一种龟甲仿生的拱结构及其制造方法
阅读说明：本技术 一种龟甲仿生的拱结构及其制造方法 (Tortoise shell bionic arch structure and manufacturing method thereof ) 是由 周建庭 秦煜 侯居光 雍家宝 辛景舟 杨俊� 张洪 王威娜 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种龟甲仿生的拱结构及其制造方法。该龟甲仿生的拱结构包括底板和横截面呈弧形的顶板,所述顶板的两侧通过腹板与底板相连,形成其横断面轮廓呈龟甲型的主拱圈,所述主拱圈内还贯穿布置有对顶板提供支撑连接的支撑构件。利用呈弧形的顶板两侧通过腹板与底板连接,使得顶板、腹板以及底板三者连接形成主拱圈,该主拱圈的端面轮廓呈龟甲型,这样设计,具有构造新颖美观、形式简单、受力模式明确、制造方便等优势；在主拱圈内贯穿有支撑构件,支撑构件与顶板连接,通过支撑构件能够承担顶板的荷载,增加顶板承载能力,提高拱结构整体的抗压能力。(The invention discloses a tortoise shell bionic arch structure and a manufacturing method thereof. The bionic tortoise shell arch structure comprises a bottom plate and a top plate with an arc-shaped cross section, wherein two sides of the top plate are connected with the bottom plate through a web plate to form a main arch ring with a tortoise shell-shaped cross section, and a supporting member for supporting and connecting the top plate is arranged in the main arch ring in a penetrating manner. The two sides of the arc-shaped top plate are connected with the bottom plate through the webs, so that the top plate, the webs and the bottom plate are connected to form a main arch ring, and the end face contour of the main arch ring is in a tortoise shell shape, so that the design has the advantages of novel and attractive structure, simple form, clear stress mode, convenience in manufacturing and the like; the supporting members penetrate through the main arch ring and are connected with the top plate, the load of the top plate can be borne through the supporting members, the bearing capacity of the top plate is improved, and the overall compression resistance of the arch structure is improved.)
技术领域
本发明涉及桥梁的技术领域，具体涉及一种龟甲仿生的拱结构及其制造方法。
背景技术
