposed to improve its bearing capacity and stiffness. Different from reference [20.),我们的剪刀单位只有上下钢电缆代替许多连续的电缆,可以减少摩擦,避免复杂的结构的设计。研究钢的作用在剪刀结构电缆和自负,cable-free剪刀的静载荷测试结构和cable-strengthened剪刀结构进行,和两种结构的静态性能通过实验数据进行了分析和比较。实验结果表明,cable-free剪刀结构的刚度很小,导致结构的大位移、大弯矩的成员,和不均匀的应力分布。cable-strengthened剪刀结构的刚度显著提高;成员的弯矩显著降低;和应力分布更加均匀。因此,cable-strengthened剪刀结构的承载能力大大提高。

2。结构系统的描述

图1显示可部署桥的示意图提出了研究。桥梁采用甲板结构;上部甲板是一个模块化的系统;和cable-strengthened剪刀结构用作下轴承结构。桥的桥面系统包括甲板和纵向梁越低。在安装期间,最后的纵梁连接扣的节点子结构,形成整个系统可部署的桥梁。

较低的轴承结构的桥是由cable-strengthened剪刀结构基于模块化设计。两个钢电缆用于连接的上下节点cable-free剪刀单元(图2(图)来形成一个平面元素3)。元素的钢电缆不影响剪刀结构的扩张和收缩,可以准确地控制和扩张角。当剪刀结构扩展到设计角度的帮助下一个可部署的控制器,获得预期的膨胀结构的形状,和应用程序的要求同时完成。四个平面元素可以连接形成一个三维的元素,也就是说,一个模块(图4)。类似于平面元素,该模块可以自由膨胀和收缩而不影响钢电缆。模块是收紧时,它可以缩小紧成一捆,导致高存储率(图5)。为了防止平面元素之间的相对剪切变形,两个交叉钢电缆被添加到模块的上、下表面形成一个几何不变体系。模块是重叠以及钢电缆的方向形成的轴承结构cable-strengthened剪刀结构在桥的下方,如图1。

3所示。测试程序

根据部署桥系统在这项研究中,提出一个白手起家的比例模型下轴承的结构(图5)(即使用。,cable-strengthened scissor structures) to test its static performance. The relevant conditions of the test are described as follows.

3.1。引入Model-Related数据

测试模式:测试模型组成的三维元素,以及平面元素重叠的部分被删除。每个三维元素的大小是0.5米后在三个方向扩张。长度,宽度,和结合测试模型的高度是1.5米,0.5米,0.5米,分别如图6。每个元素的剪刀成员之间的夹角约45°。通过这种方式,所有的成员都是平等的长度,和全钢电缆连接的长度剪刀纵向结构都是平等的,横向和垂直方向。在该测试中,钢电缆和自负的影响在刚度和承载力,轴向力和弯矩的成员主要是观察。因此,沿长度方向的平面结构可以被测试达到测试的目的。相反的结构和剪刀单位宽度方向只扮演了一个配角。在测试期间,钢电缆相反的平面结构和单位在宽度方向上完全释放。因此,测试结构流离失所的时候,抑制效果是可以避免的。由于相对运动的两个平面结构长度方向不会发生,交叉钢电缆没有设置防止相对运动在这个测试。

3.1.1。剪刀模型中的元素

剪刀的酒吧元素模型B Q345钢常用于建筑工程,30×3毫米的规格钢管的弹性模量2.06×10⁵MPa。每条的长度是730毫米;10毫米直径的孔连接设置两端和中间的酒吧;之间的距离两端的中心孔直径是707毫米;和酒吧是通过螺栓连接。

电缆在模型中包括三个部分:钢丝绳、电缆力测量装置,和钢丝张紧装置(图7)。7×19钢丝绳直径4.2毫米是用作钢丝绳,及其弹性模量由电子万能试验机校准。最后,其弹性模量的价值被确定为1.88×10⁵MPa。调整钢电缆张力的测试期间,阵营,可以调整长度被添加到钢电缆。一段304不锈钢棒5厘米的长度和直径10毫米连接钢丝绳,及其弹性模量为1.92×10⁵MPa。应变片粘贴在钢筋表面控制钢缆的借口。

