張力索桁—拱組合高速管道橋
——模擬仿真建模計算

吳清明, 丁明鋼, 杜 娟, 劉 彪

(1. 中交通力股份有限公司, 四川成都 610000; 2. 四川省建筑設計研究院有限公司,四川成都 610000; 3. 四川省交通勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

1 高速管道交通

高速管道交通是未來發(fā)展的交通工具,采用低壓真空管道,減小空氣阻力實現(xiàn)高速,高達1 000 km/h的速度,可以替代航空交通。

2 張力索桁—拱組合橋

2.1 張力索—拱桁結構

“張力索桁”是穩(wěn)定結構,適合與梁或桁架作組合應用。采用張力索與拱肋桁架組合,具有“似拱非拱”特性,承受懸吊橋面系,使鋼結構加工簡便、經濟合理。具有剛度大、穩(wěn)定性好、自重輕、跨度大特點,張力拉索材料強度高、拉力大、自重輕、便于加強,主要承受全橋重量(圖1)。

2.2 張力索桁—拱組合橋的應用

“張力索桁”與拱肋桁架都是穩(wěn)定彈性結構,可共同組合形成“張力索桁—拱組合橋”。將吊橋橋面加勁桁架部份材料,用作拱肋桁架,既具有拱的強度、剛度、穩(wěn)定作用,又便于形成和加強“張力索桁”,減輕拱肋桁架自重,再懸吊橋面系。主要是加強拱的抗彎剛度和穩(wěn)定,實現(xiàn)索、拱共同承重和變形協(xié)調。彎矩的作功原理是力乘力臂,梁高、拱矢高、懸索垂度、斜拉索塔高都起力臂作用,唯梁高度起的作用小。在集中活荷載作用時,曲線拱肋桁架比平直桁架梁的抗彎剛度強大。拱肋桁架是壓彎受力,不容易變形。矢高與拱推力相乘,形成巨大抗彎平衡力矩。而平直桁架梁是純彎曲受力,抗彎剛度小、容易變形,大跨度鐵路鋼桁架橋都用鋼拱肋加強抗彎剛度(圖2)。

圖2 張力索桁—拱組合橋(半橋)

“張力索桁—拱組合橋”是拉索和拱共同承受荷載,因為拉索是使用“名義彈性模量”,已經“應力剛化”,即作預應力張拉,結構承受荷載的拉索強度高,故主要是拉索承重和保證安全。而不是拱肋桁架受壓作主要承重,與一般拱橋概念不同。拉索剛度強大,對拱肋桁架起到承重和穩(wěn)定作用,比單獨拱肋桁架承重更合理、安全,顯出組合結構優(yōu)越性。橋面系懸吊在拱肋桁架上,具有重力平衡剛度和加勁穩(wěn)定作用,索桁與拱肋桁架共同協(xié)調變形。

采用大、小2種分離三角形網狀吊桿懸吊橋面系,使橋面軸向受壓,加強橋面系剛度和穩(wěn)定。拱肋桁架作組合使用的矢跨比變化靈活,大和特大跨徑可以是較小矢跨比(1/10～1/12)坦拱,拱肋桁架僅起輔助承重作用,是發(fā)展變化的新型結構,顯出拱橋強壯和曲線美感,是為大和特大跨徑拱橋研究而提出,一般是作單跨形式使用。因為設有錨碇,可靈活作連續(xù)多跨使用,使錨碇設置適應地形條件,利于廣泛應用。

2.3 張力索桁塔架

單純大和特大跨徑拱橋應用很困難,采用“張力索桁—拱組合橋”可實現(xiàn)。塔架特性相同于吊橋,施工方法相同。鋼筋混凝土箱形塔柱使用鋼桁架滑升立模澆筑施工方便,比較經濟合理。但塔架高度不宜過高,限制了跨徑發(fā)展,宜采用坦拱相配合。

3 拱肋桁架特性

3.1 桁架材料

拱肋桁架宜輕而強,關鍵是保持結構局部和整體穩(wěn)定。鋼材強度高,是理想結構材料。但鋼材強度受結構剛度和穩(wěn)定影響,強度潛力無法充分發(fā)揮,結構選型很重要。桁架桿件主要是承受拉、壓力,結構宜剛度大和自重輕。鋼管截面特性各向相同,但受壓有穩(wěn)定和局部皺損失圓問題,影響材料強度發(fā)揮,不便作加勁加強,可選擇適當管徑和加大管壁厚度解決。拱肋桁架宜輕,只起有限承壓作用,主要是抗彎和保持穩(wěn)定,不同跨徑宜作管徑比選。

