张力索桁—拱组合高速管道桥——模拟仿真建模计算

吴清明, 丁明钢, 杜 娟, 刘 彪

(1. 中交通力股份有限公司, 四川成都 610000; 2. 四川省建筑设计研究院有限公司,四川成都 610000; 3. 四川省交通勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610000)

1 高速管道交通

高速管道交通是未来发展的交通工具,采用低压真空管道,减小空气阻力实现高速,高达1 000 km/h的速度,可以替代航空交通。

2 张力索桁—拱组合桥

2.1 张力索—拱桁结构

“张力索桁”是稳定结构,适合与梁或桁架作组合应用。采用张力索与拱肋桁架组合,具有“似拱非拱”特性,承受悬吊桥面系,使钢结构加工简便、经济合理。具有刚度大、稳定性好、自重轻、跨度大特点,张力拉索材料强度高、拉力大、自重轻、便于加强,主要承受全桥重量(图1)。

2.2 张力索桁—拱组合桥的应用

“张力索桁”与拱肋桁架都是稳定弹性结构,可共同组合形成“张力索桁—拱组合桥”。将吊桥桥面加劲桁架部份材料,用作拱肋桁架,既具有拱的强度、刚度、稳定作用,又便于形成和加强“张力索桁”,减轻拱肋桁架自重,再悬吊桥面系。主要是加强拱的抗弯刚度和稳定,实现索、拱共同承重和变形协调。弯矩的作功原理是力乘力臂,梁高、拱矢高、悬索垂度、斜拉索塔高都起力臂作用,唯梁高度起的作用小。在集中活荷载作用时,曲线拱肋桁架比平直桁架梁的抗弯刚度强大。拱肋桁架是压弯受力,不容易变形。矢高与拱推力相乘,形成巨大抗弯平衡力矩。而平直桁架梁是纯弯曲受力,抗弯刚度小、容易变形,大跨度铁路钢桁架桥都用钢拱肋加强抗弯刚度(图2)。

图2 张力索桁—拱组合桥(半桥)

“张力索桁—拱组合桥”是拉索和拱共同承受荷载,因为拉索是使用“名义弹性模量”,已经“应力刚化”,即作预应力张拉,结构承受荷载的拉索强度高,故主要是拉索承重和保证安全。而不是拱肋桁架受压作主要承重,与一般拱桥概念不同。拉索刚度强大,对拱肋桁架起到承重和稳定作用,比单独拱肋桁架承重更合理、安全,显出组合结构优越性。桥面系悬吊在拱肋桁架上,具有重力平衡刚度和加劲稳定作用,索桁与拱肋桁架共同协调变形。

采用大、小2种分离三角形网状吊杆悬吊桥面系,使桥面轴向受压,加强桥面系刚度和稳定。拱肋桁架作组合使用的矢跨比变化灵活,大和特大跨径可以是较小矢跨比(1/10～1/12)坦拱,拱肋桁架仅起辅助承重作用,是发展变化的新型结构,显出拱桥强壮和曲线美感,是为大和特大跨径拱桥研究而提出,一般是作单跨形式使用。因为设有锚碇,可灵活作连续多跨使用,使锚碇设置适应地形条件,利于广泛应用。

2.3 张力索桁塔架

单纯大和特大跨径拱桥应用很困难,采用“张力索桁—拱组合桥”可实现。塔架特性相同于吊桥,施工方法相同。钢筋混凝土箱形塔柱使用钢桁架滑升立模浇筑施工方便,比较经济合理。但塔架高度不宜过高,限制了跨径发展,宜采用坦拱相配合。

3 拱肋桁架特性

3.1 桁架材料

拱肋桁架宜轻而强,关键是保持结构局部和整体稳定。钢材强度高,是理想结构材料。但钢材强度受结构刚度和稳定影响,强度潜力无法充分发挥,结构选型很重要。桁架杆件主要是承受拉、压力,结构宜刚度大和自重轻。钢管截面特性各向相同,但受压有稳定和局部皱损失圆问题,影响材料强度发挥,不便作加劲加强,可选择适当管径和加大管壁厚度解决。拱肋桁架宜轻,只起有限承压作用,主要是抗弯和保持稳定,不同跨径宜作管径比选。

