大型建筑鋼結(jié)構(gòu)施工及防震安全研究

摘" 要：橋梁是公路交通系統(tǒng)的重要組成部分，起到銜接和樞紐的作用。橋梁的安全關(guān)系到整個(gè)公路交通網(wǎng)絡(luò)的安全。針對(duì)大型橋梁的建筑問(wèn)題，提出一種用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)——桁架施工方案，包括桁架施工的流程和關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)橋梁在使用過(guò)程中可能受到的各種震動(dòng)及其引發(fā)自振所帶來(lái)的安全問(wèn)題，進(jìn)一步提出防震安全測(cè)試方法。在這些方法中，提出了3種模型，分別是基于虛功的防震測(cè)試模型、基于增量的防震測(cè)試模型、基于自振的防震測(cè)試模型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)施工橋梁多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，在3種防震測(cè)試方法中，基于自振的防震測(cè)試模型效果最好，可以為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防震性能提供準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：橋梁施工;鋼結(jié)構(gòu);桁架結(jié)構(gòu);防震性能;安全分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U448" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0163-04

Abstract： Bridges are an important component of the highway transportation system， playing a role of connection and hub. The safety of bridges is related to the safety of the entire highway transportation network. A construction technology for large-span steel structures， truss construction scheme， is proposed to address the construction issues of large bridges， including the process and key points of truss construction. A seismic safety testing method is further proposed to address the various vibrations that bridges may experience during use and the safety issues caused by their self vibration. Among these methods， three models are proposed， namely the virtual work based seismic testing model， the incremental seismic testing model， and the natural vibration based seismic testing model. During the experiment， multiple points of the construction bridge were tested， and the test results showed that among the three seismic testing methods， the seismic testing model based on natural vibration had the best effect， which can provide accurate analysis and prediction for the seismic performance of steel structure bridges.

Keywords： bridge construction; steel structure; truss structure; seismic performance; safety analysis

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的公路交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大、里程不斷延伸，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)土的全覆蓋。公路交通的快速發(fā)展，也為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提供了極大的便利。在公路交通網(wǎng)絡(luò)中，橋梁是非常重要的銜接和樞紐部分[1]。例如，在河流或高空峽谷的特殊區(qū)域，在多條公路的交叉疊加區(qū)域，都必須通過(guò)橋梁的施工架設(shè)完成銜接和過(guò)渡。因此，在公路交通系統(tǒng)中，橋梁已經(jīng)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[2]。為了提升橋梁的建筑質(zhì)量并改善作業(yè)效率，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁施工中得到了更多的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)于橋梁的大跨度施工問(wèn)題也具有更好的針對(duì)性[3]。施工后的橋梁投入運(yùn)營(yíng)后，要特別注意安全性問(wèn)題。其中，震動(dòng)是影響橋梁安全的重要問(wèn)題。影響橋梁震動(dòng)的原因很多，如自然天氣、地質(zhì)災(zāi)害、車(chē)行通過(guò)的重量數(shù)量或速度等等。尤其是外部因素引發(fā)橋梁自振，會(huì)更加危險(xiǎn)[4]?；谏鲜龇治?，對(duì)橋梁施工問(wèn)題進(jìn)行研究，并采用合理的模型進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防震性能分析，具有十分重要的意義，這也是本文主要開(kāi)展的2項(xiàng)工作。

1" 大跨度橋梁的鋼結(jié)構(gòu)施工

在公路交通系統(tǒng)中，橋梁一般用于對(duì)河流、峽谷的跨越，施工層面上表現(xiàn)為對(duì)兩側(cè)公路的銜接。因?yàn)轵v空的橫跨設(shè)計(jì)，橋梁施工和普通的路面施工截然不同。橋梁因?yàn)轵v空設(shè)計(jì)，自身較大的自重就表現(xiàn)出了更大的影響。同時(shí)，橋梁的跨度一般都比較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著更高的要求。

考慮到整體橫跨的施工難度較大，可以采用桁架結(jié)構(gòu)從局部到整體的逐漸延伸，完成橋梁的施工。進(jìn)一步考慮到橋梁承載力等方面的需求，桁架結(jié)構(gòu)采用鋼質(zhì)材料更佳。在橋梁結(jié)構(gòu)中，給出一個(gè)局部的桁架鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，雖然橋梁的整體跨度大、延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)，但可以通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的桁架搭建并不斷延伸，完成整體上的設(shè)計(jì)。這樣，每一個(gè)局部上的鋼梁或鋼架長(zhǎng)度不需要特別長(zhǎng)，施工上容易處理。另外，各個(gè)鋼架之間的鉸鏈非常重要，它起到了銜接和承載受力、確保桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵作用。具有桁架結(jié)構(gòu)的鋼橋示意圖，如圖2、圖3、圖4所示。

