[0001] 本发明涉及土木工程结构技术领域，具体而言，涉及一种预应力充压结构。

[0002] 在建筑物和构筑物中，为了承受结构自重和其他竖向荷载，以及横向荷载引起的倾覆力矩，结构中必定存在受压构件。而对于高宽比大的结构，由于结构有效宽度小，承受
倾覆力矩的力臂较短，局部构件所受的压荷载可能达到相当大的水平。

[0003] 相关技术中的受压构件，依靠固体材料承受压应力实现承压功能，如柱、墙等，构件承压性能主要受到构件尺寸、材料抗压承载能力和构件受压稳定性的影响。钢材等高强
材料虽然材料本身的承压能力强，但由于构件受压稳定性因素使细长压杆的受压稳定临界
荷载小于截面最大可承受的压荷载，削弱了材料高强度带来的优势，严重限制了超高强度
材料在结构中的应用。

[0042] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0043] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限
定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的
描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0044] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0045] 下面参考附图描述根据本发明实施例的预应力充压结构1。

[0046] 如图1‑图20所示，根据本发明实施例的预应力充压结构1包括多个充压单元10，充压单元10包括多个充压组件11，每个充压组件11包括充压杆100和充压杆拉索300。

[0047] 充压杆100内设有一个或多个充压容器101，充压容器101内填充有流体，充压杆100的两端连接有端板200。充压杆拉索300的两端分别与两个端板200相连。

[0048] 这里需要理解的是，所述流体可以为高压液体或高压气体。“高压”指高于结构所在位置处的大气压。

[0049] 具体而言，充压杆拉索300与充压杆100均与两端的端板200相连，充压杆100与充压杆拉索300协同受力。

[0050] 如图4和图5所示，在某一平衡状态下，充压杆100与充压杆拉索300组成的充压组件11承受的压力F与充压组件11的反力FR相等。而充压组件11的反力FR＝Fa‑FC，其中Fa为
充压杆100由于内部高压气体或高压液体向外膨胀的趋势而产生的向外的力，Fa＝pA，其中
p为充压容器101内部充压，A为充压杆100内所有充压容器101端面截面积之和，正常工作情
况下，可以认为p和A均为定值，或者难以发生迅速的变化，因此Fa在正常工作情况下保持稳
定，Fa体现了充压杆100的最大承压能力；FC为充压杆拉索300的拉力，由于充压杆拉索300
端部和充压杆100均连接到端板200上，所以充压产生的指向充压组件11外侧的力Fa中的一
部分被指向充压组件11内侧的力FC抵消，即FR＝Fa‑FC，最终表现出的充压组件11的反力FR
小于总充压反力能力(Fa)。

[0051] 可以理解的是，充压容器101内流体的物质的量和温度不变的情况下，充压杆100内部充压p只有在充压容器101体积发生显著变化的情况下才会发生明显变化。充压容器
101的壁厚远小于充压容器101的直径与长度，壁厚造成的轴向刚度可忽略，充压组件11的
轴向刚度由充压杆拉索300控制，根据并联构件荷载分配原理，荷载变化将集中于并联构件
中刚度较大的构件中。因此如图5所示，当充压组件11所受的压力F发生变化，变为F+ΔF时
(ΔF小于F)，充压杆拉索300由于刚度较大，在荷载变化引起的变形下拉力发生显著变化，
变为FC+ΔFC，而充压杆100向外的力Fa＝pA没有显著变化，因此ΔFC＝‑ΔFR。只要充压杆
拉索300还存在拉力，充压组件11所受的压力F的变化都将集中转化为充压杆拉索300拉力
FC的变化。

[0052] 所述充压系统可根据控制信号调节充压容器内的流体压力。

[0053] 可以理解的是，通过充压系统可以改变充压容器101内的流体的物质的量，从而调节充压容器101内部充压的压强p。此调节过程的速度有限但调节范围大，可用于在季节变
化、设备安装过程等稳定且缓慢的变化过程中调节充压杆100的承压能力。

[0054] 根据本发明实施例的预应力充压结构1，通过充有流体的充压杆100作为主要承压构件，由于充压容器101在特定方向上的受压刚度较小，所以充压容器101在外部荷载变化
而容器内流体的物质的量和温度不变的情况下，充压容器101的形状和体积容易发生较大
的变化。通过设置充压杆拉索300，使充压杆100和充压杆拉索300组成的充压组件11在荷载
变化的情况下形状能够维持稳定。

