帶式運(yùn)輸機(jī)過河廊道斜拉橋的設(shè)計(jì)與動(dòng)力特性分析

陶小委　馬赟　宋粉麗

摘 要：帶式物料運(yùn)輸機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中已有較多應(yīng)用，在跨越障礙時(shí)需要設(shè)置專用廊道橋。本文以某采礦項(xiàng)目帶式運(yùn)輸機(jī)跨河廊道橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計(jì)了主跨270m的大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)，保證了橋下河流通航凈空和泄洪要求。該橋的設(shè)計(jì)可為同類工程大跨廊道橋提供借鑒。同時(shí)，采用有限元計(jì)算軟件對(duì)橋梁進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。結(jié)果表明，橋梁具有較大柔性，橋梁振型較為密集，在采用反應(yīng)譜分析或其他地震反應(yīng)分析時(shí)應(yīng)考慮更多數(shù)量的參與振型。

關(guān)鍵詞：帶式運(yùn)輸機(jī);斜拉橋;設(shè)計(jì);動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）32-0120-04

Design?and?Dynamic?Characteristics?Analysis?of?Cable-stayed

Bridge?of?River?Conveyor?with?Belt?Conveyor

TAO?Xiaowei1 MA?Yun2 SONG?Fenli2

（1.Huanghe?Jiaotong?University，Jiaozuo?Henan?454950;2.Henan?Transportation?Research?Institute?Co.，?Ltd.，Zhengzhou?Henan?450000）

Abstract：?Belt?conveyors?have?been?widely?used?in?industrial?production，?and?special?corridor?bridges?need?to?be?set?up?when?crossing?obstacles.?In?this?paper，?a?mining?project?belt?conveyor?cross-river?corridor?bridge?was?used?as?the?engineering?background，?and?a?large-span?cable-stayed?bridge?with?a?main?span?of?270m?was?designed?to?ensure?the?navigation?clearance?and?flood discharge?requirements?of?the?river?under?the?bridge.The?design?of?the?bridge?can?provide?reference?for?the?large-span?corridor?bridge?of?the?same?kind.?At?the?same?time，?the?finite?element?calculation?software?was?used?to?analyze?the?dynamic?characteristics?of?the?bridge.?The?results?show?that?the?bridge?has?greater?flexibility?and?the?vibration?mode?of?the?bridge?is?more?dense，?when?using?response?spectrum?analysis?or?other?seismic?response?analysis，?a?larger?number?of?participating?modes?should?be?considered.

Keywords：?belt?conveyor;cable-stayed?bridge;design;dynamic?characteristics

帶式運(yùn)輸機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)物料的連續(xù)和長(zhǎng)距離運(yùn)送，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)送量大且不損傷被輸送物料等特點(diǎn)。近年來(lái)，由于工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，散裝物料的帶式輸送機(jī)大量運(yùn)用于冶金、化工、電站、港口、?？诘裙I(yè)領(lǐng)域[1]。帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)，往往需要跨越河流、山谷、道路、建筑物等，當(dāng)跨度較小時(shí)采用普通鋼筋混凝土廊道橋即可跨越，當(dāng)跨度較大時(shí)可采用鋼桁架廊道橋，當(dāng)單跨跨度進(jìn)一步加大并超過100m時(shí)，采用常規(guī)的梁式廊道橋已不能滿足工程需求，需要采用跨越能力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式。在公路和市政大跨度橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等橋型均有較多應(yīng)用，但在工業(yè)帶式運(yùn)輸機(jī)廊道橋中的應(yīng)用較少。本文以某鋁土礦帶式運(yùn)輸機(jī)跨河廊道橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行了大跨度廊道斜拉橋的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算分析。

