一种弦支剪式可展桥的探索

廖伟 徐伟炜

东南大学土木工程学院 南京211189

灾害发生后的一至三天是应急救援的黄金时段,该阶段救援任务艰巨、时间紧迫。与此同时,道路中断的情况使得救援工作不能有效开展,严重影响救援效益。

剪式机构具有两种稳定状态:一是完全折叠状态,体积小便于储存运输;
二是完全展开状态,结构稳定可承载。因此,将剪式机构运用于应急桥梁[1-7]可实现快速施工、结构可靠等优点,是解决道路中断、提高救援效率的可选方案。

由于剪式可展结构没有弦杆,主要依靠剪叉杆件受弯来抵抗外荷载[5,7],致使结构刚度较差,材料利用率不高。为此,陈务军[8]、孙从军[9]等提出在剪叉杆件底部增加下弦直拉索,以期提高结构刚度,但几何形体效率不高;
Mira[10]、熊海贝[5]等采用三角形剪叉杆件替换折线形剪叉杆件,以期改善杆件受力和减少变形,但拱形结构应用不便。

基于国内外剪式机构研究,结合弦支体系提出一种新型剪式可展应急桥——弦支剪式可展桥。该可展桥以剪式机构为主体结构,弦支体系支撑上部结构,可在道路中断时快速展开并固定,具有承载力高、机动性强、可重复利用等优点。同时,可调整剪叉角度或剪式单元数以适应不同跨径的需求。本文依托Rhino/Grasshopper 参数化设计平台,采用有限元软件Karamba3D[11]对结构斜拉展开过程进行拟静力分析,并探讨关键参数对结构受力性能的影响,验证了弦支剪式可展桥的可行性及优势性。

Ichiro等[3]通过跨中均布荷载作用下两端固支梁的拓扑优化结果,如图1 所示,抽象出剪式桁架结构,并结合可展结构概念提出了剪式可展桥梁。从图1 也可看出,跨中区域存在受压竖杆,底部存在受拉直杆。因此,可在剪叉杆件底部增加下弦水平拉索[8,9],可使内力重分配达到降低结构应力目的。

图1 两端固结梁拓扑优化结果Fig.1 Result of topology optimization of beam with fixed ends

弦支结构的概念是由连续受拉构件(索或刚拉杆)和独立受压杆件(撑杆)共同支撑上部受压弯结构而形成的结构形式[12]。本文将弦支结构体系概念应用于剪式可展桥梁中,通过撑杆将剪式可展桥梁与拉索组合成弦支剪式可展桥梁结构体系,从而实现一种高机动性、高承载力的应急救援装备。

2.1 斜拉展开施工流程

目前,对可展桥的施工阶段分析较少,一般采用对岸拉索牵引结构使其沿水平方向展开,如快速可展预应力钢桥[4]、可展拱桥[5]等,但应急救援时对岸拉索往往布置困难。基于上述可展桥施工缺点,本文提出一种新的可展桥施工方案,即斜拉展开方式[13],如图2 所示,主要分为四个阶段:

图2 斜拉展开过程Fig.2 Process of cable-stay expansion deployment

(1)准备阶段

运输折叠状态的可展桥至现场并固定运输平台,检查结构并调整剪式机构斜向展开起始角度α。

(2)展开阶段

选择合适的拉索吊点位置,剪式机构在驱动锁定装置下斜向展开到预设剪叉角度,期间斜拉索限制结构应力,而下弦拉索一直处于放松状态。

(3)转正阶段

通过平台销轴处的旋转锁定装置使剪式机构及主塔构成的整体绕平台销轴向跨越处旋转。

(4)桥面铺装及预应力张拉阶段

放松吊点拉索,安装桥头搭板,并在剪式机构的上端面布设桥面系;
预应力拉索采用体外反向张拉方式,完成施工过程。

弦支剪式可展桥回收阶段为展开过程的逆向操作,即放松底部预应力拉索、拆卸桥面板、旋转并收拢剪式机构,实现结构的重复利用。

2.2 方案设计与模型建立

在方案设计阶段,考虑如图3 所示的一种基本中小跨度弦支剪式可展车行桥情况。其中,每榀剪叉梁由10 个剪式单元组成,通过上中下横梁连接两榀剪叉梁相应销接处组成可展主体,并在内侧设置10个剪刀撑以增强结构的稳定性。剪叉杆长3.0m,成桥状态下剪叉角度θ可在40°~70°变化,则桥梁纵向可跨越19.3m ~28.2m 不利地形,高度在2.3m ~1.0m 间变化;
单向通车,桥面布置为单向单车道,桥面宽度3.0m;
行车速度≤20km/h;
承载能力为20t的重型卡车。在Karamba3D中,利用零长弹簧(Zero-length spring)模拟剪式机构的销轴连接[10],并在端部剪式单元上下节点处施加固定铰约束,建立如图4 所示的施工阶段模型。

