低真空高速磁悬浮简支管道梁结构优化设计研究

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。