淺談大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

【摘 要】文章結(jié)合某大跨度電廠輸煤棧橋?qū)嵗?，?duì)結(jié)構(gòu)自振下的有限元分析法進(jìn)行簡要介紹，并對(duì)該大跨度電廠輸煤棧橋的結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行了分析，得出了該大跨度電廠輸煤棧橋在結(jié)構(gòu)動(dòng)力方面的特性。

【關(guān)鍵詞】輸煤棧橋；大跨度；結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

對(duì)于電廠所使用的輸煤棧橋而言，其大多跨度較大，在以往針對(duì)此類大跨度電廠輸煤棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的過程當(dāng)中，多采取的是反應(yīng)譜法計(jì)算，但由于反應(yīng)譜法是以一致激勵(lì)為基礎(chǔ)所提出的，因此抗震計(jì)算中無法納入對(duì)地震作用所產(chǎn)生空間效應(yīng)問題的考慮，進(jìn)而導(dǎo)致其在用于大跨度電廠輸煤棧橋抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析上并不合理。針對(duì)此情況，當(dāng)前實(shí)踐中開始逐步嘗試以隨機(jī)振動(dòng)功率密度譜法為基礎(chǔ)，在納入空間效應(yīng)的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。而在這一過程當(dāng)中，有關(guān)大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的研究工作是非常重要的。

1.實(shí)際案例

某大跨度電廠輸煤棧橋的為鋼結(jié)構(gòu)棧橋，主體結(jié)構(gòu)共七跨，第一跨～第四跨長度均為33.1m，第五跨長度為42.1m，第六跨為25.4m，第七跨為24.2。整個(gè)輸煤棧橋矢高取值為3.0，上升坡度為8.9°，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量棧橋爬升高度為35.3m。結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括上弦梁結(jié)構(gòu)、下弦梁結(jié)構(gòu)、腹桿、端柱、橋面、頂面橫梁結(jié)構(gòu)、縱向次梁結(jié)構(gòu)、橫向支撐、縱向支撐結(jié)構(gòu)這幾個(gè)部分。整個(gè)輸煤棧橋主體結(jié)構(gòu)共設(shè)置8組支柱，均為鋼結(jié)構(gòu)支柱，最低端支柱高度為5.0m，最高端支柱高度為40.2m。除第一組支柱外，第二～第八組支柱均布置橫向支撐結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)自振下有限元分析法

在利用有限元分析法對(duì)大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，首先需要將結(jié)構(gòu)離散為多個(gè)單元，然后通過單元分析的方式得到各個(gè)單元在力學(xué)屬性上的特征，形成與單元相對(duì)應(yīng)的剛度矩陣，并對(duì)多個(gè)單元分析結(jié)果進(jìn)行合成，得到總體剛度矩陣，以展開結(jié)構(gòu)整體自振特性的分析。

3.結(jié)構(gòu)自振特性

自振特性是結(jié)構(gòu)自身始終存在的性質(zhì)之一，在橋梁譜反應(yīng)計(jì)算、隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算、以及動(dòng)力時(shí)程計(jì)算等方面均發(fā)揮著重要的前提支持，同時(shí)，自振特性也是反映橋梁結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)的重要參數(shù)之一，在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，做出橋梁維護(hù)相關(guān)決策的過程中發(fā)揮著非常重要的意義與價(jià)值。對(duì)于大跨度電廠輸煤棧橋而言，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性分析內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：其一是結(jié)構(gòu)自振頻率，其二是主振型。以上自振特性的分析都會(huì)在不同程度上受到橋梁結(jié)構(gòu)組成體系、剛度水平、質(zhì)量分布情況、以及邊界條件的影響。

對(duì)于本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋?qū)嵗?，在?duì)該棧橋結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，引入基于ANSYS的模態(tài)分析方法，前十階自振特性分別為：

第一階：固有頻率取值為0.88Hz，振型特征為各組支柱對(duì)稱縱向傾斜伴隨各跨橋體豎向彎曲。

第二階：固有頻率取值為1.64Hz，振型特征為各組支柱對(duì)稱橫向傾斜伴隨各跨橋體橫向彎曲。

第三階：固有頻率取值為1.71Hz，振型特征為橋體第五跨豎橋向?qū)ΨQ性彎曲。

第四階：固有頻率取值為1.91Hz，振型特征為橋體前兩組支柱橫向傾斜伴隨橋體前兩跨橫向傾斜。

第五階：固有頻率取值為2.07Hz，振型特征為橋體各組支柱反向?qū)ΨQ縱向傾斜伴隨各跨橋體豎向彎曲。

第六階：固有頻率取值為2.19Hz，振型特征為橋體各組支柱反向?qū)ΨQ橫向傾斜伴隨各跨橋體橫向彎曲。

第七階：固有頻率取值為2.37Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲伴隨第七組支柱縱向彎曲。

