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大跨度高聳試驗架結構方案及特定頻域段脈動(dòng)風(fēng)振響應分析研究

作者:李龍春 楊 軍    
時(shí)間:2013-10-17 10:05:20 [收藏]
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
    關(guān)鍵詞:

      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()×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

    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。

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    1 試驗架空間要求示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)

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    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 T4T。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×5m6m×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。

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    3 試驗架空間示意圖(大跨度高聳試驗架結構方案)

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    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

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    5 模態(tài)1(1/s)(大跨度高聳試驗架結構方案)

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    6 模態(tài)2(1/s)

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    7 恒活荷載最大豎向位移(m)

     \

    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、1.971.58s,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。

    1 支腿沖擊波超壓表

            \            

                   

    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:1.761.85。

    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。

      \

    9 風(fēng)速模擬典型節點(diǎn)

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    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。

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    \


    11 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下位移響應曲線(xiàn)及響應譜

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    \

    12 8點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)作用下3040ms頻域位移響應曲線(xiàn)及局部桿件應力響應曲線(xiàn)

    3.4

    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106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

    [1] 高聳結構設計規范(GBJ135-90 中華人民共和國建設部 1991

    [2] 張相庭 結構風(fēng)工程 中國建筑工業(yè)出版社 2006

    [3] 徐幼麟等 高聳結構風(fēng)振效應的準靜態(tài)效應 建筑結構學(xué)報 1991

    [4] 王國強 使用工程數值模擬技術(shù)及在ANSYS上的實(shí)踐 西北工業(yè)大學(xué)出版社 1999

    [5] 張相庭 結構順風(fēng)風(fēng)振的規范表達式及有關(guān)問(wèn)題的分析 建筑結構 2004

    [6] International Standard ISO4354. Wind Actions on Strucures,2004

     

     (總裝備部工程設計研究總院,北京 100028

     


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