[0055] 并且，充压杆拉索300在充压杆100内部充压的情况下受拉，使得一部分充压引起的使充压杆100向外膨胀的力变为了充压杆拉索300内的拉力，因此充压杆拉索300相当于
“存储”了一部分充压杆100本身具有的承压能力。当充压杆100和充压杆拉索300共同构成
的充压组件11受到外部压力作用时，充压杆拉索300所受的拉力减小，一部分“存储”的充压
杆100的承压能力被释放，充压组件11的刚度将是充压杆100刚度和充压杆拉索300刚度之
和，有效的提高充压组件11的总体刚度。

[0056] 此外，通过对充压杆拉索300的承压能力“存储”作用，气温变化和泄露等因素造成的充压容器101内部压力变化不会直接对整体的充压组件11承压能力造成直接的显著影
响，减小充压组件11承压能力的波动。例如气温升高导致充压杆100内压力增大时，充压杆
100对两端增大的推力大部分变为充压杆拉索300内增大的拉力，充压容器101泄露时，充压
杆拉索300内的拉力减小，使充压组件11整体的承压能力不会立刻迅速下降。

[0057] 因此，根据本发明实施例的预应力充压结构1具有承压能力强与承压能力稳定等优点。

[0058] 下面参考附图描述根据本发明具体实施例的预应力充压结构1。

[0059] 在本发明的一些具体实施例中，如图1‑图20所示，根据本发明实施例的预应力充压结构1包括多个充压单元10，充压单元10包括多个充压组件11，每个充压组件11包括充压
杆100和充压杆拉索300。

[0060] 具体而言，充压单元10有四边形形式与三角形形式两种。四边形形式的充压单元10如图1‑图3所示，每个充压单元10包括第一充压组件和第二充压组件和至少两个斜向连
接件400。三角形形式的充压单元10如图20所示。

[0061] 所述第一充压组件包括第一充压杆和第一充压杆拉索，所述第二充压组件包括第二充压杆和第二充压杆拉索，第一充压杆和第二充压杆沿水平方向间隔设置，充压杆100内
均设有一个或多个充压容器101，充压容器101内填充有流体，充压杆100的两端连接有端板
200，第一充压杆的上端连接有第一上端板211且下端连接有第一下端板212，第二充压杆的
上端连接有第二上端板221且下端连接有第二下端板222。所述第一充压杆拉索的两端分别
与第一上端板211和第一下端板212相连，所述第二充压杆拉索的两端分别与第二上端板
221和第二下端板222相连。斜向连接件400包括第一斜向连接件410和第二斜向连接件420，
第一斜向连接件410的两端分别与第一上端板211和第二下端板222铰接相连，第二斜向连
接件420的两端分别与第一下端板212和第二上端板221铰接相连。多个充压组件11可共同
承受充压单元10的竖向荷载以及水平荷载引起的倾覆力矩。多个充压组件11之间通过斜向
连接件400相连。斜向连接件400不承受来自上部结构的重力荷载。当充压单元10受到横向
荷载作用时，斜向连接件400在充压单元10内作为传递水平荷载以及充压单元10内部倾覆
力矩引起的结构内力的构件，使充压单元10内的各个充压组件11协同工作。

[0062] 具体而言，充压容器101的为薄壁容器，使充压容器101的自重较小。

[0063] 具体地，如图1‑图3、图6‑图8、图11‑图12、图16‑图19所示，每个充压单元10还包括横向连接件500，横向连接件500包括第一上横向连接件511和/或第一下横向连接件512，第
一上横向连接件511的两端分别与第一上端板211和第二上端板221相连，第一下横向连接
件512的两端分别与第一下端板212和第二下端板222铰接相连。这里需要理解的是，“横向”
仅为了便于表述，并非对于实际设置方向的限定，横向连接件500可以沿水平方向定向也可
以与水平方向呈一定角度。通过设置横向连接件500，可以进一步连接多个上端板200和多
个下端板，进一步促进多个充压组件11的协同作用。

[0064] 此外，通过使横向连接件500和斜向连接件400与端板200铰接相连，可以使斜向连接件400和横向连接件500能够相对端板200转动，以便于应对横向载荷。

[0065] 有利地，预应力充压结构1还包括充压系统，所述充压系统分别与多个所述充压容器101连通以对所述充压容器101内的流体进行充放。这样可以通过所述充压系统调节充压
容器101内的压力，从而对充压容器100的受力进行调节。