第八階：固有頻率取值為2.45Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲伴隨第七組支柱縱向彎曲。

第九階：固有頻率取值為2.95Hz，振型特征為橋體前四跨豎向彎曲。

第十階：固有頻率取值為3.25Hz，振型特征為第七組支柱縱向彎曲。

4.結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

第一，對(duì)于大跨度電廠輸煤棧橋而言，結(jié)構(gòu)固有頻率首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)剛度較小的方向以及位置上。由于本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋支柱高度較大并且跨度較大，因此支柱與支柱間的縱橋向支撐部件難以布置，受到此因素影響，導(dǎo)致大跨度電廠輸煤棧橋中首先發(fā)生的振型為支柱順橋向傾斜作用力影響而產(chǎn)生的振型。

第二，結(jié)合本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋?qū)嶋H案例而言，一階振型頻率取值為0.88Hz。結(jié)合當(dāng)前我國鐵道部所制定的《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求“一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)一階振型頻率，即基頻取值不得出現(xiàn)在人類敏感頻率區(qū)間內(nèi)（即2.0Hz～6.0Hz）”，根據(jù)這一規(guī)定，認(rèn)為該大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)在一階振型頻率上能夠符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)于此類大跨度的電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)，取值為0.88Hz的基頻仍然相對(duì)較高。這一數(shù)據(jù)反映了：雖然本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋當(dāng)中支柱高度較大，并且沒有在支柱與支柱間布置縱橋向支撐結(jié)構(gòu)，但落料塔作為最高支柱結(jié)構(gòu)，仍然為整個(gè)輸煤棧橋提供了較大的剛度支持。

第三，在本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋項(xiàng)目中，受到由橋面板以及各組支柱相互之間橫向支撐結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致棧橋橋體結(jié)構(gòu)的橫向剛度水平較大。研究顯示，在針對(duì)本大跨度電廠輸煤棧橋所進(jìn)行的前十階振型當(dāng)中，基于橫向彎曲的振型僅出現(xiàn)兩次，基于橫向傾斜的振型僅出現(xiàn)一次。從這一角度上來說，該大跨度電廠輸煤棧橋?qū)τ谒幁h(huán)境條件下的風(fēng)振以及地震作用力均有理想的防護(hù)效果。

第四，在針對(duì)本文所例舉大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性所展開的前十階振型分析中發(fā)現(xiàn)，有六階振型均表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的豎向彎曲特點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的頻率帶取值在1.7Hz～3.0Hz范圍以內(nèi)，且頻率帶分布上具有較為緊密的特點(diǎn)。從這一角度上來說，在對(duì)該大跨度電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行研究的過程當(dāng)中，需要盡量避免輸煤棧橋在1.7Hz～3.0Hz這一頻率帶內(nèi)出現(xiàn)豎橋向的振動(dòng)激勵(lì)源，避免其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到不良影響。

5.結(jié)束語

本次研究中，結(jié)合某大跨度電廠輸煤棧橋?qū)嶋H案例，應(yīng)用有限元分析法對(duì)該輸煤棧橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性展開了分析與探究，得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：第一，大跨度電廠輸煤棧橋中首先發(fā)生的振型為支柱順橋向傾斜作用力影響而產(chǎn)生的振型；第二，雖然本文所例舉的大跨度電廠輸煤棧橋當(dāng)中支柱高度較大，并且沒有在支柱與支柱間布置縱橋向支撐結(jié)構(gòu)，但落料塔作為最高支柱結(jié)構(gòu)，仍然為整個(gè)輸煤棧橋提供了較大的剛度支持；第三，該大跨度電廠輸煤棧橋?qū)τ谒幁h(huán)境條件下的風(fēng)振以及地震作用力均有理想的防護(hù)效果；第四，為了確保整個(gè)輸煤棧橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要盡量避免輸煤棧橋在1.7Hz～3.0Hz這一頻率帶內(nèi)出現(xiàn)豎橋向的振動(dòng)激勵(lì)源。

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