1. 引言
充气支撑环是一种气胀式结构 [1]，具有一定的承载能力，气胀式结构的承载原理是：膜囊在充气后得到较大内压，内压使膜面产生张力，膜的张力连同内压可抵抗外载荷，从而实现承力的作用 [2]。它具有重量轻、承载能力强的优点。目前充气式结构多用于航空航天、近空间飞行器和大型建筑领域 [3] [4] [5]。在桥梁领域尤其是满足应急快速架设桥梁领域则未见报道。
2. 快速架设的充气式桥梁结构体系
创新发明了一种新型的快速架设的充气式桥梁结构体系，主体由充气环和其上的桥面承载板构成。以充气环为竖向支撑基本受力构件，充气环既可以单环独形成支撑，又可以多个单环并列拼装成一组形成支撑，当桥梁跨越山谷时，充气环可以作为支撑单元在桥梁跨度方向形成竖向支撑，从而减少桥面支撑距离，多组充气环之间以及充气环和两侧山谷之间形成填充嵌锁关系后，可以进一步减少桥面沿跨度方向支撑点的距离，从而减小桥面承载板的厚度，实现快速拼装、快速架设的目的。用于桥梁承载的充气环一般为高压充气，其内压为0.2 Mpa~0.7 Ma，充高压气环一般由密闭内胆、受力层、外套三次叠合构成，密闭内胆主要提供封闭不漏气的环境，有高韧橡胶材料构成；受力层由高抗拉强度的材料构成，可采用碳纤维、聚酯纤维或在橡胶层外复合高强钢丝等材料；外套主要提供表面必要的摩阻力和抗磨耗的能力，可由帆布等材料构成。三层叠合的厚度一般在5 mm~10 mm之间。
图1为例给出了跨越山谷的三种型式。图a为单环支撑示意，可将单跨跨度减小至二分之一；图b为双环支撑，可将单跨跨度减少至三分之一；图c为多环支撑，适用于山谷较深的情况，在满足稳定的条件下，可以实现双层充气环叠合支撑。可见基于充气环作为支撑构件的结构型式可以有相对灵活的组合，从而适用于不同跨度、不同的深度。
(a) 跨向单组环支撑 
(b) 跨向双组环支撑 
(c) 跨向多组环支撑
Figure 1. Schematic diagram of inflatable bridge structure system (Units: m)
图1. 充气式桥梁结构体系示意(单位：m)
图1(a)中所示的充气环外圆直径对应11.0 m，充气环断面直径为1.8 m，图1(b)、图1(c)中所示的充气环外圆直径对应5.5 m，充气环断面直径为0.6 m，单环的三维计算模型图见图2所示。横向几个单环并列拼装构成一组，见图3所示。
Figure 2. Three dimensional diagram of single ring
图2. 单环三维示意
Figure 3. Three dimensional diagram of multi ring parallel assembly
图3. 多环并列拼装三维示意
3. 快速架设的充气式桥梁结构体系承载性能研究
3.1. 计算模型
物理力学模型模拟的问题涉及大变形、接触高度非线性问题，桥面承载板、山谷底部及两侧的山体以及充气环均采用三维壳单元进行分析。基于ABAQUS分析软件建立数值计算模型，模型物理力学参数见表1所示。
Table 1. Physical mechanics indicator
表1. 物理力学指标表
模型尺寸：山体边界选择了相对尺寸较大的单元，大小为1000 m × 1000 mm左右；充气环为提高接触分析精度，细分了单元，其大小为50 mm × 50 mm左右；桥面承载板单元的划分尺寸介于二者之间，单元大小为500 mm × 500 mm。
材料本构关系：采用弹性本构。
相互作用：充气环和山体之间为接触关系，切向摩擦系数为0.1，法向接触为硬接触；充气环和桥面承载板之间为接触关系，切向摩擦系数为0.1，法向接触为硬接触。充气环横向拼接之间为“Tie”连接。
边界条件：山谷四周为固定约束，桥面承载板两端为简支约束。
载荷：加载步分为三步，即充气环内部加压、结构自重、桥面局部载荷(6.41 kN/m2)。充气环施加内压即在膜单元内表面施加压强载荷。
图1对应的三种结构体系三维模型图见图4所示。
(a) 跨向单环支撑 
(b) 跨向双组环支撑 
(c) 跨向多组环支撑
Figure 4. Calculation model of inflatable bridge structure
图4. 充气式桥梁结构计算模型
3.2. 跨向单环承载力分析
充气环加压后的Mises应力云图见图5所示，峰值为70.6 Mpa；桥面加载后Mises应力云图见图6所示，峰值为72.1 Mpa，变化仅为1.5 Mpa，可见在桥面施加总重102.3吨的均布载荷后，充气膜的应力并没有大幅提高，说明了充气膜在受力的均衡性方面有着明显优势。膜体应力均在膜体材料允许应力范围之内。
充气环加压后的竖向位移云图见图7所示，桥面跨中峰值为43.9 mm，呈上拱形态；桥面加载后竖向位移云图见图8所示，桥面跨中峰值为−47.3 mm，二者之和即为桥跨在桥面载荷作用下的竖向位移，即91.1 mm，为跨度26,600 mm的1/292，可见在桥面施加总重102.3吨的均布载荷后，跨中垂向位移在允许的范围之内，说明了充气环结构在刚度方面能满足要求。
Figure 5. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图5. 充气环加压(0.7 MPa)后结构Mises应力云图
Figure 6. Mises stress nephogram of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图6. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构Mises应力云图
Figure 7. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图7. 充气环加压(0.7 MPa)后结构竖向位移云图