[0066] 更为有利地，预应力充压结构1还包括充压杆拉索主动控制系统，所述充压杆拉索主动控制系统包括充压杆拉索应力传感器、充压杆拉索长度控制装置600和充压杆拉索控
制器。所述充压杆拉索应力传感器用于检测充压杆100和充压杆拉索300的应力状态。充压
杆拉索长度控制装置600用于控制充压杆拉索300的长度。所述充压杆拉索控制器分别与所
述充压杆拉索应力传感器和充压杆拉索长度控制装置600电连接。具体而言，充压杆拉索长
度控制装置600可以为多个且每个充压杆拉索300上分别连接有充压杆拉索长度控制装置
600。这样可以利用充压杆拉索主动控制系统主动控制充压杆拉索300的长度，从而控制充
压杆拉索300对充压杆100的力，进一步便于预应力充压结构1的调节，提高预应力充压结构
1的承压能力。

[0067] 进一步地，预应力充压结构1还包括斜向连接件主动控制系统，所述斜向连接件主动控制系统包括斜向连接件应力传感器、斜向连接件长度控制装置700和斜向连接件控制
器。所述斜向连接件应力传感器用于检测斜向连接件400的应力状态。斜向连接件长度控制
装置700用于控制斜向连接件400的长度。所述斜向连接件控制器分别与所述斜向连接件应
力传感器和所述斜向连接件长度控制装置700电连接。具体而言，斜向连接件长度控制装置
700可以为多个且每个斜向连接件400上分别连接有斜向连接件长度控制装置700。这样可
以利用斜向连接件主动控制系统主动控制斜向连接件400的长度，从而控制斜向连接件400
的力，进一步便于预应力充压结构1的调节，提高预应力充压结构1的承压能力。

[0068] 具体而言，当充压组件11所受的压力F变化为F+ΔF时，充压杆拉索主动控制系统微小调整充压杆拉索300的长度，使充压杆拉索300的长度在拉力为FC+ΔFC时和调整前拉
力为FC时相同，则充压组件11在受压力为F和F+ΔF时的长度将相同。即由于充压杆拉索主
动控制系统对充压杆拉索300长度的调整，可以使所有的应变集中于充压杆拉索300中，使
充压组件11不会变形。

[0069] 进一步地，图1‑图3显示了预应力充压结构1的一个充压单元10的工作原理。一个充压单元10包括两个充压组件11，两个斜向连接件400和两个横向连接件500。充压单元10
中的两个充压组件11和两个横向连接件500构成了一个四边形，根据结构设计可以为矩形、
梯形、平行四边形或任意形状的四边形，而两个斜向连接件400位于该四边形的两根对角线
上。充压单元10在受横向荷载作用的情况下，如图2所示，两个斜向连接件400一个长度缩短
一个长度增加。如果斜向连接件400为拉索等不能承受压力的构件且没有施加预拉力，其中
长度缩短的斜向连接件400会因为受压而退出工作，而当斜向连接件400为杆件等可以承受
压力的构件或为施加预拉力的拉索时，两个斜向连接件400均会参与受力。竖向压力由两个
充压组件11承受。当斜向连接件400安装有斜向连接件长度控制装置700时，充压单元10受
横向荷载作用将导致两个斜向连接件400分别受压和受拉，斜向连接件长度控制装置700通
过微小调整斜向连接件400的初始长度，使斜向连接件400在受力状态下的长度与调整前不
受外荷载作用情况下的长度相同，如图3所示，此时斜向连接件400应变和应力变化但长度
不变，充压单元10的形状保持不变；如果斜向连接件400不能受压，则在横向外荷载作用下
应当受压的斜向连接件400上的斜向连接件长度控制装置700可以不调整所在斜向连接件
400的长度，该斜向连接件400会由于受压而自动退出工作。

[0070] 图13示出了根据本发明一些示例的预应力充压结构1。如图13所示，充压杆100外包覆有可相对充压杆100转动的降阻外壳900，降阻外壳900内表面与充压杆100外表面通过
支架910支撑，支架910由多个杆件组成。充压杆100外可以设有滑轨911，支架910可以与滑
轨911滑动配合。具体而言，降阻外壳900可以为流线型结构。这样可以使风吹过时降阻外壳
900随风向转动，以降低充压杆100受到的空气阻力，降低气流对充压杆100的影响。

