一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥的制作方法

本发明涉及建筑复合材料领域，具体涉及一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥。

背景技术：

复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗断裂能力强以及减振性能好等优点，复合材料桥梁建设的兴起在国际上始于20世纪末。由于桁架结构在承载力方面有明显优势，譬如其约束变形能力强且同等材料下承重能力更强，结构更加稳固，节点采用铰接点，不传递弯矩，受力明确，相互协调性好，因此我国在各地陆续修建了多座人行桁架天桥。目前，关于我国桥梁优化的建设普遍是多集中于结构优化和尺寸方面的优化，其中以桁架结构和梁板结构居多，多采用拉挤成型材料，但是对于人行桁架桥使用的优化方案并没有新的突破，虽然近年来拓扑优化技术得到的了广泛的关注，可是frp材料在拓扑优化后使用于桥梁建设的情况依然较少，具体的复合材料桥梁结构亟待设计和研究。

技术实现要素：

本发明目的在于解决现有技术中的不足，提供一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥，包括桥面板、三角桁架单元、支撑横杆、支撑竖杆以及连接扣件；所述的三角桁架单元通过连接扣件围接成长方体框架，所述的长方体框架组成人行桁架桥的四个侧面；所述的桥面板固定设于长方体框架的上方；所述的支撑横杆设于长方体框架的底部，支撑横杆的两端与三角桁架单元固定连接，所述支撑横杆的中点垂直向上设有支撑竖杆，所述支撑竖杆的顶端与桥面板的底部固定连接；其中，所述的三角桁架单元包括横向连杆、竖向连杆以及斜向连杆；所述的横向连杆与桥面板平行，所述的竖向连杆垂直设于桥面板与横向连杆之间，所述横向连杆、竖向连杆以及桥面板组成的框架内的对角线上设有斜向连杆。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的连接扣件设于长方体框架底部的四个拐角处，所述的连接扣件由两个形状一致的扣件板拼接形成，扣件板上设有半圆形的缺口，所述的两块扣件板拼接时，半圆形的缺口对应拼接成圆形的插入口，所述的半圆形的缺口内平行设有多组环形齿轮。

上述的圆形的插入口设有5个，分别对应一个竖向连杆、两个横向连杆以及两个斜向连杆的插入。

上述的横向连杆、竖向连杆以及斜向连杆呈两端粗中间窄的形状，所述横向连杆、竖向连杆以及斜向连杆的表面设有与环形齿轮对应的环形凸起。

上述的支撑横杆的两端与三角桁架单元的横向连杆垂直连接，所述支撑横杆至少设有5组，各支撑横杆之间平行设置。

上述的桥面板采用加胶钢化玻璃。

上述的横向连杆、竖向连杆以及斜向连杆插入至圆形的插入口后，通过焊接或粘结的方式进行固定，所述的横向连杆、竖向连杆以及斜向连杆均采用纤维增强树脂基复合材料。

上述的长方体框架的长边由3个三角桁架单元通过焊接或粘接组成，所述长方体框架的短边有1个三角桁架单元组成，长边与短边连接处的底部拐角设有连接扣件。

本发明的与现有技术相比，其优点在于：

本发明的人行桁架桥，通过连接扣件结合焊接或粘结的方式对三角桁架单元进行固定，既保证了桥梁整体的轻量化程度，同时也确保了桥梁整体的稳定性，并且采用的三角桁架单元本身也增强了桥梁的横向应力指数，三角桁架的组成单元呈两端粗中间窄的形状，使得杆件与扣件紧密的连接在一起，没有多余缝隙，进一步提高了桥梁结构的整体承载性能。件形状小巧，除插入口，预留缝及插入口加宽处无多余部分，节省用料，经济实用。使用复合材料作为桁架桥梁结构的部件既方便运输，也方便了现场的组装。同时采用加胶钢化玻璃作为桥面板的主材也让桥梁结构整体显得更加通透大方，增加了桥梁的适用性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的正视图。

