輸煤皮帶通廊橋架抗震性能分析*

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輸煤皮帶通廊橋架抗震性能分析*

陳少杰1，任建喜1，鄧博團1，張琨1，潘振軍2

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.南寧市建筑設(shè)計院，廣西 南寧 530012)

摘要：輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)在歷次的地震中破壞較多，為了研究其動力特性和抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的壽命和安全性，利用SAP2000有限元軟件，對工程中常見的3種結(jié)構(gòu)形式的輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)及水平地震響應(yīng)分析，結(jié)果表明：前三階振型對橋架結(jié)構(gòu)的影響較大，但高階振型時橋架上部錯動變形明顯，計算中高階振型不能忽略；橋架的最大位移均發(fā)生在跨中，三角腹桿和下斜腹桿橋架在地震作用中變形幅度接近，均大于加吊桿式橋架；受到下拉吊桿的影響，橋架端部下弦桿內(nèi)力增大明顯，采用該布置形式時應(yīng)對端部下弦桿進行加強。

關(guān)鍵詞：輸煤橋架；鋼結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析；反應(yīng)譜

0引言

輸煤皮帶通廊橋架是一種高出地面的建筑物，其形狀如橋，通常稱為棧橋[1]。按其用途的不同，棧橋主要分為輸送皮帶走廊和人行棧橋2種。皮帶通廊輸煤橋架[2-3]是煤礦、電廠以及選煤廠的重要組成結(jié)構(gòu)，是企業(yè)重要的運輸工具以及輔助生產(chǎn)的建筑物。皮帶通廊橋架是工礦企業(yè)的運輸通道，可將煤從地面或一個高度輸送至另一個高度，提高了煤的運輸、裝卸效率，作為企業(yè)的生命線工程，若在地震作用下破壞，將給企業(yè)帶來嚴(yán)重的損失，所以保證輸煤橋架的安全性是非常重要的環(huán)節(jié)。近幾年各個煤炭企業(yè)的規(guī)模擴大，皮帶通廊橋架的數(shù)量和橋架跨度都有大幅增加，由于橋架的輸煤運量大、支架高、跨度大，加上復(fù)雜外界環(huán)境(如地震以及鋼結(jié)構(gòu)腐蝕等)的影響，所以對該結(jié)構(gòu)抗震性能的研究迫在眉睫。國內(nèi)外對輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)的研究多在上世紀(jì)80年代，主要側(cè)重于研究新體系[4-6]的開發(fā)和應(yīng)用，例如鋼管桁架結(jié)構(gòu)，空間網(wǎng)架等。作為工業(yè)建筑中常見的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的學(xué)者對輸煤皮帶通廊橋架的震害[7]進行了許多的調(diào)查和分析，為工程設(shè)計與研究提供了一些非常有價值的參考，但近些年來，相對深入的研究較少。因此，深入研究輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)的抗震性能[8-9]是非常必要的。

1工程概況

某煤炭集運公司的輸煤皮帶通廊橋架，總長120 m，共有三跨，每跨的長度均為40 m，爬升坡度7°，爬升高度15 m.該運煤橋架為封閉式通廊，橋面上為輸煤傳送皮帶及皮帶支架，橋底面為現(xiàn)澆混凝土板，橋體的側(cè)面和頂面用輕型圍護板全封閉。全橋共有兩組混凝土框架支柱，框架梁、柱混凝土等級為C35，鋼筋采用HRB335.上部通廊采用鋼結(jié)構(gòu)形式，鋼材為Q345B.結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，設(shè)計使用年限50 a，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期0.35 s，設(shè)計基本地震加速度0.20 g，地面粗糙度B類。結(jié)構(gòu)的截面屬性見表1.

2輸煤皮帶通廊橋架有限元模型建立

文中采用SAP2000有限元軟件，利用整體坐標(biāo)系建立結(jié)構(gòu)模型[10-13]，定義輸煤皮帶通廊橋架的縱向作為整體坐標(biāo)系的X方向，沿橋架橫向作為Y方向，沿橋架豎向作為Z方向，橋架中的各個桿件都有自己相應(yīng)的局部坐標(biāo)。

2.1　構(gòu)件連接、邊界條件的設(shè)置

結(jié)合實際工程和鋼橋架結(jié)構(gòu)的特點，在建立計算模型過程中，采用以下的構(gòu)件連接方式。

混凝土框架柱支架和地面基礎(chǔ)設(shè)為剛性連接，連系梁與混凝土框架柱之間也為剛性連接，混凝土柱支架頂部與鋼橋架之間鉸接，實際工程中輸煤橋架的弦桿與下弦面的橫梁及上弦面的檁條連接節(jié)點都布置了隅撐，因此，上、下弦桿與橫梁和檁條設(shè)為剛性連接，上、下弦桿在同一跨內(nèi)的節(jié)點處為連續(xù)剛接，上、下弦的水平支撐及腹桿的兩端設(shè)為鉸接。