图3 弦支剪式可展桥示意Fig.3 Examples of CSSB

图4 施工阶段模型Fig.4 Model in construction stage

目前,剪式可展桥主要以钢结构[4,5]或铝合金结构[2,14]为主。从结构受力和轻量化设计角度出发,弦支剪式可展桥梁可采用钢、铝结构相结合方案,如表1所示,其中上中下横梁长度与桥宽相等(3.0m),主塔高10.0m,撑杆长度见第3节。

表1 杆件类型和截面尺寸Tab.1 Type and cross section size of components

2.3 展开过程拟静力分析

在展开过程中,斜拉索的长度变化需与剪式机构展开保持同步性,限制结构应力以保证结构安全性。在无拉索斜拉剪式机构情况下,展开过程中剪叉杆应力σN远远超过材料强度设计限值,其与起始角度α和剪叉角度θ值的关系如图5 所示,其中σN为剪叉杆最大轴向正应力和最大轴向负应力绝对值的最大值。

图5 斜向展开过程中σN 的变化情况Fig.5 Change of σN during deployment inclinedly

由图5 可知,α =45°为临界角,当α >45°时σN随θ角增大而增大,而当α <45°时σN随θ角增大而减少。同等θ角情况下,斜拉展开方式中结构应力值一般比水平展开方式(α =90°)大,但旋转转正过程中结构应力值会减少,其最终应力与水平展开完全时完全一致。因此,结构斜拉展开的初始角度α宜设置在转正过程中结构应力减少段。

剪式可展桥梁成桥状态下常见的剪叉角度θ为60°[3,6,7],假设可展桥在α =70°斜向上展开到θ =60°,期间拉索索力及其吊点位置对结构应力影响较大。在拟静力分析条件下,利用Galapagos模块以结构最低应力为优化目标,对拉索吊点位置和拉索力进行寻优分析,结果如表2 所示,其中考虑到拉索水平分力对结构轴向压力作用,拉索吊点位置不超过跨中。

表2 吊点位置寻优分析Tab.2 Optimization analysis of location of lifting point

从表2 优化结果中可以看出,吊点位置采用混合布置形式时剪叉杆应力σN最小,全部下节点布置方式次之,全部上节点布置方式最差。吊点全部布置在下节点处时拉索力均匀,原因是连接下节点处的拉索倾角大,对结构的轴向分力小。综合考虑,采用斜拉展开方式施工时拉索吊点位置设置在下节点处,先在α =70°斜向上展开(θ从30°变到60°),再保持θ =60°不变旋转剪式机构(α从70°变到90°),期间剪叉杆应力σN及拉索力F1(③处)和F2(④处)变化如图6 所示。

图6 施工过程中σN 和拉索力变化情况Fig.6 Change of σN and cable force during construction

研究表明,可展桥展开过程中可能存在剪式机构端部剪叉杆应力过大问题,针对此问题提出以下几点改进方案:

(1)斜拉主塔长一般为跨度的1/4 左右,可采用分段装配式构件增长斜拉塔高度以降低施工过程中的应力,本文主塔高为10m。

(2)剪式机构展开过程中,重力的力臂逐渐增大,受力较小杆件可采用轻量化材料以减少对端部剪叉杆的弯矩作用,如中下横梁、剪刀撑等采用轻质高强的铝合金材料。

(3)修改端部剪叉杆件的截面高度、厚度等特性,如本文端部两个剪式单元厚度为1.6cm。

弦支剪式可展桥的优势性在于弦支结构体系,其相关参数,如撑杆数目、撑杆长度及初始预应力等,影响结构的承载力。建立如图7 所示的成桥状态模型,以节点力形式[6]对结构施加200kN的车辆荷载(前轴70kN,后轴130kN,间距4m)并不断改变车辆在全桥的位置进行结构分析,初始预应力默认为300kN。撑杆长度由撑杆最短长度Min和最长长度Max控制,如下式所示:

