臺風區(qū)雙孔連做造橋機風振效應研究

畢監(jiān)江

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

目前，風振響應的計算分析主要針對樓房、塔式結構以及橋梁等高聳輕柔結構[1]。造橋機作為大型施工機械設備，其跨度以及構件長細比較大，屬柔性體系，振動周期較長，在風荷載動力作用下往往會產生較大的振動變形。在風工程中將風載分為兩部分，即低頻長周期的平均風載以及高頻短周期的脈動風載。平均風載由速度、方向基本不隨時間變化的穩(wěn)定氣流產生，對結構的作用可等效成靜力作用；脈動風載由風速、風向隨時空隨機變化的風所產生，在脈動風作用下，結構在順向及橫向會產生風振[2－3]。以往研究表明，對于非圓形截面風振內力中，橫風與順風響應明顯，不容忽視。本文以雙孔連做造橋機在平潭海峽公鐵兩用大橋應用為工程背景，采用平潭海峽臺風2010年至2012年的實測數據生成時程風速，模擬雙孔連做造橋機的風振響應，最后根據計算結果對造橋機結構風振響應進行分析，為今后造橋機結構抗臺風設計及應用提供理論支撐。

2 造橋機結構及有限元仿真模型

（1）造橋機整體結構

造橋機采用下承式結構，由主桁系統、下托梁系統、托輪系統、提梁龍門吊、后端臨時支腿、前導梁、液壓系統和電氣控制系統等部分組成[4－6]。SPZ2700×2／64型雙孔連做造橋機結構幾何模型如圖1所示，主桁上下弦桿件截面如圖2所示[7－8]。

圖1 雙孔連做造橋機幾何模型（單位：mm）

圖2 主桁上下弦桿件截面（單位：mm）

（2）結構仿真模型

采用有限元分析軟件Midas civil，根據造橋機結構幾何特性，采用桿系單元建立主桁結構，模型總共由4 180個單元和1 684個節(jié)點組成。結構材料主要分為三種鋼材型號，其中主桁結構與下托梁結構全部采用Q420型鋼材，橫向連接結構采用Q345鋼材。鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。造橋機有限元模型如圖3所示。

圖3 雙孔連做造橋機有限元模型

3 脈動風荷載模擬

3．1 臺風數據選取

為分析造橋機機體結構風振響應，選取平潭海峽地區(qū)2010至2012年期間海上典型臺風數據作為結構風振的激振源，采用臺風最大風速作為模擬初始數據。文中采用的臺風實測數據分為兩類，具體描述如下：

（1）臺風A：風向呈東南—東—東北隨機變化，出現當日最大脈動風速49.23 m／s，溫度33.1℃，如圖4a所示。

圖4 模擬臺風玫瑰圖

（2）臺風B：風向呈北—東北隨機變化，出現當日最大脈動風速43.8 m／s，溫度11.3℃，如圖4b所示。

3．2 脈動風速模擬

通過選取最大脈動風速出現的時域作為振動響應分析數據，采用OriginPro 2018函數繪圖軟件對200 s區(qū)間的脈動風速進行數據處理，生成風速時程曲線，如圖5所示。

圖5 臺風風速時程曲線

3．3 風的時程荷載計算

采用伯努利（Bernoulli）方程考慮不可壓縮理想流體風壓與風速關系，將風速時程數據轉換為風壓。具體風荷載轉換計算方法為：

式中：ω為單位面積風荷載即風壓；ρ為流體密度；ν為流體速度。

工程結構形式多樣，結構上各點所處的高度也各有不同，因此在進行風速風壓轉換時需考慮結構體型的變化以及結構不同點的高度差異，才可求出結構某位置處的實際風壓力。根據體型和高度的不同對風壓進行修正，得出作用在工程結構上的風荷載：

式中：ω0為基本風壓，以當地比較空曠平坦地面上離地10 m高度統計所得的50年一遇10 min平均最大風速ν0求得，為風載體型系數，通過現場風壓實測所得，將造橋機各構件按測壓孔位置劃分n塊，將測點的Cpi值對應面積加權平均所得。μz為風壓高度變化系數，μz＝，z、ν分別為標準高度及該處的平均風11速；a 為與地面粗糙程度有關的系數[9－10]。

將脈動風速與平均風速疊加，考慮造橋機工作高度與結構體型，采用公式計算造橋機機體結構所受風壓與風力，生成風力時程數據，作為分析造橋機“停機抗臺狀態(tài)”與“過孔狀態(tài)”時的結構響應激振數據。風力時程曲線如圖6所示。