图3是图1的侧视图。

图4是本发明横向连杆、竖向连杆或斜向连杆的示意图。

图5是本发明连接扣件内部结构示意图。

图6是本发明连接扣件整体结构示意图。

图中序号，1-桥面板、2-三角桁架单元、3-支撑横杆、4-支撑竖杆、5-连接扣件、21-横向连杆、22-竖向连杆、23-斜向连杆、51-扣件板、52-缺口、53-插入口、54-环形齿轮、200-环形凸起。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示的一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥，其特征在于：包括桥面板1、三角桁架单元2、支撑横杆3、支撑竖杆4以及连接扣件5；所述的三角桁架单元2通过连接扣件5围接成长方体框架，所述的长方体框架组成人行桁架桥的四个侧面；所述的桥面板1固定设于长方体框架的上方；所述的支撑横杆3设于长方体框架的底部，支撑横杆3的两端与三角桁架单元2固定连接，所述支撑横杆3的中点垂直向上设有支撑竖杆4，所述支撑竖杆4的顶端与桥面板1的底部固定连接；其中，所述的三角桁架单元2包括横向连杆21、竖向连杆22以及斜向连杆23；所述的横向连杆21与桥面板1平行，所述的竖向连杆22垂直设于桥面板1与横向连杆21之间，所述横向连杆21、竖向连杆22以及桥面板1组成的框架内的对角线上设有斜向连杆23。

参见图5和图6，本实施例中，所述的连接扣件5设于长方体框架底部的四个拐角处，所述的连接扣件5由两个形状一致的扣件板51拼接形成，与传统的直接将杆件插入的扣件不同，它是对称式的拼接扣件，扣件板51上设有半圆形的缺口52，所述的半圆形的缺口52内平行设有多组环形齿轮54，所述的两块扣件板51拼接时，半圆形的缺口52对应拼接成圆形的插入口53。所述圆形的插入口53设有5个，分别对应一个竖向连杆22、两个横向连杆21以及两个斜向连杆23的插入。由于连接扣件5设置在长方体框架的拐角处，因此可以将位于两个侧面上的三角桁架单元连接。由于插入口可以连接三维空间中任意方向的杆件，因此所述的连接扣件5除了必要的预留缝、连接缺口及其加宽处，没有多余的部分，在充分保证了扣件与连杆较大的接触面积的前提下，对材料的用量做了最节省的处理措施。扣件中环形齿轮既可以节省材料，也充分保证扣件和单间桁架单元之间的连接强度。

参见图4，本实施例中，所述的横向连杆21、竖向连杆22以及斜向连杆23呈两端粗中间窄的形状，所述横向连杆21、竖向连杆22以及斜向连杆23的表面设有与环形齿轮54对应的环形凸起200。所述的横向连杆21、竖向连杆22以及斜向连杆23插入至圆形的插入口53后，通过焊接或粘接的方式进行固定，并使用箍环绑扎，降低可能存在的强度不足的问题。

本实施例中，由图2和图3可知，由至少两组以上的三角桁架单元组合形成长方体框架的一个侧面，图2中有三个三角桁架单元，图3中由一个三角桁架三元形成长方体框架的另一个侧面，在实际的搭建过程中，可以根据桁架桥的桥面板1的大小对长方形框架的尺寸进行设计，三角桁架单元之间采用焊接或粘接的方式连接，不同侧面的三角桁架单元先通过连接扣件5连接后，在通过焊接或粘接的方式进行固定。

本实施例中，所述的支撑横杆3的两端与三角桁架单元的横向连杆21垂直连接，所述支撑横杆3至少设有5组，各支撑横杆3之间平行设置。

本实施例中，所述的桥面板1采用加胶钢化玻璃。

本实施例中，所述的横向连杆21、竖向连杆22以及斜向连杆23均采用纤维增强树脂基复合材料。

本发明的具体制备过程：

首先制备玻璃桥面板，根据桥面板的长边和短边的大小，确定长方体框架长边和短边所需要的三角桁架单元的个数，以图1为例，准备3个三角桁架单元横向固定连接形成长方体框架的长边，然后准备1个三角桁架单元作为长方体框架的短边，选择4个连接扣件将三角桁架单元连接成结构，然后再通过焊接的方式对三角桁架单元进行固定并最终围成长方体框架；然后将玻璃桥面板固定设置在长方体框架的上方；接着在长方体框架的底面设置5个支撑横杆，支撑横杆两端与位于长边的三角桁架单元的横向连杆垂直连接，同时保证5个支撑横杆与位于短边的三角桁架连杆的横向连杆平行，最后在支撑横杆的中点处垂直向上设置一根支撑竖杆，支撑竖杆的顶部与桥面板固定，形成如图1所示的人行桁架桥的结构。本发明是一种拓扑优化复合材料结构人行桁架桥，桥面采用加胶钢化玻璃，架结构及各杆件采用纤维增强树脂基复合材料，通过拓扑优化后，使得建造桥梁所使用的材料更加节省，降低了材料建造成本，使得桁架桥更具经济性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

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