预应力拉杆结构在机场登机桥上的应用

牛福维 赵 刚 杨 波 詹 青

（蒂森克虏伯机场系统（中山）有限公司1） 中山 528437）

（武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

（竹溪县交通运输局3） 十堰 442300）

（竹溪县公路管理局4） 十堰 442300）

在现代化机场中，登机桥不仅仅用作旅客上下飞机的通道设施，而且日益融入机场整体设计之中，成为机场建筑系统的一个有机组成部分［1］.按照建筑设计理念，人性化、美观、通透、现代，就成为登机桥设计需要考虑的一个重要方面［2］.考察现有机场登机桥，其玻璃侧壁大多采用单斜杆结构，单斜杆同向布置或反向布置［3］.这种单斜杆玻璃侧壁虽然解决了登机桥的通透问题，但在外观上仍显不足，与机场候机楼玻璃幕墙建筑风格的统一协调度不够.预应力交叉双斜拉杆结构在解决登机桥的外观方面提供了一个很好的思路［4］.然而，相关规范对于预应力斜拉杆施加的预应力大小并没有明确的规定，采用有限元法对斜拉杆的材料、尺寸和预应力进行了优选，为预应力斜拉杆结构在机场登机桥上的应用提供参考.

1 预应力斜拉杆设计原理

根据文献［5］的规定，预应力拉杆必须始终处于线弹性受力阶段，在各种工况下均应保证处于受拉状态，不承受压力.采用预应力拉杆可以保证杆件工作的稳定性，增加结构刚度；同时，对于预应力大小的施加必须合理，太小的预拉力不足以全部抵消各种工况下外载荷导致的压应力，过大的预拉力会导致杆件提前到达极限抗拉强度，因此，正确合理的计算并确定拉杆的预拉力在实际工程施工中显得尤为重要.

另一方面，拉杆材料和尺寸的选择也不容忽视，合适的拉杆材料和尺寸能够减轻结构自重，降低钢耗量、降低成本，并且使得整个结构的强度储备处于合理范围内.

2 有限元分析

2.1 结构概述

某双通道双斜拉杆登机桥由转台、活动通道、行走与升降结构、接机平台4部分组成.活动通道从内到外依次为A 和B.通道间依靠彼此内嵌的滑块，在互相叠加区域的钢轨上滑行，实现通道间的自由伸缩；通道两侧采用双斜杆桁架结构支撑玻璃幕墙，通道的上顶板和下地板采用加强骨架表面封钢板的形式.在等效断面的结构形式上，除了上下主弦杆外均为常规型材尺寸，上下主弦杆是方钢和等边角钢的组合结构.

2.2 有限元模型

考虑转台、活动通道和升降结构与其底部滚轮间的相互关系，将结构之间的连接进行简化处理.由于旋转平台的刚度远大于通道的刚度，将旋转平台以等效力的形式施加于A 通道的末端.上下弦杆和竖杆采用beam188单元模拟；上顶板和下地板采用板单元模拟；对于预应力拉杆结构，ANSYS中提供了link8和link10两种单元，其中link10单元具有双线性刚度矩阵特性，使用只受拉选项时，如果单元受压，则杆的刚度消失，而link8单元则无此特性.按照实际模型原则上应当选择link10单元模拟斜拉杆，考虑到需要查看计算结果中斜拉杆收到的压应力来确定其预应力大小以及材料，建模时应当选用link8 单元模拟斜拉杆.结构分析模型见图1.

图1 登机桥有限元结构模型

2.3 加载和约束处理

1）计算工况 根据相关要求，登机桥正常服务工况有以下2种情况：工况一，自重＋风载＋顶部载荷＋地板载荷＋接机口转角0°；工况二，自重＋风载＋顶部载荷＋地板载荷＋接机口转角90°.

2）载荷作用方式 工况一旋转平台与接机口重力作用在上下弦杆上，工况二接机口自重荷载以集中力形式作用在左弦杆上；玻璃以均布力形式作用在下主梁上，装饰以均布力形式作用在上主梁上，此外，飞机空调与电源的重量按等效材料建立在安装位置；风载以均布力形式作用在各通道同一边的单侧上下弦杆上；顶部载荷以均布面载荷形式施加在各通道的顶板上；地板载荷以均布面载荷形式施加在各通道的底板上.