3.2 桁架形式

鋼管拱肋桁架橫斷面采用三角形式梯形,上弦桿平行凈距30 cm,保持三角形穩(wěn)定形式,方便2片桁架作平面加工,以便立起作梯形成型加工連接,方便張力拉索和橋面吊桿安裝連接?！皬埩λ麒臁碧匦允莾啥藙偠却?跨中段索桁高度和剛度小的變形較大。拱肋桁架起到一定拱承壓作用,主要是起抗彎和穩(wěn)定作用,取高H=6 m、寬B=4 m較合理,腹桿為三角形(圖3)。

圖3 桁架形式

鋼管拱肋桁架被張力拉索扣吊獲得縱、橫向穩(wěn)定,又有兩端斜拉索抗扭保持橫向穩(wěn)定,兩拱肋桁架之間加設平行鋼管橫撐桁架保持穩(wěn)定。橫撐桁架橫斷面為三角形,縱向間距為40 m,弦桿鋼管φ400×10 mm,腹桿鋼管φ245×8 mm。橫撐桁架腹桿為三角形。

3.3 桁架節(jié)點

鋼管拱肋桁架采用分節(jié)段吊裝架設,采用縱向夾板螺栓定位、連接和焊接,應減少空中接頭。拱肋桁架吊裝架設與橫撐鋼管桁架相配合,使鋼管拱肋桁架逐步定位成型,施工更方便安全。桁架節(jié)點傳力復雜,承受張力拉索和吊桿集中力。在節(jié)點局部長度內,鋼管需要焊接橫隔鋼板,灌注C50混凝土形成鋼管混凝土承壓。拱肋桁架腹桿在節(jié)點作相貫焊接,設加勁肋板加強連接。

3.4 桁架防護

鋼管拱肋桁架防護工作量大,為減少鋼管養(yǎng)護麻煩,桁架鋼管宜采用耐候鋼制造,僅作顏色涂裝處理。

3.5 拱肋桁架邊界

拱肋桁架的邊界是在橋面加載后,采用無鉸拱固結或雙鉸拱支承。

4 張力索桁—拱組合高速管道橋

4.1 高速管道橋面系

“張力索桁—拱組合橋”“張力索桁—拱組合公、鐵橋”都是新結構,亦可形成“張力索桁—拱組合高速管道橋”。公路、鐵路橋采用懸吊橋面系,而高速管道橋也采用懸吊橋面系。高速管道橋面系采用熱軋H型鋼作縱、橫梁格構焊接骨架,H型鋼加勁和加工簡單,施工方便,加強橋面系剛度和穩(wěn)定。橋面系格構縱梁與管道相組合,形成型鋼組合高速管道,使結構強度和剛度大為加強。

4.2 型鋼組合高速管道特性

縱梁間距與磁懸浮軌道相對應,便于縱梁、管道和磁懸浮軌道相互組合連接和加強,直接承受車輛活荷載。在管道之間按50 cm間距加設橫撐方鋼管形成啞鈴型,以加強橋面系橫向剛度和穩(wěn)定。

4.3 抗風穩(wěn)定

因為跨徑大和特大,橋面系抗風穩(wěn)定問題突出。橋面系鋼格構縱梁與高速管道相組合,管道之間預留1 m間距空間作透風槽,消除橋面系上、下風壓力差,保持橋面系穩(wěn)定。管道之間透風槽加設間距50 cm的方鋼管作連接,加鋪鋼筋網作維修人行步道,加大管道橫向抗風穩(wěn)定剛度。采用建筑輕型鋼裝修合金板,在橋面系管道兩側加設風嘴整流,將型鋼組合管道底面封閉。橫、豎向風力作用,可簡化為橫、豎等代集中風力,加在橋面系管道風嘴支撐節(jié)點作簡化計算。拱肋桁架鋼管受風作用較小,在橫撐桁架節(jié)點加等代集中風力作簡化計算。

4.4 抗地震

自重主要是由張力索桁拉索承受,受地震影響小,地震對塔架影響大。

5 結構計算

5.1 計算機

因為是先進穩(wěn)定、復雜結構,采用實用工程數(shù)值模擬“仿真”建模,使用工作站計算機作大數(shù)據(jù)計算方便。

5.2 算力設備

結構數(shù)值模擬“仿真”建模逼近真實結構,使計算模型單元數(shù)量巨大。要求計算機速度快和內存大,這是算力問題。一般PC微機算力有限,只宜計算簡化問題。圖形工作站是雙CPU,計算機速度快,內存可加大到16G、32G,顯存可大于4G,計算時間長達數(shù)小時。自備工作站計算比HPC機方便、經濟合理,可達近100萬單元,利用結構對稱性可節(jié)省一半單元,計算模型規(guī)模很大。