[0071] 在一些实施例中，每个充压组件11包括多个充压杆100和多个充压杆拉索300，充压杆拉索300设在充压杆100的壁外，端板200包括第一端板和第二端板，多个充压杆100的
第一端以及多个充压杆拉索300的第一端均与第一端板相连，多个充压杆100的第二端以及
多个充压杆拉索300的第二端均与第二端板相连。

[0072] 在一些实施例中，如图9所示，第一充压杆为三个且相互相切以限定出第一内侧空间，所述第一充压杆拉索为多个且设在所述第一内侧空间内，第二充压杆为三个且相互相
切以限定出第二内侧空间，所述第二充压杆拉索为多个且设在所述第二内侧空间内。这样
可以利用多个充压杆100和多个充压杆拉索300共同组成一个充压组件11，提高每个充压组
件11的承压能力。

[0073] 在一些实施例中，如图10所示，第一充压杆为三个且相互相切以限定出第一内侧空间，所述第一充压杆拉索为多个且设在所述第一内侧空间外，第二充压杆为三个且相互
相切以限定出第二内侧空间，所述第二充压杆拉索为多个且设在所述第二内侧空间外。这
样同样可以利用多个充压杆100和多个充压杆拉索300共同组成一个充压组件11，提高每个
充压组件11的承压能力。

[0074] 在另一些实施例中，在每个充压组件11中，充压杆拉索300穿设于充压杆100内。具体而言，如图14和图15所示，所述第一充压杆拉索穿设于第一充压杆内，所述第二充压杆拉
索穿设于第二充压杆内。这样同样可以实现充压杆100和充压杆拉索300的连接。

[0075] 具体而言，如图14所示，充压杆100内可以具有一个充压容器101，充压容器101可以由充压杆100内表面限定出，或充压容器101的壁与充压杆100的内表面贴合。

[0076] 如图15所示，充压杆100内可以具有多个充压容器101。这样可以适用于尺寸较大的充压杆100，通过在充压杆100内部布置多个充压容器101，可以降低对充压杆100密封性
的要求，减小大尺寸构件的加工难度。

[0077] 在本发明的一些实施例中，如图6‑图8和图12所示，每个充压单元10还包括第三充压组件，第三充压组件中含有第三充压杆和第三充压杆拉索。第三充压组件通过第三斜向
连接件、第四斜向连接件、第五斜向连接件、第六斜向连接件、第二上横向连接件、第二下横
向连接件、第三上横向连接件、第三下横向连接件和第一充压组件与第二充压组件连接。第
三充压杆分别与第一充压杆和第二充压杆在水平方向上间隔设置且第一充压杆、第二充压
杆和第三充压杆在水平方向上组成三角形的三个顶点，第三充压杆的上端连接有第三上端
板且下端连接有第三下端板，所述第三充压杆拉索分别与所述第三上端板和所述第三下端
板相连，所述第三斜向连接件分别与所述第一上端板和所述第三下端板相连，所述第四斜
向连接件分别与所述第一下端板和所述第三上端板相连，所述第五斜向连接件分别与所述
第二上端板和所述第三下端板相连，所述第六斜向连接件分别与所述第二下端板和所述第
三上端板相连，所述第二上横向连接件分别与所述第一上端板和所述第三上端板相连，所
述第二下横向连接件分别与所述第一下端板和所述第三下端板相连，所述第三上横向连接
件分别与所述第二上端板和所述第三上端板相连，所述第三下横向连接件分别与所述第二
下端板和所述第三下端板相连。这样可以由三个充压杆100组成三棱柱状的充压单元，进一
步提高结构稳定性，适用于三棱柱状的支撑结构。

