低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究.pdf
《低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、低真空超高速磁悬浮管道运输系统是继高速铁路后能解决中长距离运输的有效途径。针对目前低真空预应力混凝土和钢混凝土组合管道梁结构的优化设计研究较为欠缺的现状,以常用30 m跨低真空磁悬浮简支管道梁为对象,建立5种不同管道梁截面的ANSYS三维实体有限元模型,开展精细化的有限元数值仿真分析研究。考虑材料非线性特性,分析管道梁截面形式和预应力钢筋布置形式对预应力混凝土管道梁关键截面强度、刚度和自振频率的影响。同时,进一步研究组合管道梁上部钢壳厚度、横向加劲肋宽度和高度等参数对强度和刚度的影响。最后,综合5种管道梁截面的各项分析结果,得到了一种最优的截面形式。研究结果表明:下部U梁、上部圆形截面,以及直
2、线布束的预应力钢筋更能满足管道梁的受力要求;钢混凝土组合梁中上部钢壳厚度、横肋间距等均能显著影响刚度和强度,得到了最佳壁厚为50 mm,最佳横肋间距和高度为4 m和250 mm;跨中截面变形和受拉区混凝土应力是控制截面设计的关键参数,受压区混凝土应力及普通钢筋应力处于安全状态,各类截面预应力钢筋应力沿纵向分布较为均匀,截面1的预应力混凝土管道梁为最优截面。本文研究成果可为相关学者开展管道梁结构设计提供参考。关键词:桥梁工程;磁悬浮列车;简支梁;低真空管道梁;有限元;结构设计中图分类号:U455.3 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)0
3、7-2385-10Structural optimization design study on ultra-high speed simply supported maglev-evacuated tube structureWANG Yongbao1,4,ZHANG Zhengyang1,XU Ziqing2,ZHANG Liupeng3,ZHANG Xiaolei1,NIE Yunjing1(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.College of C
4、ivil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3.College of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;4.Shanxi Transportation Technology Research&Development Co.,Ltd.,Taiyuan 030027,China)收稿日期:2022-06-24基金项目:中国博士后科学基金资助项目(2020M670698);山西省基础研究计划项目(20210302123082,
5、202203021221078);山西省高等学校科技创新项目(2019L0295);山西交通控股集团项目(20-JKKJ-17,18-JKKJ-05);桥梁结构健康与安全国家重点实验室开放研究基金资助项目(BHSKL20-02-GF)通信作者:王永宝(1989),男,山东潍坊人,副教授,博士,从事混凝土结构桥梁行为研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221273铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月Abstract:The maglev-evacuated tube system is an effective method to solv
6、e medium and long distance transportation after high speed railway.However,there is the lack of research on the optimization design of the prestressed concrete and steel-concrete Maglev-Evacuated Tube Structure(METS)at present.Therefore,the commonly used 30 m span sample supported METS was taken as
7、an example to carry out the refined finite element numerical simulation analysis.Five 3-D solid ANSYS finite element models with different sections were established considering the nonlinear properties of materials.The influence of the section types and the layout of prestressed reinforcement on the
8、 structural strength,stiffness and natural frequency of the prestressed concrete METS were studied.The influence of the thickness of steel shell on the upper side,the width and height of transverse stiffener on many characteristic of the steel-concrete METS were studied.Finally,the analysis results