1 工程背景

某采礦項(xiàng)目皮帶運(yùn)輸機(jī)跨河廊道跨越河流，主河道全寬約為400m，橋下通航凈空要求不低于7.7m?？绾永鹊佬柙O(shè)置2條皮帶機(jī)，單條皮帶機(jī)設(shè)計(jì)恒載為4.1kN/m，設(shè)計(jì)物料活載為2.5kN/m;皮帶機(jī)兩側(cè)需要設(shè)檢修道，設(shè)計(jì)人群活載為2.0kN/m2。由于河道較寬且河流有泄洪和通航要求，采用常規(guī)的鋼桁架橋梁廊道時(shí)，需要在河道中設(shè)置多處橋墩，其已不能滿足項(xiàng)目要求。因此，跨河廊道需要設(shè)計(jì)為跨越能力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式。另外，考慮橋位景觀需求，斜拉橋或懸索橋更適合本項(xiàng)目需求。斜拉橋拉索的多點(diǎn)彈性支承使主梁的受力類似于多跨連續(xù)梁，從而減小了主梁彎矩和梁體尺寸，減輕了梁體重量，使其具有很強(qiáng)的跨越能力，與懸索橋相比，斜拉橋的抗風(fēng)性能優(yōu)越，且不需要龐大的錨固裝置[2]。因此，設(shè)計(jì)最終選定主跨270m的斜拉橋跨河廊道方案。

2 廊道斜拉橋的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，橋梁設(shè)計(jì)為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，設(shè)計(jì)跨徑組合為（44+64+270+64+44）m，全橋共設(shè)置40對(duì)平行鋼絲斜拉索，44m邊跨梁上索距為8.0m，64m次邊跨梁上索距為12.0m，270m主跨梁上索距為12.0m，其中主跨跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為22.0m。橋梁主塔設(shè)計(jì)為H型混凝土塔，承臺(tái)以上塔高為77.0m，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁主梁采用Q345D鋼，由邊主梁、橫梁和正交異性鋼橋面板組成，主梁頂面設(shè)10cm厚混凝土鋪裝層;橋梁兩邊跨主梁設(shè)壓重段，采用鐵砂混凝土壓重。

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)首先要考慮皮帶機(jī)設(shè)備安裝和設(shè)備檢修空間要求，然后結(jié)合拉索布置、欄桿設(shè)置等構(gòu)造要求和受力需要進(jìn)行確定。廊道橋橫斷面布置如圖2和圖3所示，主梁全寬為11.0m，主跨和次邊跨標(biāo)準(zhǔn)段梁高為1.5m，邊跨壓重段設(shè)計(jì)梁高為1.8m;橋梁橫向布置2條皮帶機(jī)設(shè)備、4條檢修道，外側(cè)檢修道設(shè)防護(hù)欄桿，中間1.3m為分隔帶;斜拉索錨固區(qū)位于主梁兩邊最外側(cè)，橫向拉索間距為10.0m。

2.3 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索設(shè)計(jì)采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1?670MPa的平行鋼絲斜拉索，其技術(shù)條件應(yīng)滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》（GB/T?18365—2018）的技術(shù)要求[3]。采用零位移法[4]，以恒載狀態(tài)下主梁控制點(diǎn)豎向位移作為控制目標(biāo)，通過對(duì)索力的調(diào)整，使得主梁控制點(diǎn)豎向位移為零，并兼顧塔、梁關(guān)鍵截面內(nèi)力和主塔位移，由此確定拉索的合理成橋索力和拉索型號(hào)。斜拉索設(shè)計(jì)型號(hào)和設(shè)計(jì)成橋索力如表1所示。

3 橋梁的動(dòng)力特性分析

3.1 動(dòng)力特性計(jì)算方法

斜拉橋是質(zhì)量和剛度連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)體系，具有無(wú)限多個(gè)自由度，實(shí)際計(jì)算可對(duì)結(jié)構(gòu)各部分離散處理，劃分為有限個(gè)自由度的計(jì)算模型。一般阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響很小，因此在求解結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型時(shí)，通常忽略阻尼的影響。

假設(shè)結(jié)構(gòu)離散劃分后有[n]個(gè)自由度，則該體系的自由振動(dòng)可用式（1）來(lái)表示。

MU（t）+KU（t）=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，M、K分別為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量和剛度矩陣;[U（t）]為結(jié)構(gòu)體系各節(jié)點(diǎn)的位移矢量。

與上述[n]和自由度的振動(dòng)模型相對(duì)應(yīng)的特征方程可表示為：

（K-ω2M）U=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于位移是任意的，其應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：