[0078] 进一步地，如图6所示，多个充压单元10可以沿上下方向叠置成三棱塔型，相邻两个充压单元10共用端板200和横向连接件500。

[0079] 具体而言，如图12所示，预应力充压结构1的多个充压单元10在承受横向荷载和竖向荷载情况下，图12中F(Vi,N)表示第i号充压组件11在其第N号节点处所受的竖向压力，图
12中i＝1或2；F(Hi,N)表示第i号充压组件11在其第N号节点处所受的横向荷载；F(Gi,N)表
示第i号充压单元10在其第N号节点处所受的重力荷载；F(B,N)表示连接和两个充压组件11
第N号节点的横向连接件500对节点的作用力；F(CAi,N)表示较高的一端连接至第i号充压
组件11的第N号节点的斜向连接件400对节点的作用力；F(Ci,N)表示第i号充压组件11的第
N区段对节点的作用力。当图12所示的预应力充压结构1受到向右的横向荷载FH作用时，横
向连接件500受压，实现横向荷载的左右传递。连接至右上方节点的斜向连接件400受拉，对
应于F(CA2,N)，连接至左上方的斜向连接件400受压，对应于F(CA1,N)，在图12所示的预应
力充压结构1中由于斜向连接件400不能受压所以F(CA1,N)＝0，图12中用虚线表示该斜向
连接件400因受压退出工作。在图12中，斜向连接件400的拉力在与右侧充压组件11连接的
节点(该斜向连接件400位置较高的一端)处提供了纵向向下(与竖向承压构件平行方向)的
分力，横向分力与节点所受的所有横向力(包括由横向连接件500传递来的横向力)平衡，因
此该斜向连接件400使右侧的充压组件11所受轴压力增大。同理，斜向连接件400的拉力在
与左侧充压组件11连接的节点(该斜向连接件400位置较低的一端)处提供了纵向向上(与
充压组件11平行方向)的分力，因此该斜向连接件400使右侧的充压组件11所受轴压力减
小，依次从上向下分析，可以得出横向荷载使左侧的充压组件11受拉而右侧的充压组件11
受压，再叠加竖向充压组件11所受的来自上部结构的竖向压力和来自该区域的重力荷载，
可以得到所有充压组件11所受的轴压力。

[0080] 进一步地，图12所示的受力分析显示了横向荷载将在右侧的充压组件11产生弯曲压力，左侧的充压组件11产生弯曲拉力。可以理解的是，受压的一侧充压组件11趋向于缩
短，受拉一侧的充压组件11趋向于伸长，导致预应力充压结构1出现向右侧的整体弯曲变
形。同时如图2所示，斜向连接件400在横向荷载作用下的变形将导致基本结构单元表现出
剪切变形的状态，导致预应力充压结构1出现另一种向右的整体剪切变形。预应力充压结构
1在横向荷载作用下的整体弯曲变形和整体剪切变形叠加造成结构横向位移，当预应力充
压结构1高度较高或荷载较大时结构横向位移过大将影响结构正常使用甚至导致结构破
坏。充压杆拉索长度控制装置600可以通过调节充压杆拉索300的长度将弯曲拉力或弯曲压
力引起的变形集中于充压杆拉索300中，即充压组件11中的局部发生变形而整体尺寸没有
变化，使得塔型预应力充压结构1不会出现向右侧弯曲的变形。斜向连接件长度控制装置
700可以通过调节斜向连接件400的长度使每一个四边形充压单元10在横向荷载作用下保
持形状不变，消除预应力充压结构1在横向荷载作用下的整体剪切变形。所以通过充压杆拉
索长度控制装置600和斜向连接件长度控制装置700能够使预应力充压结构1在横向荷载作
用下保持形状稳定，提高结构的安全性和使用性能。

[0081] 在另一些实施例中，如图16和图17所示，预应力充压结构1为大跨支撑结构，多个充压单元10在水平方向上排列。这里需要理解的是，“大跨”是指建筑领域中特指的大跨度
结构，例如厂房、仓库等。充压构件11可以作为结构的柱，横向连接件500为结构中的地梁或
柱顶横梁，斜向连接件400为柱间斜拉索。具体而言，如图16和图17所示，相邻的两个充压单
元10之间连接有斜向连接件400。这样可以使预应力充压结构1应用于大跨度结构，提高对
大跨度结构的承压效果。

[0082] 在另一些实施例中，如图17和图18所示，预应力充压结构1为桥梁支撑结构，多个充压单元10在所述桥梁的延伸方向上间隔设置。具体而言，如图18和图19所示，相邻的两个
充压单元10之间连接有斜向连接件400。这样可以使预应力充压结构1应用于桥梁支撑，提
高对桥梁结构的承压效果。

[0083] 在另一些实施例中，如图20所示，充压单元10包括三个充压组件11，三个充压组件11的长度方向的两端首尾相连且围成三角形。具体而言，六个充压组件11的一端均与同一
个节点构件230相连。这样可以便于构成网状的充压结构。

[0084] 根据本发明实施例的预应力充压结构1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

[0085] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0086] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。