Figure 8. Cloud chart of vertical displacement of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图8. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构竖向位移云图
3.3. 跨向双环承载力分析
充气环加压后的Mises应力云图见图9所示，峰值为41.3 Mpa；桥面加载后Mises应力云图见图10所示，峰值为60.7 Mpa，应力增加19.4 Mpa，膜体应力均在膜体材料允许应力范围之内。
充气环加压后的竖向位移云图见图11所示，桥面跨中峰值为8.1 mm，呈上拱形态；桥面加载后竖向位移云图见图12所示，桥面跨中峰值为−20.6 mm，二者之和即为桥跨在桥面载荷作用下的竖向位移，即28.7 mm，为跨度18,800 mm的1/655，可见在桥面施加总重72.3吨的均布载荷后，跨中垂向位移在允许的范围之内，说明了充气环结构在刚度方面能满足要求。
Figure 9. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图9. 充气环加压(0.7 MPa)后结构Mises应力云图
Figure 10. Mises stress nephogram of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图10. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构Mises应力云图
Figure 11. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图11. 充气环加压(0.7 MPa)后结构竖向位移云图
Figure 12. Cloud chart of vertical displacement of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图12. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构竖向位移云图
3.4. 跨向多环承载力分析
充气环加压后的Mises应力云图见图13所示，峰值为52.3 Mpa；桥面加载后Mises应力云图见图14所示，峰值为58.4 Mpa，应力增加6.1 Mpa，膜体应力均在膜体材料允许应力范围之内。
充气环加压后的竖向位移云图见图15所示，桥面跨中峰值为10.1 mm，呈上拱形态；桥面加载后竖向位移云图见图16所示，桥面跨中峰值为−33.6 mm，二者之和即为桥跨在桥面载荷作用下的竖向位移，即43.7 mm，为跨度25,100 mm的1/574，可见在桥面施加总重96.5吨的均布载荷后，跨中垂向位移在允许的范围之内，说明了充气环结构在刚度方面能满足要求。
Figure 13. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图13. 充气环加压(0.7 MPa)后结构Mises应力云图
Figure 14. Mises stress nephogram of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图14. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构Mises应力云图
Figure 15. Mises stress nephogram of structure after pressurization of inflatable ring (0.7 MPa)
图15. 充气环加压(0.7 MPa)后结构竖向位移云图
Figure 16. Cloud chart of vertical displacement of structure after bridge deck loading (0.00641 MPa)
图16. 桥面加载(0.00641 Mpa)后结构竖向位移云图
基于以上分析可知，充气环在强度及刚度两个方面都能满足桥梁承载要求，且具有较大的安全储备。目前高强膜材的抗拉强度可达1000 Mpa以上，而以上三种桥型最大的膜材应力均在几十兆帕以内，膜体厚度尚有进一步减薄的空间，但考虑到膜体的厚度和其刚度有一定关系，故膜体厚度也不能过薄，一般取3 mm~10 mm是恰当的。
单充气环的膜体质量可控制在80 Kg~150 Kg，从而为实现快速拼装提供了可能。充气环的组合可以大幅降低桥面承载板的单跨跨径，也为桥面承载板实现快速拼装提供了可能。
另外结构安全除了强度、刚度以外，还有稳定问题值得重视，充气环构成的承载体系尚有稳定问题值得进一步研究，包括整体稳定和局部稳定，而这些又和充气环拼接工艺、稳定措施紧密相关，另外在构造方面还有充气环作为竖向支撑和桥面承载板之间的连接等问题，这些内容将在下一阶段重点研究。
4. 结论
创新发明了一种新型的快速架设的充气式桥梁结构体系，具有明显的优点和特点。
1) 数值计算证明充气环在充气桥实现竖向承载方面能满足强度和刚度的需要，膜体应力控制在几十兆帕之内，跨中竖向挠度控制在跨径的1/290之内，整体上是科学可行的。
2) 充气环质量很轻，一般能控制在150 Kg之内，为实现快速拼接提供了方便。
3) 充气环在组合方面比较灵活，既可以在跨度方向组合，又可以在山谷深度方向组合，从而可以较好适应不同的跨越地形。
4) 高强膜体材料的发展为充气环提供较多可以选择的材料，如碳素纤维、聚酯纤维、玻璃纤维等等，均可满足应力需求。
5) 充气环尚有稳定问题值得进一步研究，包括整体稳定和局部稳定，另外在构造方面还有充气环作为竖向支撑和桥面承载板之间的连接等问题。