表1　橋架構(gòu)件截面屬性

2.2　模型的建立

根據(jù)上述原則，建立3個輸煤橋架結(jié)構(gòu)的計算模型，依次為三角腹桿式、下斜腹桿式和下斜加吊桿式，如圖1所示。

圖1　橋架有限元模型Fig.1　Finite element model of bridge(a)橋架一　(b)橋架二　(c)橋架三

3多跨輸煤皮帶通廊橋架模態(tài)分析

利用SAP2000軟件對輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)模型進行模態(tài)分析，選用子空間迭代法。在進行動力特性分析前，先需要定義質(zhì)量源系數(shù)。按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[14-15]規(guī)定，自重與附加恒荷載質(zhì)量系數(shù)取1.0，活載質(zhì)量系數(shù)取0.5.對3種橋架模型進行模態(tài)分析，得出前30階振型的陣型形態(tài)，自振周期和質(zhì)量參與系數(shù)見表2.

由于篇幅關(guān)系，沒有將前30階振型信息全部列出，所有表格中數(shù)值保留小數(shù)點后兩位有效數(shù)字，表中的0其本身不一定真為零。橋架三的振型形態(tài)如圖2所示。

表2　橋架的周期及質(zhì)量參與系數(shù)

圖2　橋架振型圖Fig.2　Modal figures of bridge(a)第一階振型　(b)第二階振型　(c)第三階振型(d)第四階振型　(e)第五階振型　(f)第六階振型

根據(jù)計算結(jié)果可知，第三十階振型的質(zhì)量參與系數(shù)累計值SumUX，SumUY均達到90%以上，滿足結(jié)構(gòu)地震動力分析規(guī)范所要求的模態(tài)分析的質(zhì)量參與系數(shù)指標(biāo)。橋架一在第七振型中，由于UX+UY=0.011

第一振型中橋架一UX+UY=0.71>RZ且UY>UX，RX為0.76，與UY相對應(yīng)，振型特征表現(xiàn)為Y方向平動帶扭轉(zhuǎn)，橋架二、三與其規(guī)律一致。RZ說明橋架縱向為獨立振動，并且Z向的扭轉(zhuǎn)與X向的平動耦合作用明顯。

由振型圖可以看出，在Y向平動帶扭轉(zhuǎn)時，結(jié)構(gòu)下部與混凝土柱連接可靠，但上部2個橋架間聯(lián)系較弱，導(dǎo)致上部橋架頂點處的位移較大，屬于薄弱點，在實際的工程中會帶動內(nèi)部的輸煤皮帶發(fā)生較大錯動，因此在設(shè)計時對上部桁架間的連接應(yīng)適當(dāng)加強。

4縱向地震作用下結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力

在縱向地震作用下，對結(jié)構(gòu)進行反應(yīng)譜分析。結(jié)構(gòu)的陣型組合采用了CQC法，方向組合采用了SRSS法。選取結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點和控制桿件，對不同結(jié)構(gòu)布置形式的變形和內(nèi)力進行分析。橋架節(jié)點如圖3所示。

圖3　橋架控制節(jié)點編號Fig.3　Control node number of bridge

由于在地震作用下，各跨鋼架的桿件內(nèi)力分布規(guī)律相同，所以選取第二跨的桿件內(nèi)力分析，編號如圖4所示。

圖4　橋架控制桿編號Fig.4　Lever number of bridge

4.1　縱向地震下結(jié)構(gòu)變形分析

根據(jù)縱向地震作用下反應(yīng)譜分析結(jié)果，將3個橋架控制點的位移(單位mm)列于表3中。

橫坐標(biāo)按從小到大的順序，將所取的85～330控制節(jié)點分別用1～20表示，繪制3個橋架的豎向位移值曲線如圖5所示。

表3　橋架控制點位移(縱向/豎向)

圖5　橋架豎向位移曲線Fig.5　Vertical displacement curve of bridge

在縱向地震的作用下，橋架整體的運動趨勢為X向振動，3個結(jié)構(gòu)的縱向最大位移均發(fā)生在第三跨的支座處，分別為13.11，13.05，12.81 mm，縱向位移隨著結(jié)構(gòu)高度的升高而增大。上部鋼橋架最大位移發(fā)生在跨中位置，并且相同位置的上下弦處的位移值接近。3個橋架結(jié)構(gòu)的豎向位移最大值均發(fā)生在227處，分別為6.90，7.05，2.48 mm，可以看出橋架一、二在縱向地震作用下變形幅度接近，但橋架三在Z向的位移較前兩者減小約64.7%，說明設(shè)置了下吊拉桿對豎向剛度的增強很明顯。