上述3個(gè)示意圖中，鋼橋總體外觀雖然各有不同，但都采用了鋼桁架結(jié)構(gòu)，其基本原理和特點(diǎn)是一致的。

為了確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工安全，在施工過(guò)程中對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)要進(jìn)行多步驟的處理，具體如圖5所示。

從圖5中可以看出，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)桁架施工的處理過(guò)程中，為了提升其整體安全性，主要采取了這樣的措施：根據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)桁架的總體優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析并達(dá)到應(yīng)力平衡，在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析，主要包括截面應(yīng)力分析、位移穩(wěn)定性分析，結(jié)合這些分析結(jié)果，在確保安全的前提下降低桁架結(jié)構(gòu)的重量，使得橋梁整體鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量更輕，最關(guān)鍵的是要避免橋梁的桁架結(jié)構(gòu)因外部某些因素產(chǎn)生共振[5]。因?yàn)橐坏┌l(fā)生共振，就會(huì)導(dǎo)致桁架結(jié)構(gòu)的使用壽命降低，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，如振裂、坍塌等現(xiàn)象。

2" 大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防震性能分析方法

施工橋梁的主要安全問(wèn)題，來(lái)自于震動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的防震性能進(jìn)行分析，具有十分重要的意義。本文中，建立3種模型來(lái)完成這種分析，分別是基于虛功模型的防震性能分析方法、基于增量模型的防震性能分析方法、基于自振模型的防震性能分析方法，如圖6所示。

2.1" 基于虛功模型的防震性能分析方法

基于虛功模型的防震性能分析方法，是將影響橋梁桁架結(jié)構(gòu)的各種指標(biāo)設(shè)定為約束，再建立虛功模型加以分析的一種方法。其中，敏感性指標(biāo)計(jì)算如下

式中：i為威脅橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo);k為威脅橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第k個(gè)指標(biāo);s為在第k個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)后橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo)也出現(xiàn)的可能性，即敏感性指標(biāo);Δgi為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)的改變量;Δνk為橋梁桁架結(jié)構(gòu)中第k個(gè)指標(biāo)的改變量。

為了便于在現(xiàn)實(shí)中完成求解，敏感性指標(biāo)可以通過(guò)微分形式完成求解，計(jì)算如下

式中：i為威脅橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo);k為威脅橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第k個(gè)指標(biāo);s為在第k個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)后橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo)也出現(xiàn)的可能性，即敏感性指標(biāo);dgi為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第i個(gè)指標(biāo)的微元;dνk為橋梁桁架結(jié)構(gòu)中第k個(gè)指標(biāo)的改變量微元。

在整個(gè)虛功模型中的假設(shè)條件下，橋梁桁架結(jié)構(gòu)所受外力演變?yōu)閮?nèi)部虛功，二者作用相等，計(jì)算如下

，" " " " " " " " （3）

式中：δWe為橋梁桁架結(jié)構(gòu)所承受的外力所對(duì)應(yīng)的虛功總量;δWi為橋梁桁架結(jié)構(gòu)所承受的內(nèi)力所對(duì)應(yīng)的虛功總量。

如果進(jìn)一步考慮到橋梁桁架結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)鋼架構(gòu)架，可以得到

式中：δWe為橋梁桁架結(jié)構(gòu)所承受的外力所對(duì)應(yīng)的虛功總量;k為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的鋼架順序;P為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件總數(shù);ek為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的第k個(gè)鋼架。

2.2" 基于增量模型的防震性能分析方法

大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量較多，若在優(yōu)化過(guò)程中計(jì)算每一個(gè)設(shè)計(jì)變量的敏感性系數(shù)，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程將耗費(fèi)大量時(shí)間，且對(duì)于整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)說(shuō)，精確到構(gòu)件層級(jí)的敏感性分析并不具有必要性，可通過(guò)概念判斷或工程經(jīng)驗(yàn)將設(shè)計(jì)變量成組[6]。

對(duì)于不同組的設(shè)計(jì)變量，若設(shè)計(jì)變量改變量相等，對(duì)于敏感性系數(shù)的比較可以轉(zhuǎn)換為對(duì)約束條件改變量的比較。等增量敏感性就是指不同構(gòu)件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過(guò)比較約束條件的變化量，可判斷各構(gòu)件組的敏感性。若約束條件改變量為正，構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為正;若約束條件改變量為負(fù)，構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為負(fù);若約束條件改變量為零，構(gòu)件組對(duì)約束條件不產(chǎn)生影響。