3.2 桁架形式

钢管拱肋桁架横断面采用三角形式梯形,上弦杆平行净距30 cm,保持三角形稳定形式,方便2片桁架作平面加工,以便立起作梯形成型加工连接,方便张力拉索和桥面吊杆安装连接。“张力索桁”特性是两端刚度大,跨中段索桁高度和刚度小的变形较大。拱肋桁架起到一定拱承压作用,主要是起抗弯和稳定作用,取高H=6 m、宽B=4 m较合理,腹杆为三角形(图3)。

图3 桁架形式

钢管拱肋桁架被张力拉索扣吊获得纵、横向稳定,又有两端斜拉索抗扭保持横向稳定,两拱肋桁架之间加设平行钢管横撑桁架保持稳定。横撑桁架横断面为三角形,纵向间距为40 m,弦杆钢管φ400×10 mm,腹杆钢管φ245×8 mm。横撑桁架腹杆为三角形。

3.3 桁架节点

钢管拱肋桁架采用分节段吊装架设,采用纵向夹板螺栓定位、连接和焊接,应减少空中接头。拱肋桁架吊装架设与横撑钢管桁架相配合,使钢管拱肋桁架逐步定位成型,施工更方便安全。桁架节点传力复杂,承受张力拉索和吊杆集中力。在节点局部长度内,钢管需要焊接横隔钢板,灌注C50混凝土形成钢管混凝土承压。拱肋桁架腹杆在节点作相贯焊接,设加劲肋板加强连接。

3.4 桁架防护

钢管拱肋桁架防护工作量大,为减少钢管养护麻烦,桁架钢管宜采用耐候钢制造,仅作颜色涂装处理。

3.5 拱肋桁架边界

拱肋桁架的边界是在桥面加载后,采用无铰拱固结或双铰拱支承。

4 张力索桁—拱组合高速管道桥

4.1 高速管道桥面系

“张力索桁—拱组合桥”“张力索桁—拱组合公、铁桥”都是新结构,亦可形成“张力索桁—拱组合高速管道桥”。公路、铁路桥采用悬吊桥面系,而高速管道桥也采用悬吊桥面系。高速管道桥面系采用热轧H型钢作纵、横梁格构焊接骨架,H型钢加劲和加工简单,施工方便,加强桥面系刚度和稳定。桥面系格构纵梁与管道相组合,形成型钢组合高速管道,使结构强度和刚度大为加强。

4.2 型钢组合高速管道特性

纵梁间距与磁悬浮轨道相对应,便于纵梁、管道和磁悬浮轨道相互组合连接和加强,直接承受车辆活荷载。在管道之间按50 cm间距加设横撑方钢管形成哑铃型,以加强桥面系横向刚度和稳定。

4.3 抗风稳定

因为跨径大和特大,桥面系抗风稳定问题突出。桥面系钢格构纵梁与高速管道相组合,管道之间预留1 m间距空间作透风槽,消除桥面系上、下风压力差,保持桥面系稳定。管道之间透风槽加设间距50 cm的方钢管作连接,加铺钢筋网作维修人行步道,加大管道横向抗风稳定刚度。采用建筑轻型钢装修合金板,在桥面系管道两侧加设风嘴整流,将型钢组合管道底面封闭。横、竖向风力作用,可简化为横、竖等代集中风力,加在桥面系管道风嘴支撑节点作简化计算。拱肋桁架钢管受风作用较小,在横撑桁架节点加等代集中风力作简化计算。

4.4 抗地震

自重主要是由张力索桁拉索承受,受地震影响小,地震对塔架影响大。

5 结构计算

5.1 计算机

因为是先进稳定、复杂结构,采用实用工程数值模拟“仿真”建模,使用工作站计算机作大数据计算方便。

5.2 算力设备

结构数值模拟“仿真”建模逼近真实结构,使计算模型单元数量巨大。要求计算机速度快和内存大,这是算力问题。一般PC微机算力有限,只宜计算简化问题。图形工作站是双CPU,计算机速度快,内存可加大到16G、32G,显存可大于4G,计算时间长达数小时。自备工作站计算比HPC机方便、经济合理,可达近100万单元,利用结构对称性可节省一半单元,计算模型规模很大。