近些年来，我国的经济水平得到了极大的提高和改善，人们的生活观念和居住感念也不断发生着变化，尤其是近些年来我国所倡导的环保节约的观念，更是为我国建筑行业的发展带来了新的机遇，无论是从建筑企业的基础结构之上还是到具体的工程制造，无一不发生着较大的变化。为了有效推动我国建筑行业的长远和健康发展，在桥梁的优化和设计工作中就大量的用到了仿生理念，其利用仿生观念的主要目的就是为了对桥梁使用过程中存在的一些问题加以有效的解决，更好的为我国桥梁的发展提供科学的指导工作。
桥梁的设计工作是我国工程建筑中极为重要的一个分支，建筑事业的长远发展一定程度上依赖于设计师的新的创意和灵感，因此，仿生学在桥梁设计中的应用势必会更好的推动桥梁功能与造型的不断创新，这对于更好的保障我国桥梁建筑事业的发展具有十分重要的意义和作用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种龟甲仿生的拱结构及其制造方法，以在满足桥梁良好的抗压能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种龟甲仿生的拱结构，包括底板和横截面呈弧形的顶板，所述顶板的两侧通过腹板与底板相连，形成其横断面轮廓呈龟甲型的主拱圈，所述主拱圈内还贯穿布置有对顶板提供支撑连接的支撑构件。
通过对大量的生物结构形式进行分析和论证，本方案发明人认为龟甲结构具有卓越的抗压能力，且与拱结构具有高度的相似相近性，因此，为拱结构的设计和优化提供参考价值。利用呈弧形的顶板两侧通过腹板与底板连接，使得顶板、腹板以及底板三者连接形成主拱圈，该主拱圈的端面轮廓呈龟甲型，这样设计，具有构造新颖美观、形式简单、受力模式明确、制造方便等优势；在主拱圈内贯穿有支撑构件，支撑构件与顶板连接，通过支撑构件能够承担顶板的荷载，增加顶板承载能力，提供拱结构整体的抗压能力。
进一步，所述支撑构件为设置在横断面中部的腋柱板，所述腋柱板两侧分别与顶板的两侧位置处连接。
这样设计，通过设置在横断面中部的腋柱板能够提高拱结构整体横断面的横向刚度，并使结构的整体性更好；利用腋柱板两侧分别与顶板连接，使得顶板的轴向压力沿顶板端部传递至腋柱板，增加了传力路径，并与腹板共同承载荷载作用，增强了顶板的承载能力。
进一步，所述支撑构件为设置在主拱圈中心位置的椎骨杆，所述椎骨杆上表面设有两个肋骨杆，所述肋骨杆远离椎骨杆端部与顶板内侧连接。
这样设计，优化了传力路径，顶板处的竖向荷载通过肋骨杆传递至椎骨杆上，由于椎骨杆是贯穿整个拱结构，因此，消除了顶板应力集中的不利现象，减小了顶板的竖向变形；
进一步，所述肋骨杆呈倾斜设置，两个肋骨杆与椎骨杆整体连接形成V字型。
这样设计，能够使得顶板的竖向压力经肋骨杆传递至椎骨杆，提高主拱圈的刚度，同时，对于节段悬臂浇筑或节段悬臂拼装制作的拱桥主拱结构，椎骨杆与肋骨杆的配合还提供了安全且免费的锚固基础，悬臂制作的两束临时拉索可以锚固在肋骨杆上。
进一步，所述支撑构件为设置在主拱圈中心位置的椎骨杆，所述椎骨杆上设有多组沿轴线方向间隔设置分布设置的支撑组件，所述支撑组件包括设置在椎骨杆上表面的两个肋骨杆，所述椎骨杆两侧分别设有腋柱板，所述肋骨杆远离椎骨杆端部与顶板内侧连接，两个所述腋柱板远离所述椎骨杆的侧面分别与顶板的两侧位置处连接。
这样设计，通过椎骨杆在沿轴线方向间隔设置的支撑组件，能够增大了拱结构横截面刚度，而且还能更好传递拱轴线方向的压力，同时，椎骨杆形成拱结构横断面的核心节点，将顶板、支撑组件、腹板和底板牢固连接在一起，共同承担荷载作用，消除了荷载效应分配不均的隐患；同时，支撑组件采用肋骨杆与顶板底部的连接提供竖向力的传递路径，以及腋柱板与顶板侧面连接提供水平力的传递路径，能够直接有效的传递拱轴线方向的压力，减小了顶板、腹板和底板的压应力。
进一步，所述腹板内沿长度方向间隔分布设有多个孔隙。
这样设计，在腹板上增加孔隙一方面能够减少材料用量以及降低工程造价，另一方面减轻腹板自身的结构自重；同时，还提供了主拱圈内部与外部之间的空气流动通道，可以降低内外部的温差，减少温差应力导致的拱结构裂缝病害。
进一步，所述孔隙为为圆角条形孔。
这样设计，通过为圆角条形孔的孔隙能够增加透光效果，通透性强，视觉观感较好，减小了传统拱结构的一堵墙带来的压抑感；同时，利用圆弧形式可以消除应力集中。