3.2。加载方法概论

在该测试中,cable-strengthened的加载和cable-free剪刀结构模型进行了比较两个模型的相关数据。

3.2.1之上。加载Cable-Strengthened剪刀的结构模型

模型的四个角落都放置在光滑的钢板,和一个5厘米厚钢板安装两个点的中上剪刀结构沿长度方向的一部分,和杰克是在半夜两点加载,如图6(一)。在测试前,同样的借口是适用于所有的电缆,和结构是反复加载和卸载,从而消除非线性效应造成的电缆。在数据测量,设计要求第一次被应用到模型通过调整张紧装置,和自负的大小是通过电缆的应变测量装置。第二,应变仪瞄准消除重力的影响,自负的测试数据模型和钢板。最后,在各种借口下,结构与不少于五个层次逐步加载,同时和数据收集。

3.2.2。加载Cable-Free剪刀的结构模型

cable-free剪刀的模型结构,所有的钢铁电报被公布在cable-strengthened剪刀结构模型,添加和钢管两侧的模型;钢管的直径是一样的剪刀的成员,如图6 (b)。装运条件cable-strengthened剪刀一样的结构。三次被加载,结构和结构加载一步一步至少有五个层次,同时和数据收集。

3.3。数据的测定方法

这个测试的目的是为了获取钢丝绳的影响和要求在结构刚度和承载力值,变化的轴向力和弯矩的成员与外部负载。因为这个对称结构的对称负载、应变仪被安排在飞机的设计位置,如图8。两个应变仪是对称排列的位置C栏1测量表面应变引起的弯矩(以下简称弯曲应变)表面的栏1。两个应变仪是对称排列在位置和L的酒吧1测量应变引起的轴向力(以下简称轴向应变)表面上的酒吧在这些点1。两个应变仪的位置D对称安排酒吧2测量杆的弯曲应变2在这一点上,和两个应变仪是对称排列在位置和F的酒吧2测量杆的轴向应变2在这些点。两个应变仪是对称排列在3 D条位置测量杆3的弯曲应变,应变仪和两个对称安排在位置B和E酒吧3测量杆的轴向应变。预设钢筋的应变仪是在钢丝绳的每个部分模型的控制要求应用于钢丝绳。两个位移米被设定在职位L和E在加载测量模型的垂直位移。

4所示。分析测试结果

根据上面的测试方案中,节点位移之间的关系,得到了两种结构的荷载,以及表面应变测量点和负载之间的关系。详细的测试结果分析如下。

4.1。Cable-Strengthened剪刀结构的静态性能分析

cable-strengthened剪刀结构的静态测试,四个不同的自命不凡应用于结构。自负的价值由应变仪的控制电缆力测量装置。应变和相应的控制价值张力表中列出1。自负的影响在结构刚度、内力和应力分布利用收集到的数据进行了分析。获得的结论如下:如果钢铁电缆服务,要求钢电缆的价值基本上没有对刚度的影响。如果电缆的服务,刚度会显著降低。自负的价值很少影响结构的内力与负载的变化,和横截面的应力分布相对均匀。测试结果的详细分析如下。

以下4.4.1。电缆自负对刚度的影响

L和E节点的荷载位移曲线如图所示9。荷载位移曲线的斜率反映了结构的刚度。如图9,每个曲线大致可以分为两个明显的部分。的下部曲线描述的工作状态上电缆和电缆越低,而上部的曲线描述了降低电缆。首先,山坡上的下部曲线近似相等。这表明,当上、下电缆都在服务,结构的刚度是不受自负的值。第二,上部的曲线近似一条直线与一个非常接近的斜率。这表明当上电缆的服务时,结构的刚度影响仍不自负的价值,但钢电缆是否在服务对刚度有很大的影响。曲线的转折点表明上电缆开始停止工作。