虛功敏感性系數(shù)分析法通過(guò)虛功原理等數(shù)學(xué)、力學(xué)方法推導(dǎo)建立設(shè)計(jì)變量和約束條件之間的顯式關(guān)系，再求出約束條件對(duì)某設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)，即敏感性系數(shù)。可提取結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)工況和虛擬工況下構(gòu)件受力、構(gòu)件尺寸及材料參數(shù)，還可以通過(guò)編程計(jì)算單根構(gòu)件敏感性系數(shù)，再對(duì)同一構(gòu)件組進(jìn)行敏感性系數(shù)的加權(quán)平均（權(quán)重為構(gòu)件成本或體積）。程序僅運(yùn)行一次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法通過(guò)對(duì)不同構(gòu)件組增加成比例的成本或體積，利用通用結(jié)構(gòu)分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構(gòu)件組的敏感性。構(gòu)件分組越精細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確;但分組越精細(xì)，計(jì)算模型越多，耗費(fèi)的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此要結(jié)合考慮工程需要和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度等因素合理確定構(gòu)件分組的數(shù)量。

2.3" 基于自振模型的防震性能分析方法

在很多情況下，橋梁桁架結(jié)構(gòu)在能量守恒的過(guò)程中，整體上符合簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律，這樣就形成了橋梁自振和虛功的對(duì)應(yīng)，計(jì)算如下

式中：ω為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的固有頻率;W為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的虛功;M為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大小;?為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的振型向量。

根據(jù)上面的推演，進(jìn)一步計(jì)算得出

T=，" " " "（6）

式中：ω為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的固有頻率;T為橋梁桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期。

3" 大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防震安全測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在前面的研究工作中，給出了大跨度橋梁桁架鋼結(jié)構(gòu)的施工方案和方法，進(jìn)而提出了3種模型用于對(duì)橋梁桁架結(jié)構(gòu)的防震性能進(jìn)行分析。在接下來(lái)的過(guò)程中，就通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)完成這種測(cè)試。測(cè)試的過(guò)程中，在大跨度橋梁桁架鋼結(jié)構(gòu)上選擇5個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，這些點(diǎn)位所在的高度、水平方向上的位置都有所差異。當(dāng)外部產(chǎn)生震動(dòng)影響，橋梁桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)敏感性指標(biāo)表現(xiàn)如圖7所示。

從圖7的對(duì)比結(jié)果可以看出，在本文提出的3種分析方法中，基于自振模型的防震性能分析方法獲得了更高的振動(dòng)敏感性參數(shù)，這一點(diǎn)在5個(gè)測(cè)試點(diǎn)位上都有同樣的表現(xiàn)。這表明，一旦外部產(chǎn)生了震動(dòng)影響因素，橋梁桁架結(jié)構(gòu)的防震效果，通過(guò)自振模型法可以最快、最有效地檢測(cè)出來(lái)。再橫向?qū)Ρ?個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，也可以看出橋梁桁架結(jié)構(gòu)上的5號(hào)測(cè)試點(diǎn)位，表現(xiàn)出了更為明顯的震動(dòng)敏感性，這也是需要加固的點(diǎn)位。

4" 結(jié)論

在日益發(fā)展的公路交通系統(tǒng)中，橋梁發(fā)揮了不可或缺的重要作用。橋梁的安全關(guān)系到整個(gè)公路交通網(wǎng)絡(luò)的安全。針對(duì)大型橋梁的建筑問(wèn)題，提出了一種用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)——桁架施工方案，包括桁架施工的流程和關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)橋梁在使用過(guò)程中可能受到的各種震動(dòng)及其引發(fā)自振所帶來(lái)的安全問(wèn)題，進(jìn)一步提出了防震安全測(cè)試方法。在這些方法中，提出了3種模型，分別是基于虛功的防震測(cè)試模型、基于增量的防震測(cè)試模型、基于自振的防震測(cè)試模型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)施工橋梁多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：在3種防震測(cè)試方法中，基于自振的防震測(cè)試模型效果最為理想，可以依據(jù)其分析得到最佳的防震安全策略。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬坤全，吳定俊，曹雪琴.高速鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁橋面結(jié)構(gòu)布局探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（12）：56-59，115.

[2] 惠記莊，樊博涵，丁凱，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁裝配化施工仿真系統(tǒng)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，39（4）：91-99.

[3] 暢三軍，陳少波，劉紅亮.橋梁鋼結(jié)構(gòu)不銹鋼復(fù)合板對(duì)接焊縫超聲橫波檢測(cè)缺陷定位研究[J].無(wú)損探傷，2024，48（2）：53-61.

[4] 翟新峰.公路獨(dú)柱橋梁鋼結(jié)構(gòu)支撐加固改造施工技術(shù)研究[J].工程機(jī)械與維修，2022（2）：179-181.

[5] 張巖.橋梁鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)控制要點(diǎn)分析[J].建材與裝飾，2017（21）：261.

[6] 韋建旺.鋼結(jié)構(gòu)施工抗震性能研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2024，22（4）：61-63.

作者簡(jiǎn)介：朱新瑤（1992-），女，工程師。研究方向?yàn)槭┕ぐ踩?/p>