鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：某試驗架因工藝布局要求，結構體系必須為大跨度無(wú)橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動(dòng)系統桁車(chē)行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現行規范，特別是在工作風(fēng)速下特定頻域段結構體系的動(dòng)態(tài)相應將對試驗的精度產(chǎn)生很大影響。本文在對結構體系進(jìn)行靜動(dòng)力及爆炸分析的基礎上，將工作狀態(tài)下脈動(dòng)風(fēng)作用在結構上產(chǎn)生的特定頻域段內的動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行了分析研究，得出了相應的結論。
關(guān)鍵詞：試驗架 爆炸分析 靜動(dòng)力分析 特定頻域段動(dòng)態(tài)相應
某試驗架因工藝布局要求，該結構體系必須為大跨度無(wú)橫向支撐高聳結構，并且作為承載三維隨動(dòng)系統桁車(chē)行走的軌道基礎，其水平方向的位移控制要求大大高于國家現行規范，特別是在工作風(fēng)速下特定頻域段結構體系的動(dòng)態(tài)響應將對試驗的精度產(chǎn)生很大影響，因此必須對該結構體系進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的分析和研究。
1 工藝技術(shù)要求
試驗架主體結構可用于試驗的有效內部空間100m(長(cháng))×20m(寬)×80m(試驗凈高)，塔架設計時(shí)需要考慮一定的安全距離。圖1為試驗架空間要求示意圖。試驗架主體結構及設備不能進(jìn)入圖2所
示的L2、L3、L4區域造成遮擋。L4區域為試驗區域，在試驗時(shí)，結構及設備的陰影不能落在L4區域。
圖1 試驗架空間要求示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖2 試驗場(chǎng)區圖（平面圖）
根據內部有效空間要求和隨動(dòng)裝置自身結構狀況，結構只能采用高聳且無(wú)橫向支撐的體系，在結構主體上，設置大移動(dòng)橋作為一級隨動(dòng)系統，在一級隨動(dòng)系統上設置雙向齒輪齒條作為二級縱向移動(dòng)平臺和橫向移動(dòng)橫梁；二級隨動(dòng)裝置下面吊掛快速驅動(dòng)裝置和探測器，為保證快速隨動(dòng)裝置和探測器在移動(dòng)過(guò)程中可保證一定的剛度，下部采用六根施加了預應力的鋼絲繩，通過(guò)特定的控制機構將其預應力控制在相對穩定的范圍內。一級水平驅動(dòng)系統的載荷為90T，二級水平隨動(dòng)系統縱向移動(dòng)載荷42T，橫向移動(dòng)載荷為60T，快速水平隨動(dòng)系統兩座標承載分別為2.5 T和4T。地面驅動(dòng)系統單根鋼絲繩拉力為3T。
另外，除需滿(mǎn)足國家規范和標準外，整個(gè)主體結構應具有較強的結構可靠性，當以試驗用推進(jìn)劑（TNT炸藥當量4.5kg）爆炸時(shí)塔架結構主體必須能保證完整性和安全性，在進(jìn)行相應維護和維修后可以重新進(jìn)行試驗。
2 結構體系分析
2.1結構方案
根據試驗場(chǎng)對塔架的條件要求，主體結構采用鋼結構空間剛架，對于高聳的塔架結構采用此種形式具有受力清晰，風(fēng)阻系數小，整體穩定性強，美觀(guān)大方等優(yōu)點(diǎn)。本結構方案采用兩榀外伸腿門(mén)式空間鋼桁架支撐兩根吊車(chē)桁架梁（凈主跨70m）外加門(mén)式鋼桁架平面外斜支撐組成，兩榀吊車(chē)桁架梁端部采用桁架連接。主要控制尺寸如下：1）外伸腿門(mén)式鋼桁架跨度上部為26m，下部為70m（兩邊各外伸22m），最頂端標高為98m；支腿截面尺寸為6mx6m，上部鋼桁架截面為6mx4m。2）兩根吊車(chē)桁架梁截面為6m×5m～6m×10m的變截面鋼桁架，其外側與門(mén)式鋼桁架連接，吊車(chē)桁架梁頂標高為90m，兩端封口鋼桁架截面為5mx5m。3）門(mén)式鋼桁架平面外斜支撐截面為6mx5m?？臻g示意、平面位置圖分別見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 試驗架空間示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖4 試驗場(chǎng)區圖（平面圖）
2.2荷載分析、工況組合及靜動(dòng)力初步分析結果
