預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)在機(jī)場登機(jī)橋上的應(yīng)用

牛福維 趙 剛 楊 波 詹 青

（蒂森克虜伯機(jī)場系統(tǒng)（中山）有限公司1） 中山 528437）

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

（竹溪縣交通運(yùn)輸局3） 十堰 442300）

（竹溪縣公路管理局4） 十堰 442300）

在現(xiàn)代化機(jī)場中，登機(jī)橋不僅僅用作旅客上下飛機(jī)的通道設(shè)施，而且日益融入機(jī)場整體設(shè)計(jì)之中，成為機(jī)場建筑系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分［1］.按照建筑設(shè)計(jì)理念，人性化、美觀、通透、現(xiàn)代，就成為登機(jī)橋設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要方面［2］.考察現(xiàn)有機(jī)場登機(jī)橋，其玻璃側(cè)壁大多采用單斜桿結(jié)構(gòu)，單斜桿同向布置或反向布置［3］.這種單斜桿玻璃側(cè)壁雖然解決了登機(jī)橋的通透問題，但在外觀上仍顯不足，與機(jī)場候機(jī)樓玻璃幕墻建筑風(fēng)格的統(tǒng)一協(xié)調(diào)度不夠.預(yù)應(yīng)力交叉雙斜拉桿結(jié)構(gòu)在解決登機(jī)橋的外觀方面提供了一個(gè)很好的思路［4］.然而，相關(guān)規(guī)范對(duì)于預(yù)應(yīng)力斜拉桿施加的預(yù)應(yīng)力大小并沒有明確的規(guī)定，采用有限元法對(duì)斜拉桿的材料、尺寸和預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了優(yōu)選，為預(yù)應(yīng)力斜拉桿結(jié)構(gòu)在機(jī)場登機(jī)橋上的應(yīng)用提供參考.

1 預(yù)應(yīng)力斜拉桿設(shè)計(jì)原理

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力拉桿必須始終處于線彈性受力階段，在各種工況下均應(yīng)保證處于受拉狀態(tài)，不承受壓力.采用預(yù)應(yīng)力拉桿可以保證桿件工作的穩(wěn)定性，增加結(jié)構(gòu)剛度；同時(shí)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力大小的施加必須合理，太小的預(yù)拉力不足以全部抵消各種工況下外載荷導(dǎo)致的壓應(yīng)力，過大的預(yù)拉力會(huì)導(dǎo)致桿件提前到達(dá)極限抗拉強(qiáng)度，因此，正確合理的計(jì)算并確定拉桿的預(yù)拉力在實(shí)際工程施工中顯得尤為重要.

另一方面，拉桿材料和尺寸的選擇也不容忽視，合適的拉桿材料和尺寸能夠減輕結(jié)構(gòu)自重，降低鋼耗量、降低成本，并且使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備處于合理范圍內(nèi).

2 有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)概述

某雙通道雙斜拉桿登機(jī)橋由轉(zhuǎn)臺(tái)、活動(dòng)通道、行走與升降結(jié)構(gòu)、接機(jī)平臺(tái)4部分組成.活動(dòng)通道從內(nèi)到外依次為A 和B.通道間依靠彼此內(nèi)嵌的滑塊，在互相疊加區(qū)域的鋼軌上滑行，實(shí)現(xiàn)通道間的自由伸縮；通道兩側(cè)采用雙斜桿桁架結(jié)構(gòu)支撐玻璃幕墻，通道的上頂板和下地板采用加強(qiáng)骨架表面封鋼板的形式.在等效斷面的結(jié)構(gòu)形式上，除了上下主弦桿外均為常規(guī)型材尺寸，上下主弦桿是方鋼和等邊角鋼的組合結(jié)構(gòu).

2.2 有限元模型

考慮轉(zhuǎn)臺(tái)、活動(dòng)通道和升降結(jié)構(gòu)與其底部滾輪間的相互關(guān)系，將結(jié)構(gòu)之間的連接進(jìn)行簡化處理.由于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的剛度遠(yuǎn)大于通道的剛度，將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以等效力的形式施加于A 通道的末端.上下弦桿和豎桿采用beam188單元模擬；上頂板和下地板采用板單元模擬；對(duì)于預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)，ANSYS中提供了link8和link10兩種單元，其中l(wèi)ink10單元具有雙線性剛度矩陣特性，使用只受拉選項(xiàng)時(shí)，如果單元受壓，則桿的剛度消失，而link8單元?jiǎng)t無此特性.按照實(shí)際模型原則上應(yīng)當(dāng)選擇link10單元模擬斜拉桿，考慮到需要查看計(jì)算結(jié)果中斜拉桿收到的壓應(yīng)力來確定其預(yù)應(yīng)力大小以及材料，建模時(shí)應(yīng)當(dāng)選用link8 單元模擬斜拉桿.結(jié)構(gòu)分析模型見圖1.

圖1 登機(jī)橋有限元結(jié)構(gòu)模型

2.3 加載和約束處理

1）計(jì)算工況 根據(jù)相關(guān)要求，登機(jī)橋正常服務(wù)工況有以下2種情況：工況一，自重＋風(fēng)載＋頂部載荷＋地板載荷＋接機(jī)口轉(zhuǎn)角0°；工況二，自重＋風(fēng)載＋頂部載荷＋地板載荷＋接機(jī)口轉(zhuǎn)角90°.

2）載荷作用方式 工況一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與接機(jī)口重力作用在上下弦桿上，工況二接機(jī)口自重荷載以集中力形式作用在左弦桿上；玻璃以均布力形式作用在下主梁上，裝飾以均布力形式作用在上主梁上，此外，飛機(jī)空調(diào)與電源的重量按等效材料建立在安裝位置；風(fēng)載以均布力形式作用在各通道同一邊的單側(cè)上下弦桿上；頂部載荷以均布面載荷形式施加在各通道的頂板上；地板載荷以均布面載荷形式施加在各通道的底板上.