5.3 模擬仿真建模

實用工程數(shù)值模擬“仿真”建模逼近真實結構,不同類型單元組合連接困難、復雜[1],有限元程序無法完全提供標準模型,需要對程序模型作開發(fā)。再加設單元作連接處理,使單元數(shù)量龐大。對不同類型單元作組合連接,宜加設連接“拓撲”彈性梁單元,具有拉、壓、彎、扭、剪切空間功能,采用節(jié)點剛架單元替代節(jié)點桁架單元作“等代變換”處理,可節(jié)省2/3連接單元,使計算模型大為優(yōu)化,方便實現(xiàn)模擬“仿真”建模[2](圖4)。

圖4 模擬仿真建模

5.4 應力剛化

索結構計算存在“應力剛化”問題,采用高強度鋼絲索單元計算,需要作“應力剛化”處理。采用“名義彈性模量”E=4×1.95=7.80 MPa經驗值計算[3],可避免結構矩陣單元坐標變化,只作一次線性計算。

5.5 算法問題

“張力索桁—拱組合橋” 結構復雜,關鍵是計算方法。采用實用工程數(shù)值模擬“仿真”建模大數(shù)據(jù)計算,多種程序都可計算,程序是解決算法問題[4]。程序使用MATLAB數(shù)學軟件功能:矩陣、圖形、計算等功能起到人工智能作用。計算作有限元技術作開發(fā),利用圖形工作站計算,都是學習和實踐中領悟獲得的經驗?！斑~達斯”程序界面好,作基本節(jié)段建模后,再作修改、復制建模很方便。橫、豎方向風力作用,可簡化為橫、豎集中力作節(jié)點加載,使抗風作簡化計算方便。計算結果數(shù)據(jù)全面、清楚,云圖顯示直觀,便于作橋型方案比較,是研究新型、組合結構的科學方法。

6 算例

6.1 結構概況

結構既適合作大和特大跨徑使用,也適合作連續(xù)多跨使用。采用特大跨徑L=1000 m為例,張力索桁拉索垂/跨比F/L=1/10,F=100 m。拱肋桁架矢/跨比F/L=1/12,F=83.33 m。拱腳在橋面下4 m,橋面塔架總高度控制在H=200 m內,拱肋頂距離張力索桁拉索最低點約10 m,以加大跨中段索桁剛度。橋面系凈寬度B=9 m,采用熱軋H型鋼縱、橫格梁焊接形成橋面系骨架,型鋼生產、加工簡便和經濟。張力索桁拉索、吊桿采用鍍鋅平行鋼絲或鋼絞線,作耐久性防護。

6.2 模擬仿真建模

6.2.1 張力索桁架

“邁達斯”程序具有拋物線建模功能,張力拉索利用二次拋物線型建模方便。參照“張力索桁吊橋”斜拉索吊桿分組劃分形式,作拱肋桁架節(jié)點斜拉索吊桿分組劃分,確定吊點位置,修改拋物線形成折線形拉索,實際在吊點處局部索夾排列形成微曲線形,張力拉索折線是在結構架設加載最終成型。張力索桁以索結點劃分索單元,按“名義彈性模量”作計算,按使用應力作調整、控制,修改單元特性作應力調整計算簡便。

6.2.2 拱肋桁架

拱肋桁架上、下弦桿軸線,可借助拋物線型自動建模。桁架鋼管φ600×12 mm,桁架腹桿φ300×10 mm,作等間距設置,作平面放線分段放樣焊接加工,再作翻立組裝焊接加工。在三角形式梯形上弦腹桿中心加設節(jié)點,作張力拉索和橋面吊桿連接結點,便于采用、設置喇叭形鋼管吊桿錨頭。桁架使用應力作控制,修改單元特性作應力計算簡便。

6.2.3 橫撐桁架

拱肋橫撐桁架為三角形斷面,桁架腹桿采用三角形。拱肋桁架與張力索桁相組合橫向穩(wěn)定性好,橫撐桁架起加強橫向穩(wěn)定作用。

6.2.4 高速管道橋梁

“高鐵”對橋梁的安全和穩(wěn)定要求很高,已有的大跨徑橋梁結構型式已感到困難,高速管道對橋梁安全和穩(wěn)定性要求更高。高速管道自重較輕,采用“張力索桁—拱組合橋”懸吊容易解決,技術經濟合理。