式中:N为每榀剪叉梁允许的最大撑杆数,本案例中N =9;
i 为从左往右,撑杆的编号,i =1,2,…,N,见图7;
Min 为两端最短撑杆长度,i =1,9,默认Min =0.30m 且无最小撑杆;
Max为跨中最长撑杆长度,i =5,默认Max =0.95m。

图7 成桥状态模型Fig.7 Model in finished state

3.1 承载力分析

为验证弦支剪式可展桥在承载力方面的优势性,将其与同等条件下无弦支体系(无撑杆和拉索)的剪式可展桥进行对比。分析时,车辆荷载以节点力形式[6]施加在剪式机构上节点处,同时不断改变车辆在全桥位置,结果如表3 所示。结果表明:在质量相差不大情况下,弦支体系能够有效减少结构内力和变形,降低结构质量,验证了弦支可展结构的可行性及优势性;
同时,不断改变车辆在全桥位置时发现,车辆后轴作用在跨中附近时,σN和dL有最大值,车辆刚完全进入或刚离开桥梁时撑杆应力σN1有最大值。

表3 对比分析结果Tab.3 Result of comparison

3.2 撑杆数目及长度分析

在撑杆作用下,拉索力对上部结构形成竖向弹性支撑,能够有效地改善上部结构的受力情况。根据结构的对称性(从中间向两边),撑杆数目可取1 ~9等9个变化值,偶数时跨中无撑杆。撑杆数目对结构影响如图8 所示,结果表明,当撑杆数目为7 时,结构受力性能最好。此时,改变撑杆Min长度基本不影响结构受力,如图9所示。

图8 撑杆数目对结构影响Fig.8 Influence of number of chords for CSSB

图9 撑杆长度对σN 影响(撑杆数目为7)Fig.9 Influence of length of chord in σN(No. chords is 7)

3.3 初始预应力分析

拉索初始预应力大小会对结构内力分布产生重大影响,如图10 所示。因此,提高拉索的初始预应力,可以减少剪叉杆应力σN和竖向下挠dL,以充分利用拉索材料的高强度性能。

图10 初始预应力对结构影响Fig.10 Influence of initial prestress on CSSB

3.4 关键弦杆位置优化分析

剪式可展结构由于没有弦杆,依靠剪叉杆抵抗外荷载。因此,可在剪式机构上销轴处增加上弦杆,以提高结构刚度和承载力。现假设弦杆的截面尺寸为100mm×50mm×5mm×5mm,在θ =60°下寻求弦杆最优布置位置步骤如下:

(1)在剪叉机构顶部从左到右布满上弦杆,车辆在全桥行驶过程中,弦杆主要以受压为主,各弦杆轴向力最大值和最小值如表4 所示。

表4 弦杆布置对结构受力影响(单位:kN)Tab.4 Influence of members layout for CSSB stress(unit:kN)

(2)根据结构的对称性施加弦杆,结构受力情况如表5 所示,可知端部施加XG1 和XG10 弦杆最好,与不施加弦杆相比,其剪叉杆应力、挠度基本不变而撑杆应力减少。研究表明,当θ =70°时在端部添加XG1 和XG10 时的效果基本与全部添加弦杆一致,甚至更好。因此,对于弦支剪式可展桥,可在端部添加四个弦杆以提高结构的承载力。

表5 弦杆位置对结构响应影响Tab.5 Influence of location of members for CSSB

结合弦支结构和剪式机构概念,本文提出一种新型剪式可展应急桥——弦支剪式可展桥。该桥既有剪式桥灵活展开的灵活性,又有弦支桥承载能力好的优点,具有应急救援装备的机动性和承载性能,是一种良好的新型应急救援装备。本文对撑杆数目和长度、初始预应力,弦杆布置等因素对承载状态的结构受力影响做了分析,并对斜拉方式展开过程吊点位置做了分析,得到了该型桥的有益结论。

1.基于Rhino/Grasshopper 平台对斜拉展开方式的吊点位置进行寻优分析,结果表明吊点位置位于剪式机构下节点处时结构受力最好,具体位置与主塔的高度、剪叉杆尺寸等特性等有关。

2.与剪式可展桥相比,弦支剪式可展桥存在明显的优势性,其弦支体系能够有效地减少剪式机构的应力和变形,提高材料利用率,为实现结构轻量化设计奠定基础。

3.弦支体系中,撑杆数目、初始预应力等对弦支剪式可展桥承载性能的影响最为显著。

4.优化分析表明端部弦杆的存在能够对剪叉杆应力进行重新分配,能够有效减少剪叉杆的应力。

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