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．
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．
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４００ＭＰａ预拉应力，其计算结果见表２．
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８５０ＭＰａ，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４００ＭＰａ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．
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２０ｍｍ 增大到３０ｍｍ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表明，对直径３０ｍｍ的斜拉杆施加２５０ＭＰａ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２５０ＭＰａ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 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．
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．
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４００ＭＰａ预拉应力，其计算结果见表２．
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８５０ＭＰａ，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４００ＭＰａ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．
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２０ｍｍ 增大到３０ｍｍ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表明，对直径３０ｍｍ的斜拉杆施加２５０ＭＰａ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２５０ＭＰａ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．