一种龟甲仿生的拱结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：模板加工：根据模板设计要求，浇注制作呈弧形顶板、底板以及腹板，再准备碳素结构钢制作而成的支撑构件；
步骤二：拱结构外部安装：根据主拱圈的设计要求，通过电动葫芦进行作业，先安装呈弧形的顶板与两块腹板，将顶板底部的两侧分别与腹板的上侧进行安装，再通过底板两侧分别与腹板下侧安装，整体形成横截面轮廓呈龟甲型的主拱圈；
步骤三：支撑构件安制：根据制作要求，在主拱圈内部沿拱轴线方向安装支撑构件，支撑构件与顶板进行安装形成整体的拱结构。
进一步，在步骤三中，支撑构件采用贯穿主拱圈的椎骨杆，所述椎骨杆上表面焊接有两个分别向外倾斜的肋骨杆，所述肋骨杆与顶板进行安装形成V字型结构。
进一步，在步骤三中，支撑构件采用贯穿主拱圈的椎骨杆，椎骨杆上焊接有多个沿轴线方向间隔设置的肋骨杆，所述椎骨杆两侧分别焊接有腋柱板，肋骨杆远离椎骨杆端部与顶板内侧连接，两个所述腋柱板远离所述椎骨杆的侧面分别与顶板的两侧位置处连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过横断面轮廓呈龟甲型的主拱圈，能够实现对传统钢筋混凝土拱结构截面形式的创新，造型新颖美观，通透性强，同时，主拱圈通过顶板、底板，以及连接顶板和顶板的两块腹板，使得顶板上的轴向压力沿腹板传递至底板，这样能够承担主拱圈轴线方向的压力，提高拱结构的刚度。
2、本发明采用的贯穿主拱圈的椎骨杆，以及椎骨杆上设计的间隔设置的支撑组件，支撑组件包括设置在椎骨杆上表面的两个肋骨杆，椎骨杆两侧分别设有腋柱板，肋骨杆顶部与顶板的底部连接，腋柱板远离所述椎骨杆的侧面与顶板连接，使得拱结构整体性更好，承载能力更强，结构刚度更大，同时减少了应力集中。
3、本发明利用椎骨杆上表面的肋骨杆形成的V字型，能够用于节段悬臂制作的拱桥主拱结构，临时拉索可以直接锚固在肋骨仿生的肋骨杆部件，无需再增加额外的措施，施工安全方便，节约工程费用。
附图说明
图1为本发明实施例一龟甲仿生的拱结构的结构示意图。
图2为本发明实施例二龟甲仿生的拱结构的结构示意图。
图3为本发明实施例三龟甲仿生的拱结构的结构示意图。
图4为本发明龟甲仿生的拱结构中腹板的结构示意图。
图5为本发明龟甲仿生的拱结构的制造方法的流程图。
图中：顶板1、腹板2、底板3、腋柱板4、椎骨杆5、肋骨杆6、孔隙7。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本实施例：参见图1，一种龟甲仿生的拱结构，包括底板3和横截面呈弧形的顶板1，顶板1的两侧通过腹板2与底板3相连，形成其横断面轮廓呈龟甲型的主拱圈，主拱圈内还贯穿布置有对顶板1提供支撑连接的支撑构件。
通过对大量的生物结构形式进行分析和论证，本方案发明人认为龟甲结构具有卓越的抗压能力，且与拱结构具有高度的相似相近性，因此，为拱结构的设计和优化提供参考价值。利用呈弧形的顶板1两侧通过腹板2与底板3连接，使得顶板1、腹板2以及底板3三者连接形成主拱圈，该主拱圈的端面轮廓呈龟甲型，这样设计，具有构造新颖美观、形式简单、受力模式明确、制造方便等优势；在主拱圈内贯穿有支撑构件，支撑构件与顶板1连接，通过支撑构件能够承担顶板1的荷载，增加顶板1承载能力，提供拱结构整体的抗压能力。
作为优选，如图1所示，支撑构件为设置在横断面中部的腋柱板4，腋柱板4两侧分别与顶板1的两侧位置处连接。
这样设计，通过设置在横断面中部的腋柱板4能够提高拱结构整体横断面的横向刚度，并使结构的整体性更好；利用腋柱板4两侧分别与顶板1连接，使得顶板1的轴向压力沿顶板1端部传递至腋柱板4，增加了传力路径，并与腹板2共同承载荷载作用，增强了顶板1的承载能力。
作为优选，如图2所示，支撑构件为设置在主拱圈中心位置的椎骨杆5，椎骨杆5上表面设有两个肋骨杆6，肋骨杆6远离椎骨杆5端部与顶板1内侧连接。
这样设计，优化了传力路径，顶板1处的竖向荷载通过肋骨杆6传递至椎骨杆5上，由于椎骨杆5是贯穿整个拱结构，因此，消除了顶板1应力集中的不利现象，减小了顶板1的竖向变形；
作为优选，如图2所示，肋骨杆6呈倾斜设置，两个肋骨杆6与椎骨杆5整体连接形成V字型。