4.1.2。自负的钢电缆对内力的影响

清楚地解释自负对结构的内力,酒吧1是作为一个例子,及其load-bending应变曲线和load-axial应变曲线在不同自命不凡了,如图10。图中纵轴代表外部负载,和水平轴代表了弯曲应变和轴向应变。

4.1.3。自负对弯矩的影响

虽然每个曲线在图的位置10 ()的整体形状是不同的,上面的曲线基本上是一样的荷载位移曲线。每个曲线可以分为两个不同的部分,相应的工作状态上电缆和电缆和单一低降低电缆。的下部曲线的斜率大约是相同的。它表明,当上、下电缆都在服务,弯矩的变化规律的成员借口很难受到的负载值。的上部曲线的斜率也接近,表明上电缆的服务时,弯矩的变化规律的成员还没有受到的负载要求值。然而,它可以发现弯矩增加上电缆后迅速的服务。

4.1.4。自负的轴向力的影响

图10 (b)显示了自负的轴向力的影响。这些曲线显示直线上升,斜率是相同的,这表明,自负的价值没有影响轴向力的变化,并与钢电缆是否在服务或不是。

4.1.5。电缆自负对应力分布的影响

的值和类型内力由会员承担直接确定截面的设计。研究成员cable-strengthened剪刀结构应力,弯曲应变的枢轴位置(C)和酒吧1的轴向应变进行了比较。图11显示比曲线的弯曲应变杆1的轴向应变变化的负载。水平轴呈现弯曲应变与轴向应变的比值,和纵轴介绍了外部负载。如图111和2之间的比率,表明弯曲应变大于轴向应变。在这个结构的设计,弯矩的影响不容忽视。弯曲应变与轴向应变的比曲线可以分为两个部分,对应于上、下电缆的工作状态和单一工作状态下电缆。在曲线的下方,比随荷载的增加,这表明弯矩的增长率小于轴向力。在上部曲线,当上电缆不服务,比开始迅速增加随着负载的增加,这也表明弯矩正在加速。通过曲线的比较,可以得出结论,上下电缆的共同工作是很重要的,虽然这是取决于具体情况。

4.2。Cable-Free剪刀的静态性能分析的结构

cable-strengthened剪刀结构的静态测试后,所有的钢铁电缆结构的释放,和垂直棒两端添加剪刀的结构;然后获得一个稳定的对称结构,如图6 (b)。相同的测试设备用于加载结构三次,和结构逐步加载不少于5的水平。位移的数据、弯曲应变和轴向应变的结构同时收集。试验结果表明,cable-free剪刀结构的刚度相对较小,和整体变形模型的负载下是显而易见的。弯曲应变的主成员非常大,和弯矩是一个重要的参考指数cable-free剪刀的设计结构。

4.2.1。准备Cable-Free剪刀结构的刚度

图12曲线显示了displacement-load cable-free剪刀的结构。通过观察,可以看出displacement-load关系是线性的。当负载大,它们之间的关系显示了一个非线性趋势。当载荷达到9 kN,结构的位移超过8毫米,和整体位移非常大。上述情况显示在测试:随着荷载的增加,中间元素向下移动,逐渐和位移增加。当负载大,两边的元素开始向内旋转,驱动垂直棒两端明显向内旋转。结构的大变形的结构表现出一定的非线性。上面的数据和现象表明cable-free剪刀结构的刚度相对较小。

4.2.2。内力Cable-Free剪刀的结构

图13显示了酒吧的load-bending和load-axial应变曲线1、2和3。在弹性范围内,载荷和应变之间的关系可以直接反映了荷载和内力之间的关系。

曲线在图13显示明显的线性。然而,当负载很大,可以观察到单个点偏离直线。这是由于结构几何非线性的大变形下的结构大负载。如图(13日)酒吧的弯曲菌株1和3都相对较大。在相同载荷下,弯曲的酒吧1和3是几次轴向应变图13 (b)。它表明弯矩cable-free剪刀的一些成员结构非常大,这也不利于结构的承载能力。