6.2.5 高速管道結構

高速管道路線采用架空鋼管橋梁形式簡便,鋼管需要滿足承重、穩(wěn)定和安全需要,管壁厚度較大,影響到加工和經濟合理性,故值得作比較研究。

6.2.5.1 鋼管

鋼管是簡單的結構形式,大直徑鋼管不便作加勁處理。鋼材強度高、韌性好,剛度和穩(wěn)定性差。薄壁鋼管受力有“皺損”失園影響,使用應力低,是使用容許應力的(1/3～1/5),使高強度無法發(fā)揮作用。鋼管直徑大、截面慣矩較大,作為梁承受恒、活荷載、風載彎矩,上部受壓、下部受拉、中部兩側作腹板受剪,容易變形壓扁。鋼管壁厚度大,加工較麻煩,用鋼量較大和造價高。采用鋼筋網、鋼絲網和玻纖網水泥砂漿噴抹厚度2～3 cm,可增大剛度,防護的耐久性好、維修簡便。

6.2.5.2 鋼—混凝土復合管

鋼—混凝土復合管即內部鋼管厚度為6 mm,加工成型和焊接簡單,用鋼量少。外部為5 cm厚度鋼筋混凝土管,按結構受力和構造需要配置鋼筋,在架設安裝后采用噴射混凝土和砂漿抹光施工。也可采用分節(jié)段作豎立滑模預制施工。鋼管比較薄,穩(wěn)定性差、容易變形,施工中需要在管內加設臨時支撐保持穩(wěn)定,亦可將鋼管壁加大到8 mm。鋼—混凝土復合管的管壁較厚,結構剛度大,不容易變形,2種材料優(yōu)勢的剛、韌性能兼?zhèn)?結構輕而強,架設施工簡便,技術經濟合理。

6.2.5.3 鋼筋混凝土管

鋼筋混凝土管壁厚10 cm,按結構受力需要配置鋼筋,結構剛度大,采用分節(jié)段豎立滑模預制和蒸汽養(yǎng)生。節(jié)段接頭用壁厚10 mm的鋼管,在預制時預埋,安裝后作焊接,再用混凝土處理接頭。鋼筋混凝土管剛度大,經濟性好,但自重較大,架設安裝不便。

6.2.5.4 型鋼組合高速管道

高速管道橋梁有橋面系縱、橫梁型鋼骨架,滿足吊桿設置的需要,形成橋面系承載和剛度穩(wěn)定需要,方便架設施工。將縱梁型鋼與管道相組合形成整體結構,加強了管道的承載剛度和抗風穩(wěn)定。型鋼組合高速管道的剛度獲得整體加強,比單獨管道的剛度更好,尤其方便鋼筋混凝土管道的架設安裝,亦適用于路線小跨徑架空管道橋的架設安裝。

6.2.5.5 型鋼組合高速管道仿真建模

管道的模擬“仿真”建模,采用殼板單元建模,鋼管按縱、橫矩形□25 cm×25 cm劃分,鋼—混凝土復合管和鋼筋混凝土管按縱、橫矩形□50 cm×25 cm劃分,使整體結構模擬“仿真”建模計算規(guī)模大、小適當?？v、橫梁型鋼采用H250×10 mm梁單元作組合連接,縱梁與管道、磁軌之間,相互都采用型鋼l100×100×10 mm梁單元作組合連接,鋼—混凝土復合管和鋼筋混凝土管之間采用園鋼筋d=25 mm梁單元作組合連接,使整體型鋼組合高速管道“仿真”建模容易。

6.2.6 抗風斜拉索

從塔頂索鞍加設抗風斜拉索,保持拱肋桁架抗扭轉和穩(wěn)定,也保持橋面系抗風穩(wěn)定,起安全保險作用。

6.3 計算結果

6.3.1 荷載建模

按數(shù)值模擬“仿真”建模,按車輛線荷載作模擬“仿真”加載,建模順利。

6.3.2 荷載標準

因為計算荷載標準待定,正在發(fā)展研究中。先作大橋研究計算,暫以單列汽車荷載代替,高速管道車輛荷載輕,不會超過汽車荷載。

6.3.3 加載

組合結構跨中段剛度較弱,在跨中500 m長度用總重1 000 t加載作控制。簡化集中風力的橋面吊點間距10 m,作橫向4 t、豎向0.8 t加載,橫撐桁架節(jié)點作橫向16 t加載。

6.3.4 計算結果

型鋼組合高速管道模擬“仿真”建模計算結果,因為活載的磁軌與型鋼梁已經組合,故計算內力隱含在恒載計算結果中,管道板殼內力顯示清楚,便于作管道內力分析。鋼—混凝土復合管道作為復合材料,采用模擬“仿真”建模能夠計算清楚,結構的力學性能好,實際內力不大,加工和施工方便,技術先進和經濟合理。