这样设计，能够使得顶板1的竖向压力经肋骨杆6传递至椎骨杆5，提高主拱圈的刚度，同时，对于节段悬臂浇筑或节段悬臂拼装制作的拱桥主拱结构，椎骨杆5与肋骨杆6的配合还提供了安全且免费的锚固基础，悬臂制作的两束临时拉索可以锚固在肋骨杆6上。
作为优选，如图3所示，支撑构件为设置在主拱圈中心位置的椎骨杆5，椎骨杆5上设有多组沿轴线方向间隔设置分布设置的支撑组件，支撑组件包括设置在椎骨杆5上表面的两个肋骨杆6，椎骨杆5两侧分别设有腋柱板4，肋骨杆6远离椎骨杆5端部与顶板1内侧连接，两个腋柱板4远离椎骨杆5的侧面分别与顶板1的两侧位置处连接。
这样设计，通过椎骨杆5在沿轴线方向间隔设置的支撑组件，能够增大了拱结构横截面刚度，而且还能更好传递拱轴线方向的压力，同时，椎骨杆5形成拱结构横断面的核心节点，将顶板1、支撑组件、腹板2和底板3牢固连接在一起，共同承担荷载作用，消除了荷载效应分配不均的隐患；同时，支撑组件采用肋骨杆6与顶板1底部的连接提供竖向力的传递路径，以及腋柱板4与顶板1侧面连接提供水平力的传递路径，能够直接有效的传递拱轴线方向的压力，减小了顶板1、腹板2和底板3的压应力。
作为优选，如图4所示，腹板2内沿长度方向间隔分布设有多个孔隙7。
这样设计，在腹板2上增加孔隙7一方面能够减少材料用量以及降低工程造价，另一方面减轻腹板2自身的结构自重；同时，还提供了主拱圈内部与外部之间的空气流动通道，可以降低内外部的温差，减少温差应力导致的拱结构裂缝病害。
作为优选，孔隙7为为圆角条形孔。
这样设计，通过为圆角条形孔的孔隙7能够增加透光效果，通透性强，视觉观感较好，减小了传统拱结构的一堵墙带来的压抑感；同时，利用圆弧形式可以消除应力集中。
如图5所示，本发明还提供了龟甲仿生的拱结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：模板加工：根据模板设计要求，浇注制作呈弧形顶板1、底板3以及腹板2，再准备碳素结构钢制作而成的支撑构件；
步骤二：拱结构外部安装：根据主拱圈的设计要求，通过电动葫芦进行作业，先安装呈弧形的顶板1与两块腹板2，将顶板1底部的两侧分别与腹板2的上侧进行安装，再通过底板3两侧分别与腹板2下侧安装，整体形成横截面轮廓呈龟甲型的主拱圈；
步骤三：支撑构件安制：根据制作要求，在主拱圈内部沿拱轴线方向安装支撑构件，支撑构件与顶板1进行安装形成整体的拱结构。
作为优选，在步骤三中，支撑构件采用贯穿主拱圈的椎骨杆5，椎骨杆5上表面焊接有两个分别向外倾斜的肋骨杆6，肋骨杆6与顶板1进行安装形成V字型结构。
作为优选，在步骤三中，支撑构件采用贯穿主拱圈的椎骨杆5，椎骨杆5上焊接有多个沿轴线方向间隔设置的肋骨杆6，椎骨杆5两侧分别焊接有腋柱板4，肋骨杆6远离椎骨杆5端部与顶板1内侧连接，两个腋柱板4远离椎骨杆5的侧面分别与顶板1的两侧位置处连接。
1、本发明通过横断面轮廓呈龟甲型的主拱圈，能够实现对传统钢筋混凝土拱结构截面形式的创新，造型新颖美观，通透性强，同时，主拱圈通过顶板1、底板3，以及连接顶板1和顶板1的两块腹板2，使得顶板1上的轴向压力沿腹板2传递至底板3，这样能够承担主拱圈轴线方向的压力，提高拱结构的刚度。
2、本发明采用的贯穿主拱圈的椎骨杆5，以及椎骨杆5上设计的间隔设置的支撑组件，支撑组件包括设置在椎骨杆5上表面的两个肋骨杆6，椎骨杆5两侧分别设有腋柱板4，肋骨杆6顶部与顶板1的底部连接，腋柱板4远离椎骨杆5的侧面与顶板1连接，使得拱结构整体性更好，承载能力更强，结构刚度更大，同时减少了应力集中。
3、本发明利用椎骨杆5上表面的肋骨杆6形成的V字型，能够用于节段悬臂制作的拱桥主拱结构，临时拉索可以直接锚固在肋骨仿生的肋骨杆6部件，无需再增加额外的措施，施工安全方便，节约工程费用。
本发明提高了材料利用效率，减小了拱结构的工程量，增强了拱结构的竖向刚度，以计算跨径275m的拱结构为例，对比结果见表1所示。
表1 对比表
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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