9、of five tube sections were synthesized.An optimal METS section form was obtained.The results are drawn.The prestressed tendons with U shape at the lower side,circular section at the upper side and linear shape prestressed reinforcement can better meet the stress state of the METS.The thickness of up
10、per steel shell and the spacing of transverse ribs in steel-concrete composite beams can significantly affect the stiffness and strength.The optimal thickness of steel shell is 50 mm.The optimal width and height of transverse stiffener is 4 m and 250 mm,respectively.The deformation and concrete stre
11、ss in tension region of main span is the key parameters controlling design.The concrete stress and ordinary reinforcement stress in the compression area are in safe state.The stress of prestressed reinforcement of various sections is evenly distributed along the longitudinal direction.The Section on
12、e(prestressed concrete METS)should be selected as the optimal section.The present results can provide a reference for subsequent scholars to carry out the design of METS.Key words:bridge engineering;maglev train;simple supported beam;evacuated tube;finite element;structure design 超高速低真空管道磁悬浮技术14是利用密
13、封管道梁内的低真空条件(1101 kPa),减小空气与列车之间摩擦5;利用磁悬浮技术,减少列车与轨道间摩擦,来克服高速列车气动阻力和噪声问题。该技术具有快捷、安全和环保的优势3,是满足高速铁路和航空领域之间运力的一种重要中长距离运营方式,使得其运营速度可达1 000 km/h1,6。该交通运营模式正逐渐成为国内外专家和学者的研究热点7,有望与公路、铁路、水运和空运形成有利互补,具有广阔的应用前景8。针对承载此类运输系统的管道梁结构设计安全问题,目前开展了诸多针对高速列车空气动力学方面的研究910,而对管道梁在复杂受力工况下的力学性能等方面的研究较为欠缺,至今鲜有对此类真空管道梁受力性能研究的介
14、绍。为满足密封、刚度、列车运营等多方面的特殊受力需要,低真空磁悬浮管道梁结构需制作成特殊截面,且能够抵抗大气压、气动压和磁悬浮列车荷载等11。目前,管道梁按材料分类主要有厚有机玻璃缩尺结构3、钢结构1、组合结构和预应力混凝土结构截面8,12。其中,有机玻璃结构适合于室内小直径缩尺结构,且均为贴地受力3;加肋圆形钢结构截面具有施工方便,结构轻盈,完全抵抗大气压等优势3。杨国静等13以跨度为25 m的简支钢结构管道梁为例,从刚度和强度角度优化了管道壁厚、加劲肋等参数,但缺点是需考虑电磁干扰和长期耐久性问题。组合梁能克服钢结构管道梁的部分难点,杨国静等14根据青岛四方厂研制的常导磁浮列车研制了单孔最
15、小内径6.6 m的管道梁,并分析了2535 m跨度的下部混凝土U梁和上部钢壳的组合结构管道的受力情况,获得了关键参数取值,该结构强度高,刚度大。但上述以铁路桥涵设计规范15开展的分析,未考虑车辆横向效应。李国鹏12指出预应力混凝土梁具有整体受力稳定、施工成熟等技术特点,2386第 7 期王永宝,等:低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究较适合于轻型磁浮交通;汪斌等16以跨度为25 m的简支梁为例分析了桥梁竖向震动问题,指出系统动力响应是控制结构安全性的关键。另外,低真空磁悬浮管道梁结构还承受与常规梁诸多不同特性:如承受大气压和气动压荷载,复杂的有效温度和温度梯度取值,特殊的密封及防磁措施等
16、8,进一步加剧了分析难度。吕乾乾等17试验研究发现密封的真空管道结构将承受约1 MPa的环向压应力,外界大气压荷载引起的效用不容忽视11;高速列车安全运营需要更为严格的变形控制18;预应力混凝土管道梁具有刚度大,能克服电磁干扰及长期耐久性优势。综上所述,由于磁悬浮管道梁结构复杂的管道截面形式,更为严格的强度和刚度控制标准,均对超高速低真空磁悬浮管道梁的设计带来了更多挑战。本文以“高速飞车”山西省重点实验室为背景,采用ANSYS三维实体单元建立了 30 m 跨简支管道梁结构的有限元模型,分析5种不同管道梁截面形式、不同预应力钢筋布置情况下的预应力混凝土管道梁,及不同钢壳厚度、横肋间距和高度等参数