5.3 模拟仿真建模

实用工程数值模拟“仿真”建模逼近真实结构,不同类型单元组合连接困难、复杂[1],有限元程序无法完全提供标准模型,需要对程序模型作开发。再加设单元作连接处理,使单元数量庞大。对不同类型单元作组合连接,宜加设连接“拓扑”弹性梁单元,具有拉、压、弯、扭、剪切空间功能,采用节点刚架单元替代节点桁架单元作“等代变换”处理,可节省2/3连接单元,使计算模型大为优化,方便实现模拟“仿真”建模[2](图4)。

图4 模拟仿真建模

5.4 应力刚化

索结构计算存在“应力刚化”问题,采用高强度钢丝索单元计算,需要作“应力刚化”处理。采用“名义弹性模量”E=4×1.95=7.80 MPa经验值计算[3],可避免结构矩阵单元坐标变化,只作一次线性计算。

5.5 算法问题

“张力索桁—拱组合桥” 结构复杂,关键是计算方法。采用实用工程数值模拟“仿真”建模大数据计算,多种程序都可计算,程序是解决算法问题[4]。程序使用MATLAB数学软件功能:矩阵、图形、计算等功能起到人工智能作用。计算作有限元技术作开发,利用图形工作站计算,都是学习和实践中领悟获得的经验。“迈达斯”程序界面好,作基本节段建模后,再作修改、复制建模很方便。横、竖方向风力作用,可简化为横、竖集中力作节点加载,使抗风作简化计算方便。计算结果数据全面、清楚,云图显示直观,便于作桥型方案比较,是研究新型、组合结构的科学方法。

6 算例

6.1 结构概况

结构既适合作大和特大跨径使用,也适合作连续多跨使用。采用特大跨径L=1000 m为例,张力索桁拉索垂/跨比F/L=1/10,F=100 m。拱肋桁架矢/跨比F/L=1/12,F=83.33 m。拱脚在桥面下4 m,桥面塔架总高度控制在H=200 m内,拱肋顶距离张力索桁拉索最低点约10 m,以加大跨中段索桁刚度。桥面系净宽度B=9 m,采用热轧H型钢纵、横格梁焊接形成桥面系骨架,型钢生产、加工简便和经济。张力索桁拉索、吊杆采用镀锌平行钢丝或钢绞线,作耐久性防护。

6.2 模拟仿真建模

6.2.1 张力索桁架

“迈达斯”程序具有抛物线建模功能,张力拉索利用二次抛物线型建模方便。参照“张力索桁吊桥”斜拉索吊杆分组划分形式,作拱肋桁架节点斜拉索吊杆分组划分,确定吊点位置,修改抛物线形成折线形拉索,实际在吊点处局部索夹排列形成微曲线形,张力拉索折线是在结构架设加载最终成型。张力索桁以索结点划分索单元,按“名义弹性模量”作计算,按使用应力作调整、控制,修改单元特性作应力调整计算简便。

6.2.2 拱肋桁架

拱肋桁架上、下弦杆轴线,可借助抛物线型自动建模。桁架钢管φ600×12 mm,桁架腹杆φ300×10 mm,作等间距设置,作平面放线分段放样焊接加工,再作翻立组装焊接加工。在三角形式梯形上弦腹杆中心加设节点,作张力拉索和桥面吊杆连接结点,便于采用、设置喇叭形钢管吊杆锚头。桁架使用应力作控制,修改单元特性作应力计算简便。

6.2.3 横撑桁架

拱肋横撑桁架为三角形断面,桁架腹杆采用三角形。拱肋桁架与张力索桁相组合横向稳定性好,横撑桁架起加强横向稳定作用。

6.2.4 高速管道桥梁

“高铁”对桥梁的安全和稳定要求很高,已有的大跨径桥梁结构型式已感到困难,高速管道对桥梁安全和稳定性要求更高。高速管道自重较轻,采用“张力索桁—拱组合桥”悬吊容易解决,技术经济合理。