3）约束处理 通道A 端部和底部支撑简支约束.通道A 和通道B 之间通过内嵌的滑块接触，在滑块的接触部位采用节点自由度耦合来模拟内外通道的接触情况，对应点的垂向与横向的线位移进行了耦合处理［6］.

2.4 结果分析

为了确定预应力大小，首先对斜拉杆不施加预应力，计算结果见表1.

表1 斜拉杆无预应力时计算结果 MPa

由表1可见，在两种较危险工况下，斜拉杆受到的压应力远远大于其失稳时的临界压应力，故必须对斜拉杆施加预应力以提高结构的安全性.采用初始应变法对斜拉杆施加400 MPa预拉应力，其计算结果见表2.

表2 斜拉杆400MPa预应力时计算结果 MPa

根据GB／T20934—2007《钢拉杆》［7］，选择强度级别为GLG650 的钢拉杆能够满足使用要求，其抗拉强度为850 MPa，计入安全系数0.8，则材料的允许应力值［σ］＝0.8σs＝680MPa，根据表2，2种危险工况下斜拉杆受到的最大应力均小于允许应力，故选用GLG650强度级别的斜拉杆并对其施加400 MPa的预拉应力能够保证本登机桥的安全使用.

2.5 预应力斜拉杆尺寸优化

由以上计算结果可知，若选用直径20mm 的斜拉杆，对其材料性能要求过高，并且施加的预应力也比较大，故需要对斜拉杆的尺寸进行优化.图2给出了在斜拉杆不施加预应力，改变其直径时2种工况下结构受力变化曲线.

图2 不同直径下斜拉杆无预应力桥体和斜拉杆应力曲线

由图2可见，2种危险工况下，增大直径对于桥体受力影响并不大，但能够有效的减小斜拉杆自身受力.结果表明，直径由20 mm 增大到30 mm 时对于斜拉杆应力减小最大，因此直径选为30mm 在减小成本的同时也能保证结构安全性.

对于直径30mm 的斜拉杆，采用初始应变法施加不同预应力时2种工况下结构受力变化曲线见图3.

图3 直径30mm 的斜拉杆施加不同预拉力桥体和斜拉杆应力曲线

图3表明，对直径30mm 的斜拉杆施加250 MPa预拉应力能够防止其在各种工况下承受压应力而失稳，根据相关规范，选用GLG345强度级别的斜拉杆并对其施加250 MPa的预拉应力能够保证本登机桥的安全使用.与优化前相比，在保证桥体结构安全工作的同时，对材料性能要求和预应力的施加都降低了不少，同时也控制了成本的增加.因此以上改进方法是合理可行的，且大大减小了斜拉杆受力，提高了桥体工作的安全可靠性.

3 结 论

1）旅客登机桥通道为箱型轻钢结构，预应力拉杆的提出为这种轻钢结构提供了一个更为合理的优化设计思路.

2）采用数值模拟方法，分析斜拉杆在服务工况下的受力以确定其预应力大小以及材料，保证了结构工作的安全可靠性.

3）通过对斜拉杆尺寸的优化降低了预拉力的大小和对材料性能的要求.

［1］毛文清.解析机场登机桥［J］.建筑创作，2012（6）：131-135.

［2］宋咏明，林海珠.浅谈广州新白云机场登机桥固定廊道的人性化设计［J］.广东建筑装饰，2005（6）：42.

［3］杨蔚华，刘刚，董明望.新型玻璃幕墙式登机桥结构有限元分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29（6）：940-942.

［4］张桂祥，F-沃朋伯格，牛福维，等.一种预应力双斜拉杆加固的登机桥通道：中国，201020570125.5［P］.2010-10-21.

［5］北京工业大学，中国钢结构协会专家委员会.预应力钢结构技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2006.

［6］严仁军，罗白璐，牛福维，等.登机桥地震响应研究［J］.工业建筑，2010（S1）：514-517，575.

［7］巨力集团有限公司，中国建筑东北设计研究院，中国船舶工业第九设计研究院，等.GB／T20934-2007，钢拉杆［S］.北京：中国标准出版社，2007.