4.2　縱向地震下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

縱向地震作用下反應(yīng)譜分析的各控制桿內(nèi)力見表4.橫坐標(biāo)按編號從小到大的順序，用1～16分別表示215～675控制桿，繪制橋架內(nèi)力包絡(luò)值曲線如圖6所示。

在縱向地震的作用下橋架一、二中相同位置的下弦桿受力大于上弦桿，上、下弦桿的最大軸力均出現(xiàn)在跨中。受到下拉吊桿的影響，橋架三的上、下弦桿在靠近端部的桿上軸力最大，沒有在跨中位置出現(xiàn)。橋架三跨中弦桿的受力最小，但較無下拉吊桿的橋架，端部弦桿327受力增大29.6%，339的受力增大25.1%，是較薄弱位置，設(shè)計時應(yīng)對該結(jié)構(gòu)形式的端部弦桿進行加強。根據(jù)計算結(jié)果，3個橋架的直腹桿和端部上弦桿的軸力均很小，但并不是真正意義上的零力桿。

表4　橋架各控制桿件內(nèi)力

圖6　橋架控制桿內(nèi)力包絡(luò)值曲線Fig.6　Bridge control internal force envelope curve

橋架的支座處反力見表5.

表5　縱向地震下支座反力

可以看出，3個橋架支座處反力接近，但加設(shè)下拉吊桿后，橋架三鉸支座325處縱向反力增大明顯，增幅較橋架一、二分別為38.9%和39.1%，而豎向反力減小幅度分別為30%和27%.縱向地震作用下支座處主要承受Y向的彎矩，3個橋架的彎矩值相差幅度在4.7%內(nèi)，其它2個方向的彎矩值幾乎為零。

5結(jié)論

1)文中中的輸煤皮帶通廊橋架結(jié)構(gòu)，前三階振型影響較大，但橋架結(jié)構(gòu)上部在高階振型時錯動變形明顯，所以計算中高階振型不能忽略；

2)地震作用下輸煤橋架發(fā)生整體的側(cè)向移動，上部橋架的荷載主要由端門架傳給框架柱，為了保證其能承受地震作用所產(chǎn)生的剪力，建議在橋架端門架設(shè)計時予以加強，以保證結(jié)構(gòu)整體的安全性；

3)輸煤橋架結(jié)構(gòu)的最大位移均發(fā)生在跨中，三角腹桿和下斜腹桿式橋架在地震作用中變形幅度接近，均大于加設(shè)下拉吊桿的橋架三。受到下拉吊桿的影響，橋架三端部下弦桿內(nèi)力增大明顯，327和339處較無吊桿結(jié)構(gòu)形式內(nèi)力的增幅分別為29.6%和25.1%，所以設(shè)計該結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)加強端部下弦桿；

4)文中將三角式腹桿的橋架一和下斜式腹桿的橋架二與加設(shè)下吊拉桿的橋架三進行對比，發(fā)現(xiàn)加設(shè)下拉吊桿后剛度較前2種形式有了明顯的提升。加設(shè)超靜定拉桿后，使得部分下弦桿受壓，部分上弦桿受拉，這與豎向荷載作用下無下拉吊桿橋架的內(nèi)力符號相反，垂直荷載作用產(chǎn)生的部分內(nèi)力被抵消，因而減小了鋼橋架的撓度，所以在跨度和荷載較大的工程中建議使用加設(shè)下拉吊桿的結(jié)構(gòu)形式。

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Seismic performance analysis of coal belt-conveyor bridge

CHEN Shao-jie1，REN Jian-xi1，DENG Bo-tuan1，ZHANG Kun1，PAN Zhen-jun2

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;

2.NanningArchitecturalDesignInstitute，Nanning530012，China)

Abstract：Coal belt-conveyor bridge structures are usually damaged a lot under seismic activities.In order to study the dynamic characteristics and anti-seismic performances of the structures，and to improve the service life and security of the structures，the authors performed modal and horizontal seismic responses analyses of the three structure types of coal belt-conveyor bridge structures with finite elements software SAP2000.The result showed that：the first three modes of vibration had great impact on the bridge structure，however，the higher mode effect cannot be ignored during calculation as the upper part of the bridge would suffer obvious dislocation and deformation.The maximum displacement normally occurred to the mid span of the bridge.During seism activities，the triangle web member as well as the declivitous non-suspender type of bridge had greater extent of deformations compared to the declivitous suspender type of bridge.Affected by the declivitous suspender，the internal force of the lower chords was significantly increased at the end of the bridge.In such cases，the lower chords should be reinforced.

Key words：coal handling bridge；steel structure；modal analysis；response spectrum

中圖分類號：TU 393.3

文獻標(biāo)志碼：A

通訊作者：陳少杰(1989-)，男，陜西榆林人，碩士，E-mail：ccsj95@163.com

收稿日期：*2015-09-24責(zé)任編輯：劉潔

文章編號：1672-9315(2016)01-0098-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0117