6.2.5 高速管道结构

高速管道路线采用架空钢管桥梁形式简便,钢管需要满足承重、稳定和安全需要,管壁厚度较大,影响到加工和经济合理性,故值得作比较研究。

6.2.5.1 钢管

钢管是简单的结构形式,大直径钢管不便作加劲处理。钢材强度高、韧性好,刚度和稳定性差。薄壁钢管受力有“皱损”失园影响,使用应力低,是使用容许应力的(1/3～1/5),使高强度无法发挥作用。钢管直径大、截面惯矩较大,作为梁承受恒、活荷载、风载弯矩,上部受压、下部受拉、中部两侧作腹板受剪,容易变形压扁。钢管壁厚度大,加工较麻烦,用钢量较大和造价高。采用钢筋网、钢丝网和玻纤网水泥砂浆喷抹厚度2～3 cm,可增大刚度,防护的耐久性好、维修简便。

6.2.5.2 钢—混凝土复合管

钢—混凝土复合管即内部钢管厚度为6 mm,加工成型和焊接简单,用钢量少。外部为5 cm厚度钢筋混凝土管,按结构受力和构造需要配置钢筋,在架设安装后采用喷射混凝土和砂浆抹光施工。也可采用分节段作竖立滑模预制施工。钢管比较薄,稳定性差、容易变形,施工中需要在管内加设临时支撑保持稳定,亦可将钢管壁加大到8 mm。钢—混凝土复合管的管壁较厚,结构刚度大,不容易变形,2种材料优势的刚、韧性能兼备,结构轻而强,架设施工简便,技术经济合理。

6.2.5.3 钢筋混凝土管

钢筋混凝土管壁厚10 cm,按结构受力需要配置钢筋,结构刚度大,采用分节段竖立滑模预制和蒸汽养生。节段接头用壁厚10 mm的钢管,在预制时预埋,安装后作焊接,再用混凝土处理接头。钢筋混凝土管刚度大,经济性好,但自重较大,架设安装不便。

6.2.5.4 型钢组合高速管道

高速管道桥梁有桥面系纵、横梁型钢骨架,满足吊杆设置的需要,形成桥面系承载和刚度稳定需要,方便架设施工。将纵梁型钢与管道相组合形成整体结构,加强了管道的承载刚度和抗风稳定。型钢组合高速管道的刚度获得整体加强,比单独管道的刚度更好,尤其方便钢筋混凝土管道的架设安装,亦适用于路线小跨径架空管道桥的架设安装。

6.2.5.5 型钢组合高速管道仿真建模

管道的模拟“仿真”建模,采用壳板单元建模,钢管按纵、横矩形□25 cm×25 cm划分,钢—混凝土复合管和钢筋混凝土管按纵、横矩形□50 cm×25 cm划分,使整体结构模拟“仿真”建模计算规模大、小适当。纵、横梁型钢采用H250×10 mm梁单元作组合连接,纵梁与管道、磁轨之间,相互都采用型钢l100×100×10 mm梁单元作组合连接,钢—混凝土复合管和钢筋混凝土管之间采用园钢筋d=25 mm梁单元作组合连接,使整体型钢组合高速管道“仿真”建模容易。

6.2.6 抗风斜拉索

从塔顶索鞍加设抗风斜拉索,保持拱肋桁架抗扭转和稳定,也保持桥面系抗风稳定,起安全保险作用。

6.3 计算结果

6.3.1 荷载建模

按数值模拟“仿真”建模,按车辆线荷载作模拟“仿真”加载,建模顺利。

6.3.2 荷载标准

因为计算荷载标准待定,正在发展研究中。先作大桥研究计算,暂以单列汽车荷载代替,高速管道车辆荷载轻,不会超过汽车荷载。

6.3.3 加载

组合结构跨中段刚度较弱,在跨中500 m长度用总重1 000 t加载作控制。简化集中风力的桥面吊点间距10 m,作横向4 t、竖向0.8 t加载,横撑桁架节点作横向16 t加载。

6.3.4 计算结果

型钢组合高速管道模拟“仿真”建模计算结果,因为活载的磁轨与型钢梁已经组合,故计算内力隐含在恒载计算结果中,管道板壳内力显示清楚,便于作管道内力分析。钢—混凝土复合管道作为复合材料,采用模拟“仿真”建模能够计算清楚,结构的力学性能好,实际内力不大,加工和施工方便,技术先进和经济合理。