17、影响下的钢-混凝土组合管道梁结构受力和变形情况。研究成果对于丰富管道梁的结构设计成果,提出一种更为合理的超高速低真空磁悬浮管道梁结构具有重要意义,本文成果还可为其他同类工程的设计提供参考。1 工程概况2021年5月,山西省开启“高速飞车”山西省重点实验室试验线工程,标志着我国首条超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线正式开工建设。该低真空磁悬浮管道梁结构除需承受自重、预应力和二期恒载外,还承受磁悬浮列车、温度作用和大气压力,保证最不利工况下的竖向、横向刚度和强度要求19。同时,管道梁还需有足够的密闭性和磁悬浮列车运营的通行空间要求,即列车高速运营的空气动力学要求9。本文以简支体系管道梁为例开
18、展分析,该桥标准跨径 29.96 m,计算跨径 27.06 m,总高度7.1 m,总宽为6.4 m,净宽为5.8 m。图1给出了管道梁截面1的纵断面,普通钢筋和预应力钢筋的布置图。管道梁主要承受主力、附加力和组合作用18,主力包括:自重、二期恒载、预应力、车辆悬浮荷载、横向活载和大气压,附加力为整体温度荷载。根据列车运营要求,单管单线的管道梁单位:mm(a)纵断面分布图;(b)预应力钢筋;(c)普通钢筋图1真空磁悬浮管道梁纵断面及预应力钢筋布置Fig.1Longitudinal section and prestressed reinforcement arrangement of magle
19、v-evacuated tube2387铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月二期恒载:20.64 kN/m;考虑混凝土收缩徐变等预应力损失后,成桥阶段的两端张拉施工的永存预应力为1 142 MPa;列车悬浮荷载为跨中6 m范围内集度为 28.33 kN/m的均布荷载,计算时考虑了2.7的冲击系数;大气压荷载假定内部为真空,施加集度为0.1 MPa的径向荷载;列车横向活载为侧壁悬浮状态下对侧面长度 6 m,高 1 m 范围施加6.7 kN/m的集度荷载,该数值较文献8的常规磁浮结构大(图3);整体升温按30 考虑。单位:mm(a)截面1;(b)截面2;(c)截面3;(d)截面4;
20、(e)截面5图2真空磁悬浮管道梁横截面图Fig.2Cross section of maglev-evacuated tube图3有限元模型Fig.3Finite element model2388第 7 期王永宝,等:低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究1.1截面设计5种不同截面管道梁截面主要尺寸和布置具体见图2,图中圆圈为预应力钢束位置。其中,截面1截面3为全预应力混凝土管道梁,截面1和截面2采用不同预应力钢束数量及配筋形式,截面3为便于施工养护的H形异形管道梁截面,图2中截面1为直线预应力钢束布置,截面2和截面3为曲线预应力钢束布置;截面4和截面5为钢混凝土组合梁,截面4上部钢壳未
21、考虑纵横肋,下部U梁与截面1相同;截面5上部钢壳考虑纵横肋,下部U梁部分做了改进。5种管道梁下部U梁或H形梁均为全预应力混凝土,截面1截面5的预应力钢绞线钢束数量不同,但每束内均设置8根15.2的钢绞线,其中截面 1 的预应力钢束布置见图 1(b)所示。参照文献15,设计截面材料:下部 U 梁为C60混凝土,上部钢壳及钢肋采用Q345钢材;普通钢筋采用 HRB400 钢筋,钢筋布置情况见图1(c);预应力筋为公称直径15.20 mm的钢绞线,管道直径为70 mm。1.2荷载工况按文献20要求,荷载组合采用主力和附加力形式。本文开展了大量不同荷载组合下的管道梁受力验算14,发现以下 2 种组合结
22、果对实际影响较大。组合1:自重+二期+预应力+气压荷载+列车悬浮荷载+横向活载;组合2:自重+二期+预应力+气压荷载+列车悬浮荷载+横向活载+整体升温30。列车悬浮荷载为车辆悬浮状态下承受的荷载,悬浮荷载和横向活载施加方式见图3。2 有限元建模2.1建模概况采用有限元软件 ANSYS 建立管道梁全桥模型,单位为mm和N。下部混凝土采用SOLID65实体单元,考虑混凝土的受拉和受压材料非线性。组合梁上部半圆形钢壳采用SOLID45单元,采用理想弹塑性曲线,预应力钢筋和普通钢筋采用LINK8单元。为减少局部承压对端部混凝土受压性能的影响,在预应力筋锚固端采用SOLID45单元建模,按钢材材料特性取
23、值;二期恒载和大气压等采用均布荷载施加(图3)。梁端支座处截面单独网格划分,间距500 mm,中间采用1 000 mm间距划分,大量试算后发现支座处无应力集中现象。预应力采用初应变法施加。有限元建模中X轴为管道梁横向,Y轴为竖向,Z轴为纵向,有限元模型见图3。2.2边界条件本次采用简支梁边界条件,如图3所示。ANSYS有限元模型直接施加于节点上,在管道梁底部支座位置沿纵桥向0.45 m至0.65 m范围内节点施加固定端约束(DX,DY,DZ),在 29.35 m 至29.55 m范围内施加纵向移动约束(DX,DY)。另外,对直线布束而言,普通钢筋、预应力钢筋与混凝土之间采用共节点的方法建模,对
24、于截面2和截面3的曲线预应力钢筋,采用节点耦合的方法,将曲线预应力钢筋节点与最近的多个混凝土节点耦合到一起,不考虑两者间黏结滑移。对组合梁,则认为上部钢壳与下部混凝土U梁间完全黏结。3 预应力混凝土管道梁分析图2中截面1和截面2的截面尺寸和普通钢筋配筋形式完全相同,仅其预应力配筋数量和形式不同,截面1为直线预应力钢束布置,截面2和截面3均为曲线预应力钢筋布置(见图2);截面2与截面3还采用不同的截面形式,截面2下部U梁为半圆形,截面3下部为H形截面,该类截面在模板架设和支座设置方面更具优势,但在抵抗大气压方面存在劣势。为研究预应力钢束布置形式和截面类型对管道梁受力的影响,表1给出了组合2工况作
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 真空 高速 磁悬浮 管道 结构 优化 设计 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。