K-ω2M=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（2）的特征值問題通常采用子空間迭代法求解，所求得的[n]個(gè)實(shí)根分別代表結(jié)構(gòu)的[n]個(gè)自振頻率。一旦得到體系的振動(dòng)頻率矢量，將各個(gè)振型頻率代入式（2），就可得到相應(yīng)的振型或模態(tài)。上述過程可通過橋梁計(jì)算有限元軟件實(shí)現(xiàn)。

3.2 有限元計(jì)算模型

借助有限元軟件midas/Civil，采用子空間迭代法[5]求解橋梁動(dòng)力特性，采用有限元計(jì)算軟件midas/Civil建立橋梁計(jì)算模型，主塔、邊主梁和橫梁采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用索單元進(jìn)行模擬。如圖4所示，有限元模型共劃分為1?460個(gè)點(diǎn)、2?300個(gè)梁?jiǎn)卧??204個(gè)板單元和80個(gè)索單元。

3.3 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果分析

斜拉橋的動(dòng)力特性與多種因素有關(guān)，包括橋梁跨度和橋?qū)?、主梁截面形式與材料、塔梁連接方式、橋塔形式和材料、斜拉橋縱橫向布置以及輔助墩數(shù)目和位置等[6]。斜拉橋動(dòng)力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等，它反映了斜拉橋的質(zhì)量分布和剛度指標(biāo)，其計(jì)算是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[6-8]。計(jì)算橋梁典型振型和頻率，如表2所示，橋梁前3階振型如圖5至圖7所示，橋梁扭轉(zhuǎn)振型如圖8所示。

上述計(jì)算結(jié)果表明，橋梁基頻為0.319，相對(duì)于常規(guī)梁式廊道橋，其基頻較小。由于橋梁主跨跨度較大，主梁寬度和高度相對(duì)較小，橋梁1階振型為橫橋向側(cè)彎，體現(xiàn)了該橋型較大結(jié)構(gòu)柔度的特性。計(jì)算可知，橋梁第70階振型出現(xiàn)主梁扭轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率為1.095Hz。橋梁振型較為密集，在一個(gè)并不寬的頻段內(nèi)分布著很多模態(tài)，因此對(duì)于該橋，在采用反應(yīng)譜分析其他地震反應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮更多數(shù)量的參與振型。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)生產(chǎn)中，帶式物料運(yùn)輸機(jī)已有較多應(yīng)用，其相對(duì)其他運(yùn)輸方式具有可連續(xù)運(yùn)輸、長(zhǎng)距離運(yùn)輸和運(yùn)輸量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，帶式運(yùn)輸機(jī)需要固定的運(yùn)輸廊道，在跨越障礙時(shí)需要設(shè)置專用廊道橋。本文以某鋁土礦帶式運(yùn)輸機(jī)跨河廊道橋?yàn)楣こ瘫尘埃O(shè)計(jì)了主跨270m的大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大跨度跨越河流，保證了橋下河流通航凈空和泄洪要求，該橋的設(shè)計(jì)為工程同類大跨廊道橋提供了借鑒。橋梁動(dòng)力分析結(jié)果表明，相對(duì)于常規(guī)梁式廊道橋，其基頻較小，具有較大結(jié)構(gòu)柔度的特性;橋梁振型較為密集，在采用反應(yīng)譜分析或其他地震反應(yīng)分析時(shí)應(yīng)考慮更多數(shù)量的參與振型。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊娜.鋼結(jié)構(gòu)通廊振動(dòng)分析及減振設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2016.

[2]戴杰.鋼箱梁斜拉橋合理成橋狀態(tài)與合理施工狀態(tài)優(yōu)化方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

[3]國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索：GB/T?18365—2018[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[4]苑仁安.斜拉橋施工控制：無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論與應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[5]MIDAS?IT?（Beijing）?Corporation.MIDAS/CIVIL?Analysis?for?Civil?Structures[Z].2004.

[6]習(xí)勇.大跨度混合梁獨(dú)塔斜拉橋地震反應(yīng)分析及減震措施研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2010.

[7]李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.

[8]交通運(yùn)輸部.公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/T?B02-01—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.