6.3.5 变形

成桥恒载变形微小,证明拉索力已经“应力刚化”,结构按弹性变形计算。跨中两活载反映在恒载变形中:钢管δ=8.1 cm、复合管6.8 cm,实际活载只有:钢管δ=7 cm、复合管6.6 cm。钢筋混凝土管自重平衡刚度大,活载变形小。因为活载直接传递到纵梁上,这是组合高速管道的特点,管道也有承载受弯的变形特点。风对张力索桁—拱组合结构的内力影响明显,跨中段拱肋桁架的横向变形δ=0.706 cm,斜拉索起的抗扭稳定作用大。而高速管道的横桥向组合刚度大,抗弯、扭、剪的内力、应力显示清楚,钢筋混凝土管和钢—混凝土复合管的横桥向抗风稳定性很好。而钢管的横桥向抗风稳定性反而差,横向变形较大,不符合高速管道的稳定需要。这是钢管的弱点,一般不容易认识到。采用钢筋、钢丝网和喷抹水泥砂浆厚度2～3 cm作防护后,可以加强钢管的横向稳定刚度,可基本满足横桥向抗风稳定需要(图11)。

6.3.6 内力

恒载内力大,活载内力小,风载内力小,两侧内力相差明显,证明结构受扭,两端斜拉索明显起抗扭作用。型钢组合管道起弯、扭、剪作用,梁、管道内力、应力分别显示出力的数值小。拱肋压力不大,主要是拉索力承载拉力大(图5～图8)。

6.3.7 应力

应力大小与内力规侓相对应,桥两侧组合应力相差大,斜拉索抗扭作用大(图9、图10)。

6.3.8 风力

网状吊杆刚度大,使桥面系抗风稳定性好。(图11～图14)。

7 施工

“张力索桁—拱组合高速管道桥”与“张力索桁吊桥”施工技术相似,主要是准确计算、扣除内力计算弹性延伸索长。先架设拉索,再吊装拱肋成拱,后吊装桥面系,使用轻型架桥机架设型钢组合管道,最后安装斜拉索。

8 结论

“张力索桁—拱组合高速管道桥”是“张力索桁”与桁架肋拱作组合应用，充分发挥两者优势，克服拱桥自重大和施工困难。拉索承载能力大，拱桥刚度强大，显示出曲线壮观，独具“似拱非拱”特性。将吊桥、斜拉桥和拱桥技术相结合，形成“三合一”组合技术优势，组合桥型比单一桥型技术先进。吊桥折线拉索承重，斜拉索形成索桁保持稳定，拱肋强大刚度抵抗活载变形，分工、结合、互助效果好。拱肋桁架抗弯刚度很大，网状吊杆保持桥面系稳定。拉索与拱肋形成整体，材料强度、结构刚度和稳定相互配合协调，承重内力以拉索为主、拱肋受压为辅。拱肋桁架不产生明显弹性压缩变形，活载变形很小。这是组合结构的优点，比斜拉桥和“张力索桁吊桥”受力合理，变形更小，跨径可超越斜拉桥。型钢组合高速管道有刚度大、稳定性好特点，满足对高速管道桥梁安全、稳定需要，结构经济合理。

9 结束语

特大跨径算例L=1000 m成功,可发展达到L=1500 m,再大跨径也可行,只是塔架太高。一般大、中跨径L=200～800 m实现容易。连续多跨便于锚碇设置,使用更广泛。采用模拟“仿真”建模大数据计算,是人工智能自动计算发展的实用方法,对拱桁加劲结构作创新应用,技术和经济效益很明显。高速管道交通基本都是架空管道形式,即大、中、小跨径桥梁。型钢高速管道结构既适合用于大、中跨径桥,钢筋混凝土管道计算表明也适合用于路线L=20 m小跨径桥梁,下部基础结构简单,有利于高速管道的建设发展。现在高速磁悬浮高铁车辆速度已达600 km/h,高速管道车辆研究有望早日成熟。