4.2.3。应力分布的部分成员Cable-Free剪刀结构

从上面的数据可以看出,酒吧2位于支持,和支持反应很大,导致很大的轴向力,但一个小弯曲力矩。酒吧3位于边缘的结构,与小的轴向力和弯矩。因此,酒吧2和3的内力是特别的。和应力分布的特点,部分成员cable-free剪刀结构讨论了通过使用酒吧1。表2列出了弯曲应变、轴向应变和主杆1的比例下的负载。通过分析数据,加载下的弯曲应变比轴向应变大得多。虽然比随荷载的增加,弯曲应变仍几次轴向应变。因此,压力是造成的不均匀分布;成员的断面尺寸太大;和不能充分利用材料的强度,这并不有利于减少结构的重量。

4.3。比较之间的静态性能Cable-Free剪刀结构和Cable-Strengthened剪刀结构

从两个测试获得的数据用于后续分析。当电缆力测量装置的压力是300µε,cable-free和cable-strengthened剪刀结构的相关数据进行了比较。分析结果表明,钢电缆的存在增加了剪刀的刚度结构,内力相对减少,横截面的应力分布更加均匀。因此,钢电缆非常有意的作用的承载结构。具体分析如下。

4.3.1。刚度的比较

图14显示了cable-free和cable-strengthened剪刀结构的荷载位移曲线。通过比较,可以发现,两条曲线的斜率大于cable-strengthened剪刀结构cable-free剪刀的结构。这表明,钢电缆可以显著提高剪刀结构的刚度。这个结论可以被证明是通过比较在相同负载下位移。例如,当负载7 kN, cable-strengthened剪刀结构的位移约3毫米,而cable-free剪刀的结构已达到约7毫米,后者的位移是前者的两倍以上。

4.3.2。内力的比较

图15显示了酒吧的load-bending应变曲线1的cable-free和cable-strengthened剪刀结构。发现的两条直线的斜率cable-strengthened剪刀结构比cable-free剪刀的曲线结构,这表明cable-free剪刀的成员结构的弯矩与增加外部负载增加更快。在相同载荷下,cable-free剪刀结构的应变远远大于cable-strengthened剪刀的结构,这表明钢电缆可以减少剪刀的成员结构的弯矩。图16显示了load-axial应变曲线,曲线的斜率基本上是相同的,和轴向力的cable-strengthened剪刀结构略高于cable-free剪刀的结构。全面比较两种结构的应力条件下,弯曲应变和轴向应变之和进行比较,如图17。可以看出cable-free剪刀结构的综合应变明显高于cable-strengthened剪刀的结构。上述分析表明,钢电缆的应用可以大大减少剪刀结构的内力。

4.3.3。应力分布的比较

如图11和表2弯曲应变的比值,cable-strengthened剪刀结构的轴向应变基本保持在1∼2倍,而酒吧的弯曲应变1 cable-free剪刀结构是轴向应变的好几倍。这表明与cable-free剪刀结构相比,添加钢电缆使会员部分的应力分布更均匀,这有利于提高结构的承载能力。

5。结论

在这篇文章中,一个三维部署提出了桥梁结构基于cable-strengthened剪刀。除了快速扩张,钢铁电缆被用来加强剪刀结构提高刚度和承载力。静态加载对比试验cable-strengthened和cable-free剪刀结构进行。获得的结论如下:(1)cable-free剪刀结构的刚度相对较小,导致结构的大位移、大截面弯矩的成员,和不均匀的应力分布。(2)cable-strengthened剪刀结构的刚度显著提高;成员的弯矩显著降低;和应力分布更加均匀。因此,cable-strengthened剪刀结构的承载能力大大提高。(3)静态加载对比试验表明,添加钢电缆大大提高了剪刀的刚度结构,大大降低了内力,会员部分的应力分布更均匀,提高剪刀结构的承载能力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的科学研究支持项目“333高层次人才培养工程”的江苏省,中国(批准号BRA2020241)和江苏省宿迁Sci和科技项目,中国(格兰特Z2019112号,2021 td04, K202012),感激地承认。