3）約束處理 通道A 端部和底部支撐簡支約束.通道A 和通道B 之間通過內(nèi)嵌的滑塊接觸，在滑塊的接觸部位采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合來模擬內(nèi)外通道的接觸情況，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的垂向與橫向的線位移進(jìn)行了耦合處理［6］.

2.4 結(jié)果分析

為了確定預(yù)應(yīng)力大小，首先對(duì)斜拉桿不施加預(yù)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 斜拉桿無預(yù)應(yīng)力時(shí)計(jì)算結(jié)果 MPa

由表1可見，在兩種較危險(xiǎn)工況下，斜拉桿受到的壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其失穩(wěn)時(shí)的臨界壓應(yīng)力，故必須對(duì)斜拉桿施加預(yù)應(yīng)力以提高結(jié)構(gòu)的安全性.采用初始應(yīng)變法對(duì)斜拉桿施加400 MPa預(yù)拉應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 斜拉桿400MPa預(yù)應(yīng)力時(shí)計(jì)算結(jié)果 MPa

根據(jù)GB／T20934—2007《鋼拉桿》［7］，選擇強(qiáng)度級(jí)別為GLG650 的鋼拉桿能夠滿足使用要求，其抗拉強(qiáng)度為850 MPa，計(jì)入安全系數(shù)0.8，則材料的允許應(yīng)力值［σ］＝0.8σs＝680MPa，根據(jù)表2，2種危險(xiǎn)工況下斜拉桿受到的最大應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，故選用GLG650強(qiáng)度級(jí)別的斜拉桿并對(duì)其施加400 MPa的預(yù)拉應(yīng)力能夠保證本登機(jī)橋的安全使用.

2.5 預(yù)應(yīng)力斜拉桿尺寸優(yōu)化

由以上計(jì)算結(jié)果可知，若選用直徑20mm 的斜拉桿，對(duì)其材料性能要求過高，并且施加的預(yù)應(yīng)力也比較大，故需要對(duì)斜拉桿的尺寸進(jìn)行優(yōu)化.圖2給出了在斜拉桿不施加預(yù)應(yīng)力，改變其直徑時(shí)2種工況下結(jié)構(gòu)受力變化曲線.

圖2 不同直徑下斜拉桿無預(yù)應(yīng)力橋體和斜拉桿應(yīng)力曲線

由圖2可見，2種危險(xiǎn)工況下，增大直徑對(duì)于橋體受力影響并不大，但能夠有效的減小斜拉桿自身受力.結(jié)果表明，直徑由20 mm 增大到30 mm 時(shí)對(duì)于斜拉桿應(yīng)力減小最大，因此直徑選為30mm 在減小成本的同時(shí)也能保證結(jié)構(gòu)安全性.

對(duì)于直徑30mm 的斜拉桿，采用初始應(yīng)變法施加不同預(yù)應(yīng)力時(shí)2種工況下結(jié)構(gòu)受力變化曲線見圖3.

圖3 直徑30mm 的斜拉桿施加不同預(yù)拉力橋體和斜拉桿應(yīng)力曲線

圖3表明，對(duì)直徑30mm 的斜拉桿施加250 MPa預(yù)拉應(yīng)力能夠防止其在各種工況下承受壓應(yīng)力而失穩(wěn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，選用GLG345強(qiáng)度級(jí)別的斜拉桿并對(duì)其施加250 MPa的預(yù)拉應(yīng)力能夠保證本登機(jī)橋的安全使用.與優(yōu)化前相比，在保證橋體結(jié)構(gòu)安全工作的同時(shí)，對(duì)材料性能要求和預(yù)應(yīng)力的施加都降低了不少，同時(shí)也控制了成本的增加.因此以上改進(jìn)方法是合理可行的，且大大減小了斜拉桿受力，提高了橋體工作的安全可靠性.

3 結(jié) 論

1）旅客登機(jī)橋通道為箱型輕鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力拉桿的提出為這種輕鋼結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)更為合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路.

2）采用數(shù)值模擬方法，分析斜拉桿在服務(wù)工況下的受力以確定其預(yù)應(yīng)力大小以及材料，保證了結(jié)構(gòu)工作的安全可靠性.

3）通過對(duì)斜拉桿尺寸的優(yōu)化降低了預(yù)拉力的大小和對(duì)材料性能的要求.

［1］毛文清.解析機(jī)場登機(jī)橋［J］.建筑創(chuàng)作，2012（6）：131-135.

［2］宋詠明，林海珠.淺談廣州新白云機(jī)場登機(jī)橋固定廊道的人性化設(shè)計(jì)［J］.廣東建筑裝飾，2005（6）：42.

［3］楊蔚華，劉剛，董明望.新型玻璃幕墻式登機(jī)橋結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2005，29（6）：940-942.

［4］張桂祥，F(xiàn)-沃朋伯格，牛福維，等.一種預(yù)應(yīng)力雙斜拉桿加固的登機(jī)橋通道：中國，201020570125.5［P］.2010-10-21.

［5］北京工業(yè)大學(xué)，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì).預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

［6］嚴(yán)仁軍，羅白璐，牛福維，等.登機(jī)橋地震響應(yīng)研究［J］.工業(yè)建筑，2010（S1）：514-517，575.

［7］巨力集團(tuán)有限公司，中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院，中國船舶工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院，等.GB／T20934-2007，鋼拉桿［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.