6.3.5 變形

成橋恒載變形微小,證明拉索力已經“應力剛化”,結構按彈性變形計算?？缰袃苫钶d反映在恒載變形中:鋼管δ=8.1 cm、復合管6.8 cm,實際活載只有:鋼管δ=7 cm、復合管6.6 cm。鋼筋混凝土管自重平衡剛度大,活載變形小。因為活載直接傳遞到縱梁上,這是組合高速管道的特點,管道也有承載受彎的變形特點。風對張力索桁—拱組合結構的內力影響明顯,跨中段拱肋桁架的橫向變形δ=0.706 cm,斜拉索起的抗扭穩(wěn)定作用大。而高速管道的橫橋向組合剛度大,抗彎、扭、剪的內力、應力顯示清楚,鋼筋混凝土管和鋼—混凝土復合管的橫橋向抗風穩(wěn)定性很好。而鋼管的橫橋向抗風穩(wěn)定性反而差,橫向變形較大,不符合高速管道的穩(wěn)定需要。這是鋼管的弱點,一般不容易認識到。采用鋼筋、鋼絲網和噴抹水泥砂漿厚度2～3 cm作防護后,可以加強鋼管的橫向穩(wěn)定剛度,可基本滿足橫橋向抗風穩(wěn)定需要(圖11)。

6.3.6 內力

恒載內力大,活載內力小,風載內力小,兩側內力相差明顯,證明結構受扭,兩端斜拉索明顯起抗扭作用。型鋼組合管道起彎、扭、剪作用,梁、管道內力、應力分別顯示出力的數(shù)值小。拱肋壓力不大,主要是拉索力承載拉力大(圖5～圖8)。

6.3.7 應力

應力大小與內力規(guī)侓相對應,橋兩側組合應力相差大,斜拉索抗扭作用大(圖9、圖10)。

6.3.8 風力

網狀吊桿剛度大,使橋面系抗風穩(wěn)定性好。(圖11～圖14)。

7 施工

“張力索桁—拱組合高速管道橋”與“張力索桁吊橋”施工技術相似,主要是準確計算、扣除內力計算彈性延伸索長。先架設拉索,再吊裝拱肋成拱,后吊裝橋面系,使用輕型架橋機架設型鋼組合管道,最后安裝斜拉索。

8 結論

“張力索桁—拱組合高速管道橋”是“張力索桁”與桁架肋拱作組合應用，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，克服拱橋自重大和施工困難。拉索承載能力大，拱橋剛度強大，顯示出曲線壯觀，獨具“似拱非拱”特性。將吊橋、斜拉橋和拱橋技術相結合，形成“三合一”組合技術優(yōu)勢，組合橋型比單一橋型技術先進。吊橋折線拉索承重，斜拉索形成索桁保持穩(wěn)定，拱肋強大剛度抵抗活載變形，分工、結合、互助效果好。拱肋桁架抗彎剛度很大，網狀吊桿保持橋面系穩(wěn)定。拉索與拱肋形成整體，材料強度、結構剛度和穩(wěn)定相互配合協(xié)調，承重內力以拉索為主、拱肋受壓為輔。拱肋桁架不產生明顯彈性壓縮變形，活載變形很小。這是組合結構的優(yōu)點，比斜拉橋和“張力索桁吊橋”受力合理，變形更小，跨徑可超越斜拉橋。型鋼組合高速管道有剛度大、穩(wěn)定性好特點，滿足對高速管道橋梁安全、穩(wěn)定需要，結構經濟合理。

9 結束語

特大跨徑算例L=1000 m成功,可發(fā)展達到L=1500 m,再大跨徑也可行,只是塔架太高。一般大、中跨徑L=200～800 m實現(xiàn)容易。連續(xù)多跨便于錨碇設置,使用更廣泛。采用模擬“仿真”建模大數(shù)據(jù)計算,是人工智能自動計算發(fā)展的實用方法,對拱桁加勁結構作創(chuàng)新應用,技術和經濟效益很明顯。高速管道交通基本都是架空管道形式,即大、中、小跨徑橋梁。型鋼高速管道結構既適合用于大、中跨徑橋,鋼筋混凝土管道計算表明也適合用于路線L=20 m小跨徑橋梁,下部基礎結構簡單,有利于高速管道的建設發(fā)展?，F(xiàn)在高速磁懸浮高鐵車輛速度已達600 km/h,高速管道車輛研究有望早日成熟。