主材暫定選用Q235-C鋼，擬采用無(wú)縫鋼管，因為H型鋼的風(fēng)阻系數較圓鋼管稍大，外觀(guān)上也更加美觀(guān)，所以以采用圓鋼管為主。主要截面尺寸：Φ450×12，Φ250×10。
1）自然條件：抗震設防烈度：8度；設計基本地震加速度值為0.20g；設計地震分組：第一組；基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2;場(chǎng)地類(lèi)別（Ⅲ類(lèi)）。
2）荷載分析：恒荷載：包括結構構件自重、吊車(chē)（一、二級隨動(dòng)系統，下同）自重、燈具及吊繩自重、檢修通道等自重；活荷載：快速隨動(dòng)裝置、實(shí)驗模型、檢修荷載、動(dòng)力沖擊荷載（吊車(chē)制動(dòng)、平臺小車(chē)制動(dòng)、輔助隨動(dòng)橫向制動(dòng)荷載等）；風(fēng)荷載；地震荷載；局部爆炸沖擊荷載等。
3）荷載工況組合：根據《建筑結構荷載規范》進(jìn)行荷載組合；主要計算工況：
DL+吊車(chē)（含隨動(dòng)）＋工作條件水平力＋工作狀態(tài)風(fēng)荷載；
DL+吊車(chē)（含隨動(dòng)）＋極限狀態(tài)水平力；
DL+吊車(chē)（含隨動(dòng)）＋極限狀態(tài)垂直力；
DL+吊車(chē)＋地震荷載（含風(fēng)荷載組合）；
DL+吊車(chē)＋風(fēng)荷載；
DL+吊車(chē)＋爆炸荷載（含沖擊超壓分析、不含破片沖擊）；
部分靜動(dòng)力分析結果見(jiàn)圖5：
圖5 模態(tài)1(1/s)(大跨度高聳試驗架結構方案)
圖6 模態(tài)2(1/s)
圖7 恒活荷載最大豎向位移(m)
圖8 Y向地震位移圖(m)
經(jīng)計算分析，結構前三振型周期分別為2.09、1.97和1.58s，其中前兩個(gè)振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉，較為合理；工作狀態(tài)最大垂直位移為38mm，滿(mǎn)足工藝條件要求；地震位移及風(fēng)荷載引起的位移均滿(mǎn)足高聳規范的要求，吊車(chē)水平制動(dòng)力引起的位移亦滿(mǎn)足鋼結構規范要求。
2.3爆炸作用分析
根據工藝條件，相關(guān)爆炸沖擊波的荷載見(jiàn)表1。
當爆點(diǎn)在距離其中一個(gè)支腿最近（27.5m）處為最不利工況，支腿所受沖擊波超壓最大值見(jiàn)表1。
當爆點(diǎn)在距離桁架底最近（15m）處為最不利工況，桁架所受沖擊波超壓最大值見(jiàn)表2。
表1 支腿沖擊波超壓表
表2 桁架沖擊波超壓表
經(jīng)計算分析，當發(fā)生爆炸時(shí)塔架結構主體能保證完整性和安全性，在進(jìn)行相應維護和維修后可以重新進(jìn)行試驗。
3 特定頻域段脈動(dòng)風(fēng)作用分析研究
3.1格構式平臺結構的風(fēng)效應分析方法
已有研究表明，準定常假設適合于描述作用在格構式結構上的脈動(dòng)風(fēng)荷載，可以直接用來(lái)流的脈動(dòng)風(fēng)速譜描述塔架表面的脈動(dòng)風(fēng)荷載，基于脈動(dòng)風(fēng)速譜，通過(guò)計算機模擬風(fēng)速時(shí)程，采用隨機模擬時(shí)程分析方法分析塔架結構的風(fēng)振響應是切實(shí)可行的，該主要分析步驟為：1）根據風(fēng)荷載的統計特性進(jìn)行計算機模擬，人工生成具有特定頻譜密度和空間相關(guān)性的風(fēng)速時(shí)程V(t)，并轉化為風(fēng)壓時(shí)程作用在結構上；2）根據激勵樣本在時(shí)域內采用Newmark逐步積分法對運動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到每一時(shí)間步的節點(diǎn)位移 、速度 和加速度 ；3）對響應樣本進(jìn)行統計分析，確定風(fēng)振響應的均值、均方差和相應的頻譜特性。這種方法原則上適用于任意系統和任意激勵，并且可以得到較完整的結構動(dòng)力響應全過(guò)程信息。
3.2 結構表面風(fēng)荷載模擬
風(fēng)包括兩種成分：平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)。風(fēng)荷載的時(shí)程曲線(xiàn)模擬也即包括平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓模擬兩部分。結構各點(diǎn)的平均風(fēng)速可以根據基本風(fēng)速、地面粗糙度類(lèi)別及結構各點(diǎn)的高度，根據風(fēng)速剖面的指數律確定。在此基礎上考慮體型系數的影響，結構各點(diǎn)的平均風(fēng)壓即可確定。確定結構上各點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)荷載必須首先給出各點(diǎn)處的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)。結構上各點(diǎn)的風(fēng)速過(guò)程組成了一個(gè)隨機過(guò)程矢量，即風(fēng)場(chǎng)對具有時(shí)間和空間相關(guān)性的風(fēng)場(chǎng)應進(jìn)行計算機模擬。