圖6 風力時程曲線

3．4 計算參數設定

造橋機風振響應分析采用振型疊加法，時程類型選擇為順態(tài)，分析時間為200 s，分析步長選取0.1 s。根據國內外鋼結構振動研究經驗，振型阻尼比取0.03。分析時考慮機體結構自重，不考慮非線性對計算結果的影響。

3．5 風荷載加載方式

考慮造橋機最不利狀態(tài)受風角度為水平風攻角0°（橫風振動）與豎向風攻角90°（順風振動），風荷載迎風總面積達631.2 m2。通過風壓計算導出總風力，根據造橋機結構模型上弦與下弦單元共劃分為320個迎風面作為氣流與機體結構近似接觸位置（加載位置），并按照停機及過孔兩種結構狀態(tài)進行加載。其中包括：（1）造橋機停機狀態(tài)，氣流與結構橫向接觸，風向為水平風攻角0°；（2）造橋機停機狀態(tài)，氣流與結構豎向接觸，風向為垂直風攻角90°；（3）造橋機過孔狀態(tài)，氣流與結構橫向接觸，風向為水平風攻角0°；（4）造橋機過孔狀態(tài)，氣流與結構豎向接觸，風向為垂直風攻角90°

4 造橋機風振效應結果分析

4．1 時程分析結果

通過對比風振響應結果可以看出，雙孔連做造橋機橫風振動響應明顯大于順風振動響應，主桁內力最大桿件出現在支座截面。提取振動響應相對較大桿件的時程分析數據，如圖7、圖8所示。

圖7 支座截面上弦軸力時程曲線

圖8 造橋機末端位移時程曲線

通過分析時程計算結果可以得到造橋機主要結構桿件風對結構作用的影響規(guī)律：

（1）造橋機處于“停機抗風狀態(tài)”時，橫風振動與順風振動相比頻率較大，橫風振動引起的桿件內力峰值較大；當造橋機處于“過孔狀態(tài)”時，橫風振動頻率小于順風振動頻率，橫風振動引起的桿件內力峰值較大。

（2）造橋機在橫風振動與順風振動所產生的內力峰值出現時間有所不同。造橋機處于“停機抗風狀態(tài)”時，橫風振動引起結構桿件內力峰值出現范圍在160～165 s之間，而順風振動引起的內力峰值出現時間范圍在18～23 s之間。當造橋機處于“過孔狀態(tài)”時，橫風振動與順風振動引起的內力峰值均出現在123～128 s之間。

（3）造橋機處于“過孔狀態(tài)”橫風振動時，結構桿件主要以橫向位移為主，豎向位移較小；順風振動時，結構桿件主要以豎向位移為主，未發(fā)生結構整體偏移、扭轉等現象。

4．2 內力分析結果

通過 Midas Civil 2017 有限元軟件[11－12]對雙孔連做造橋機兩種狀態(tài)下橫風及順風振動進行時程分析，得到結構的風振響應結果如表1、表2所示。

表1 造橋機風振響應內力峰值

表2 造橋機風振響應位移峰值 mm

通過對表1、表2結果分析可知：（1）造橋機停機及過孔狀態(tài)，橫風與順風振動使機體結構上下弦桿、斜桿與橫連桿產生了軸力、剪力和彎矩，未產生扭矩，說明在風振作用下造橋機結構發(fā)生了軸、彎、剪耦合效應；（2）在機體結構兩種狀態(tài)下，橫風振動與順風振動產生的耦合效應最明顯位置為支座截面上、下弦桿（內力最大）；（3）順風振動時，結構內力峰值小于橫風振動；（4）橫風振動作用下過孔狀態(tài)位移值最大，為最不利狀態(tài)。

停機抗風狀態(tài)下，橫風振動位移峰值為7.3 mm，順風振動豎向位移峰值為1.1 mm；過孔狀態(tài)下，橫風振動位移峰值為57.3 mm，順風振動位移峰值為15.9 mm。造橋機結構控制桿件組合應力最大壓應力為－385 MPa，最大拉應力256.8 MPa，造橋機撓度最大619.3 mm，滿足《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）鋼材Q420D強度設計要求與撓度比要求。

5 結束語

由于雙孔連做造橋機跨度以及構件長細比較大，在臺風區(qū)較大風荷載的動力作用下往往會產生不容忽視的振動變形。本文采用平潭海峽臺風實測數據生成時程風速作為結構激振源，模擬雙孔連做造橋機的風振響應。結果表明造橋機機體及各構件均未出現破壞與共振現象，驗證了造橋機結構設計的合理性。文中風荷載模擬及風振響應分析方法可為今后造橋機安全施工、抗臺風設計及推廣應用提供一定的理論支撐。