脈動(dòng)風(fēng)速向量可表示為：
式中：C是一個(gè)三角形矩陣，其元素由互相關(guān)函數確定； 
是由互不相關(guān)的脈動(dòng)風(fēng)速過(guò)程組成的向量。
3.3 風(fēng)工程分析結果
平臺風(fēng)荷載的基本條件
1）風(fēng)速模擬條件：平均風(fēng)速：3.5m/s；地貌條件：B類(lèi)；時(shí)間間距：0.01s（最大可辨識頻率為50Hz）。
2）平臺各部分的擋風(fēng)系數及體型系數：1.76～1.85。
采用線(xiàn)性自回歸過(guò)濾器的模擬技術(shù)，對格構式平臺各點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行計算機模擬，并可將其轉化為風(fēng)荷載時(shí)程作用下結構各節點(diǎn)位置。根據試驗架的結構形式及空間組成，選取了146個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)速模擬，考慮到這些節點(diǎn)之間的脈動(dòng)風(fēng)速空間相關(guān)性，匯總了平臺8個(gè)典型節點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速模擬結果（圖10），其這些節點(diǎn)的位置如圖9所示。
圖9 風(fēng)速模擬典型節點(diǎn)
圖10脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程典型曲線(xiàn)
進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應分析。動(dòng)力時(shí)程分析的基本參數為：阻尼比取值為 
；時(shí)間步長(cháng)
，時(shí)間步為1200步。分析過(guò)程中，著(zhù)重考慮了典型位置節點(diǎn)的位移響應、典型單元的應力響應和典型支座的反力響應，給出了響應時(shí)程、響應的譜密度和響應中周期為30ms~40ms之間的響應成分的分布特征，部分結果見(jiàn)圖11、圖12。
圖11 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下位移響應曲線(xiàn)及響應譜
圖12 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下30～40ms頻域位移響應曲線(xiàn)及局部桿件應力響應曲線(xiàn)
3.4 小 結
在10m高度處風(fēng)速為3.5m/s的條件下，通過(guò)對平臺結構的風(fēng)振時(shí)程響應分析，有以下主要結論：
1)從響應幅值大小來(lái)看：在此風(fēng)速條件下，結構的振動(dòng)位移幅度（在高度的1/15000以下）、單元應力響應和支座反力都比較小。
2)從位移響應、單元應力和支座反力響應的譜密度曲線(xiàn)來(lái)看，風(fēng)振響應中，前兩階振型占主導地位，占總量的85％以上。
3)從目前已進(jìn)行的研究來(lái)看，位移響應、單元應力和支座反力響應中，周期為30ms~40ms之間的響應成分占總響應的比例很小，在10－6以下。
4 結論及建議
通過(guò)對結構主體靜動(dòng)力及爆炸分析，結果表明，該結構可滿(mǎn)足國家現行規范、標準及工藝條件要求；工作狀態(tài)下特定頻率段內結構主體因脈動(dòng)風(fēng)引起的響應很小，可以認為不影響隨動(dòng)系統的正常工作，這是由于結構主體的前3階振型對響應效應起主要作用的特性決定的。鑒于本分析僅僅考慮風(fēng)速為3.5m/s的工況，此時(shí)對應的風(fēng)荷載值非常小，風(fēng)振效應不明顯，建議開(kāi)展在最大設計風(fēng)速條件下，塔架平臺的風(fēng)振子項研究。
參考文獻
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（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）
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